平行磁化NdFeB鋼絲繩無損檢測(cè)儀開發(fā)

路正雄，郭 衛(wèi)，張傳偉，趙栓峰，王 淵

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

鋼絲繩由若干鋼絲捻制而成，具有高抗拉強(qiáng)度等特點(diǎn)[1]，在礦井提升[2]、斜拉橋[3]、海上油氣工業(yè)[4]、起重機(jī)吊裝[5]和電梯提升[6]等行業(yè)廣泛應(yīng)用，并且不同應(yīng)用領(lǐng)域，鋼絲繩的規(guī)格和特性也不同。鋼絲繩在服役過程中，常常處于動(dòng)載荷或過載荷的狀態(tài)，并隨時(shí)間的推移不斷磨損或者腐蝕而不斷劣化，最終導(dǎo)致鋼絲繩產(chǎn)生局部的金屬缺失甚至斷絲[7]。這些缺陷將導(dǎo)致鋼絲繩的機(jī)械強(qiáng)度、載荷分擔(dān)能力以及使用壽命逐漸喪失。然而，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︿摻z繩使用的安全性要求很高[8]。因此，需要定期有效地檢查鋼絲繩的健康狀況，以避免災(zāi)難性事故發(fā)生。

現(xiàn)有的鋼絲繩無損監(jiān)測(cè)方法有漏磁(MFL)檢測(cè)方法[9]、聲發(fā)射檢測(cè)方法[10]、渦流檢測(cè)法[11]、X-射線彈測(cè)法[12]等。在上述檢測(cè)方法中，MFL檢測(cè)方法是目前最為有效的鋼絲繩無損檢測(cè)方法。該方法利用永磁體將鋼絲繩磁化使其達(dá)到磁飽和狀態(tài)，此時(shí)由于鋼絲繩的損傷缺陷使磁通泄露到周圍的環(huán)境中去，即漏磁。這種漏磁現(xiàn)象被霍爾傳感器[13]感應(yīng)線圈[14]、磁通量閘門傳感器[15]等一些磁傳感器檢測(cè)到。

傳統(tǒng)的基于MFL法的鋼絲繩測(cè)試儀由2個(gè)完整的圓環(huán)形永磁體組成，每個(gè)環(huán)形永磁體由4個(gè)半環(huán)磁鐵組成，并分別安裝在空心鐵磁圓柱體軛的兩端，然后使用非金屬襯套將被檢測(cè)的鋼絲繩密封起來，以此來保護(hù)磁鐵和檢測(cè)電路。現(xiàn)有的鋼絲繩檢測(cè)儀均采用4個(gè)徑向磁化半環(huán)磁鐵[16]。所有的徑向磁化環(huán)形磁鐵只在固定的幾個(gè)國家制造，這對(duì)徑向磁化環(huán)形磁鐵的使用帶來極大的不便，而且增加了檢測(cè)儀的成本。徑向磁化環(huán)形磁鐵很難實(shí)現(xiàn)理想的徑向磁化，因?yàn)樗枰? 500 kA/m量級(jí)的高磁化場(chǎng)，峰值磁化電流大約為30 kA[17]。然而，與徑向磁化相比平行磁化磁體容易實(shí)現(xiàn)而且價(jià)格很低，因此，平行磁化磁體比徑向磁化磁體更具有利用優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)目前鋼絲繩檢測(cè)儀采用的徑向磁化半環(huán)磁鐵磁化難度高造成的檢測(cè)儀成本高以及鋼絲繩缺陷檢測(cè)的靈敏度低等問題。采用平行磁化(NdFeB)永磁體代替徑向磁化半環(huán)磁體，基于MFL原理提出一種利用平行磁化永磁體段構(gòu)建鋼絲繩測(cè)試儀的新方法，設(shè)計(jì)了漏磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)平行磁化NdFeB永磁體構(gòu)建的鋼絲繩無損檢測(cè)儀的斷絲檢測(cè)精度進(jìn)行提升。該方法有效地解決了徑向磁化技術(shù)的不足，降低了技術(shù)難度和生產(chǎn)成本，提升了鋼絲繩缺陷的監(jiān)測(cè)精度。

1 新型鋼絲繩無損檢測(cè)儀原理

Foster模型是漏磁檢測(cè)的理論模型[18]，氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hg為均勻分布，磁場(chǎng)強(qiáng)度與到氣隙的距離成反比。漏磁通H可以分別表示為

(1)

(2)

式中Hg為磁場(chǎng)強(qiáng)度，T；Hy為氣隙在軸向的漏磁通量，Wb；Hx為氣隙在徑向的漏磁通量，Wb；Lg為氣隙的面積,mm2。如果x=0，漏磁通的值為

(3)

由式(3)可知，漏磁通的值與y成反比，與Hg和Lg的乘積成正比。因此，如果保持Hg恒定，漏磁通的值會(huì)隨著氣隙的增大而增大。

由式(3)可知，以下的等式可表示為

(4)

在這種情況下，漏磁通傳感器的靈敏度與y2成反比。基于上述漏磁(MFL)原理設(shè)計(jì)基于平行磁化NdFeB磁體的鋼絲繩缺陷檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)，原理如圖1所示，其中LF代表鋼絲繩局部斷絲區(qū)域，LMA代表鋼絲繩局部材料缺失區(qū)域。該鋼絲繩無損檢測(cè)儀由2個(gè)安裝在鐵磁軛中的永磁體環(huán)組成，當(dāng)磁化的鋼絲繩插入測(cè)試儀時(shí)，檢測(cè)儀會(huì)形成包括磁鐵、鋼絲繩、鐵磁軛以及磁鐵與鋼絲繩間隙的磁回路。被永磁體磁化到飽和狀態(tài)的鋼絲繩，會(huì)在缺陷位置處發(fā)生磁通量泄漏，泄漏的磁通量可以由霍爾傳感器等檢測(cè)到，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋼絲繩缺陷的診斷。

圖1 基于MFL的鋼絲繩測(cè)試儀原理Fig.1 MFL-based wire rope tester

2 平行磁化NdFeB鋼絲繩無損檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 平行磁化NdFeB磁體裝配

平行磁化NdFeB磁體鋼絲繩測(cè)試儀采用稀土永磁體。首先，用電火花線切割機(jī)將未磁化的環(huán)形NdFeB磁體切割成16個(gè)等弧段；然后，使用磁化器對(duì)NdFeB的每個(gè)弧段進(jìn)行平行磁化，其中NdFeB磁體的平行磁化是指使磁體的外表面具有統(tǒng)一極性，內(nèi)表面具有相反極性，如圖2所示。

圖2 平行磁化NdFeB磁體段Fig.2 Parallely magnetized NdFeB magnet segments

平行磁化NdFeB磁體段有2種類型：類型Ⅰ為北極位于外表面，南極位于內(nèi)表面(如圖2(a)所示)；類型Ⅱ?yàn)槟蠘O位于外表面，北極位于內(nèi)表面(如圖2(b)所示)。最后，將這些平行磁化的磁鐵段組裝成如圖3所示的圓形環(huán)永磁體。在這32個(gè)磁鐵段中，16個(gè)磁鐵屬于Ⅰ型，其余16個(gè)為Ⅱ型。將16塊Ⅰ型磁鐵段組裝成圓環(huán)形磁鐵1，如圖3(a)所示，其他16個(gè)Ⅱ型磁鐵組裝成圓環(huán)形磁鐵2，如圖3(b)所示。將上述2個(gè)圓環(huán)形磁鐵作為相反的偶極子安裝在圓柱形軛兩端，使檢測(cè)儀在鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生大約1.8 T的磁通密度。

圖3 16個(gè)平行磁化磁體段組合的徑向磁化圓環(huán)Fig.3 Radially magnetized circular rings with 16 parallely-magnetized magnet segments

鋼絲繩無損檢測(cè)儀由32個(gè)相同的NdFeB磁體段組裝而成，且每16個(gè)NdFeB磁體段組成一個(gè)圓形磁環(huán)。組裝過程中，各磁鐵段的兩極之間存在很強(qiáng)的磁力，很難將相鄰磁體段組裝成環(huán)狀，而且極易造成磁鐵的損壞。若采用手工組裝，平行磁化NdFeB磁鐵段很容易相互碰撞損壞磁體甚至對(duì)人造成傷害。因此，文中設(shè)計(jì)了一套能夠提供磁鐵進(jìn)入磁軛路徑的工裝夾具，并運(yùn)用夾具實(shí)現(xiàn)了磁體的一體化裝配，如圖4所示。

圖4 磁體裝配Fig.4 A complete result to assemble arc magnets

2.2 新型鋼絲繩無損檢測(cè)儀功能驗(yàn)證

鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)[19]主要由計(jì)算機(jī)、工作臺(tái)、采集卡、鋼絲繩測(cè)試儀、霍爾效應(yīng)傳感器、Labview軟件等組成，如圖5所示。

圖5 鋼絲繩無損檢測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Experimental test-rig to test wire rope tester

數(shù)據(jù)采集卡NI-6024E以每秒30組數(shù)據(jù)的采樣頻率，將霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)PCI接口輸入到計(jì)算機(jī)中，然后通過Labview程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。用低碳鋼直鋼絲做鋼絲束，人為制作鋼絲缺陷并置于試樣外層。在檢測(cè)儀中由于鋼絲存在缺陷，磁通會(huì)發(fā)生泄漏，泄漏的磁通包含3個(gè)分矢量分別為鋼絲束徑向、切向和軸向。其中，局部故障信息包含在漏磁的徑向分量中，金屬區(qū)域的損耗信息包含在漏磁的軸向分量中。因此，可以通過適當(dāng)改變鋼絲繩檢測(cè)儀中霍爾傳感器的方向，來獲得LF和LMA信號(hào)。

采用靈敏度為-90 mV/mT，量程為0～10 mT的霍爾傳感器A采集LF信號(hào)。當(dāng)表面斷絲缺陷明顯的鋼絲繩通過監(jiān)測(cè)儀時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)曲線，如圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)缺陷明顯的鋼絲束通過霍爾傳感器下方時(shí)，信號(hào)的幅值上升，缺陷處的最小、最大霍爾電壓分別為-80和170 mV，峰值到峰值之間的幅值之差為250 mV。

圖6 基于霍爾傳感器的LF檢測(cè)信號(hào)Fig.6 LF signal using hall sensor corresponding to broken strand

采用靈敏度為45 mV/mT，量程為0～20 mT的霍爾傳感器B采集LMA信號(hào)。當(dāng)有缺陷的鋼絲繩通過監(jiān)測(cè)儀時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間響應(yīng)曲線，如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)含缺陷鋼絲束通過霍爾傳感器下方時(shí)，漏磁信號(hào)軸向分量的幅度增大，出現(xiàn)缺陷的最大霍爾電壓為-90 mV，偏移電壓為-10 mV，相應(yīng)于缺陷的幅值為80 mV。實(shí)驗(yàn)分析表明，新型鋼絲繩無損檢測(cè)儀能夠有效的檢測(cè)鋼絲繩的缺陷部位，受損處鋼絲繩的漏磁信號(hào)幅值變化劇烈，證明該檢測(cè)儀器的有效性。

圖7 基于霍爾傳感器的LMA檢測(cè)信號(hào)Fig.7 LMA signal using hall sensor corresponding to broken strand

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷鋼絲繩檢測(cè)效果對(duì)比分析

采用小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分析新型鋼絲繩無損檢測(cè)儀獲取的缺陷鋼絲繩漏磁信號(hào)，即首先利用小波變換的方法來獲得信號(hào)特征值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立損傷識(shí)別模型，來完成原始系統(tǒng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中鋼絲繩缺陷檢測(cè)精度的對(duì)比分析。

3.1 鋼絲繩缺陷信號(hào)小波分析

小波分析作為一種信號(hào)處理方法，能夠有效分析信號(hào)的細(xì)節(jié)，是在時(shí)域和頻域內(nèi)分析畸變信號(hào)的理論基礎(chǔ)[20-22]。設(shè)鋼絲繩缺陷信號(hào)的一個(gè)離散樣本系列為：f(n)，n=1，2，…，N.令c0(n)=f(n)，則鋼絲繩缺陷信號(hào)的二進(jìn)值小波變換為

(5)

式中cj(k)為尺度系數(shù)；dj(k)為小波系數(shù)；hk-2n為高通濾波器系數(shù)；gk-2n為低通濾波器系數(shù)。

如果令Hn，k=hk-2n且Gn，k=gk-2n，矩陣H和G滿足關(guān)系式：H=(Hn，k)和G=(Gn，k)，式(5)表示為

(6)

式中H，G分別為高通和低通濾波器的n次插值，n為正整數(shù)。

通過關(guān)系式(6)可得

cj(k)=H*cj+1+G*dj+1

(7)

式中H*和G*分別是H和G的關(guān)聯(lián)矩陣。

通過式(7)對(duì)獲取的原始鋼絲繩缺陷信號(hào)進(jìn)行小波重建，用于鋼絲繩損傷的定量識(shí)別。

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼絲繩斷絲檢測(cè)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由3個(gè)部分組成，分別為輸入層、隱含層、輸出層，每層含有不同數(shù)量的神經(jīng)元[23-25]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過比較期望輸出值和實(shí)際輸出值，計(jì)算誤差值e的標(biāo)準(zhǔn)差σ，當(dāng)σ小于誤差閾值ξ時(shí)，輸入層與隱含層之間的權(quán)重值達(dá)到要求，停止訓(xùn)練并得到最終的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值參數(shù)。首先在鋼絲繩疲勞試驗(yàn)機(jī)上制備有效長度為500 mm的25根具有不同斷絲缺陷的6×7IWS鋼絲繩實(shí)驗(yàn)試樣，然后運(yùn)用本研究提出的無損檢測(cè)儀，任意選取20根含斷絲缺陷的鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，獲取缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，剩余5根鋼絲繩用于獲取對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

經(jīng)小波重建后的原始鋼絲繩缺陷信號(hào)作為輸入，設(shè)輸入層的輸入矢量為X=[x1，x2，…，xn]，輸入層與輸出層的之間的權(quán)值為W=[w1，w2，…，wp]，隱含層輸出為O=[o1，o2，…，on]，選擇激活函數(shù)為

(8)

隱含層輸出計(jì)算公式如下

令隱含層輸出O中的元素計(jì)算公式為

oi=f(wi×xj+bi)

(9)

令B=[b1，b2，…，bp]，隱含層輸出矩陣I計(jì)算公式為

O=f(W′×X+B′)

(10)

令輸出層權(quán)值為Q，Q=[q1，q2，…，qp]，則輸出層Y誤差E的計(jì)算公式為

Y=Q×O

(11)

E=D-Y

(12)

令隱含層與輸出層之間的局部梯度G=[g1，g2，…，gn]，輸入層與隱含層之間的局部梯度L=(lij)，則權(quán)值更新計(jì)算公式為

(13)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)剩余5根待檢測(cè)的含缺陷鋼絲繩進(jìn)行分析。設(shè)學(xué)習(xí)速度系數(shù)為0.05，預(yù)期的誤差為10-6，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。符號(hào)*表示斷絲的實(shí)際數(shù)量是1，但損傷處的漏磁信號(hào)太弱而無法被檢測(cè)識(shí)別，斜體加粗表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法獲得的損傷識(shí)別結(jié)果，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。

分析表1發(fā)現(xiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法檢測(cè)的斷絲數(shù)量相對(duì)平均誤差為31.5%，斷絲位置識(shí)別平均誤差為22.4%；傳統(tǒng)系統(tǒng)的斷絲數(shù)量相對(duì)平均誤差為16.7%，斷絲位置識(shí)別平均誤差為10.5%；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法檢測(cè)精度較傳統(tǒng)檢測(cè)方法提升了13.35%。當(dāng)斷絲數(shù)量較少時(shí)2種方法的檢測(cè)精度都較低，隨著同一斷面附近斷絲數(shù)量的增加斷絲根數(shù)和位置檢測(cè)值越準(zhǔn)確。但比較2種方法的檢測(cè)性能發(fā)現(xiàn)，本研究提出的無損檢測(cè)方法能夠在少量斷絲情況下更好的識(shí)別破損情況。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié) 論

1)提出一種基于平行磁化NdFeB磁體段的鋼絲繩無損檢測(cè)儀，并驗(yàn)證了其功能的有效性。

2)新型鋼絲繩無損檢測(cè)儀采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，比傳統(tǒng)設(shè)備的檢測(cè)算法性能更優(yōu)。

3)當(dāng)鋼絲繩存在少量斷絲時(shí)，本檢測(cè)儀具有更高的診斷精度。