電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測技術

饒曉慧

（河南機電職業學院 河南省新鄭市 451191）

相比于傳統的鋼絲繩來說，在電梯中引入鋼帶進行傳動與承重能夠獲取更高曳引力，因此在當前得到了更為廣泛的應用。為了確保電梯鋼帶的性能得到最大程度的發揮，必須要定期落實電磁無損檢測，判斷電梯鋼帶的疲勞程度以及存在的損傷缺陷，實施針對性處理，體現出對電梯鋼帶應用安全性的維護。

1 電磁無損檢測的主要原理分析

對于電磁無損檢測而言，其主要應用法拉第電磁感應定律對金屬缺陷進行確定，實踐中，主要對金屬構件進行磁化處理，此時，若是金屬構件中存在缺陷，那么缺陷區域的磁阻就會呈現出增大的趨勢，依托漏磁即可迅速確定出金屬構件中是否存在缺陷以及缺陷的所在位置。

如果存在某一由鐵磁材料制作而成的組織均勻的零件，如果其中不存在缺陷，那么該零件各個位置的導磁率均穩定在相同水平，即便經過磁化處理，所呈現出的磁感線分布也呈現出均勻狀態。相對應的，若是該零件內存在缺陷，則受到空氣、真空、非磁性材料等多種因素的影響，相應缺陷位置的導磁率會處于較低水平，磁力線在通過該缺陷位置時，會受到更大磁阻的影響，促使其磁力線的分布情況發生改變。根據這樣的原理及對應現象，相關人員可以在不損壞零件的基礎上，迅速確定其中是否存在缺陷，并準確定位缺陷所在位置。

2 電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測主要內容分析

2.1 電梯鋼帶的常見缺陷

在針對電梯鋼帶展開電磁無損檢測的過程中，主要對電梯鋼帶的局部缺陷、結構缺陷以及金屬截面缺陷展開檢測，這些也是電梯鋼帶的常見缺陷。其中，局部缺陷主要為電梯鋼帶出現的斷絲、斷股或是窩絲等缺陷；結構缺陷主要為電梯鋼帶自身結構出現變形，包括畸變、漏絲、松絲等缺陷；金屬截面缺陷主要為電梯鋼帶的腐蝕、變細、大面積磨損等缺陷。在當前的實踐中，更多將電磁無損檢測技術應用于對電梯鋼帶局部損傷以及金屬截面損傷的檢測方面，同時，要切實參考缺陷實際情況與檢測現實需求，選取更為合適的電磁無損檢測技術。

2.2 電梯鋼帶電磁無損檢測的常用方法

2.2.1 漏磁法

該方法在對電梯鋼帶疲勞與損傷展開電磁無損檢測時更加常用，技術成熟度也相對較高。實踐中，主要通過外加強大的磁場對鐵磁性材料進行磁化到飽和，當被磁化的鐵磁材料存在缺陷時，即在材料表面形成漏磁場。檢測線圈或霍爾元件檢測到漏磁場并將其轉化成電流或電壓的大小，以此反映缺陷的大小和位置。

2.2.2 聲發射法

該方法主要應用聲發射這種常見的物理現象實現對電梯鋼帶的無損檢測。實踐中，在聲發射源發射出彈性波，該彈性波在傳遞至鐵磁性材料表面時，會引起聲發射傳感器探測的表面位移；這些探測器將材料的機械振動轉變為電信號，并對其進行放大、處理與記錄，由此識別材料變形或斷裂時產生的微小聲波，最終達到電磁無損探傷的效果。

2.2.3 超聲波法

該方法主要利用超聲波可以在材料中以一定的速度和方向傳播，且在遇到聲阻抗不同的異質界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產生反射的原理實現對電梯鋼帶的無損檢測[1]。當超聲波遇到缺陷后，存在部分反射能量會沿著原路徑返回至探頭區域，由探頭將這些反射能量轉變為電脈沖，并在放大處理后，在示波管熒光屏上直觀顯現出來。結合對缺陷反射波位置以及幅度的分析，即可判斷出電梯鋼帶中存在缺陷的位置以及尺寸。

2.2.4 渦流法

該方法主要利用電磁感應原理實現對電梯鋼帶的無損檢測。實踐中，主要在檢測線圈的支持下形成交變磁場，并將能量傳遞給被檢導體，在交變磁場的支持下實現對被檢測導體中質量信息的獲取。在此過程中，可以將檢測線圈視為換能器，其技術參數、規格以及形狀均會對最終檢測結果造成較大影響。在應用渦流法展開對電梯鋼帶的無損檢測的過程中，需要切實參考電梯鋼帶的材質、尺寸大小、質量要求完成檢測線圈的選定，體現出對最終檢測結果可靠程度的更好維護。

2.2.5 電流法

該方法主要利用歐姆定律的原理實現對電梯鋼帶的無損檢測。實踐中，將電流通入電梯鋼帶中，并對其電阻值展開測量，以此判斷電梯鋼帶的斷面情況。相比于其他電磁無損檢測方法來說，電流法的操作簡單程度更高，但是極容易受到多種因素的影響。

2.2.6 射線法

該方法主要利用射線（包括X射線、γ射線、中子射線等）能夠簡單穿透物質的特性實現對電梯鋼帶的無損檢測。實踐中，射線照相法更為常用，其主要選定X射線或γ射線作為穿透構件的射線，并依托膠片實現對構件內部結構信息的記錄[2]，可以在不損傷電梯鋼帶構件的條件下更為直觀的生成內部缺陷圖像信息，相應結果也能夠長時間保存，對于體積型缺陷（包括氣孔、夾渣等缺陷）有著極為理想的檢出率。但是，針對一些面積型缺陷（包括如裂紋、末熔合類缺陷等等），如果在拍攝照片時未選好角度，則極容易發生漏檢問題。

2.2.7 磁粉檢測法

該方法主要依托磁場的施加使得被檢測構件磁化，此時，構件的表面、近表面缺陷區域所存在的缺陷會逸出磁力線，由此構成漏磁場，實現對施加與構件表面上的磁粉的迅速吸附，形成聚集磁痕，顯現出構件表面、近表面的缺陷。需要注意的是，磁粉檢測法只能夠實現對電梯鋼帶表面、近表面缺陷區域所存在缺陷的無損檢測，但是如果想要對更深層的缺陷實施無損檢測，則要應用其他檢測方法，如超聲波法、射線法等等。

2.2.8 巴克豪森噪聲法

當鐵磁材料長期承受應力后，容易出現殘余應力或是疲勞損傷，依托巴克豪森噪聲法可以實現對這些情況的準確識別。實踐中，主要依托低頻交流信號對鐵磁材料進行勵磁，結合交流磁場的引入，巴克豪森噪聲信號生成。對于巴克豪森噪聲信號而言，其在應力、溫度、鐵磁材料顯微結構的影響下會產生變化，從而實現對電梯鋼帶的無損檢測。

3 電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測技術的優化設計

3.1 技術優化的主要思路

出于對進一步強化電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測結果精準程度的考量，同時實現對檢測操作的簡化，在本次研究中，主要應用漏磁無損檢測技術以及巴克豪森噪聲無損檢測技術，構建起相應的無損檢測勵磁裝置。在此基礎上，結合仿真軟件對相應無損檢測勵磁裝置展開有限元仿真驗證，確定相應裝置的設計具有實效性與科學性。

3.2 電梯鋼帶磁路設計

3.2.1 巴克豪森噪聲無損檢測磁路的設計

應用巴克豪森噪聲無損檢測技術主要實現對電梯鋼帶顯微組織變化、溫度應力與殘余應力的檢測[3]，在本次研究中，依托常用巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的結構，提出一種新的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置設計方案。在該新的勵磁裝置中，包含著激勵線圈兩個，并促使其所產生電磁信號的方向、相位保持在抑制水平，實現由兩個激勵線圈同時完成對電梯鋼帶的勵磁。同時，使用物理手段將這兩個激勵線圈落實連接處理。相比于常用巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置而言，本文提出的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置設計方案中不包含磁軛，所以裝置整體的體積更小。在實際的應用過程中，在電梯鋼帶上纏繞線圈，可以實現對整個電梯鋼帶內部鋼絲繩表面損傷情況的檢測；實踐中，交流磁場能夠完全貫穿整個鋼絲繩內部，這意味著，依托該巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置，能夠實現對電梯鋼帶疲勞與損傷情況的檢測。

在構建該巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的過程中，為了確保其與一般性鋼絲繩無損檢測的方向保持一致，主要設定軸向為鋼帶長度方向；設定周向為鋼帶寬度方向；設定法向為鋼帶厚度方向，同時，將鋼帶長度方向確定為檢測線圈傳感器的敏感方向，承擔起檢測巴克豪森噪聲信號（軸向）的任務。此時，若想要對法向巴克豪森噪聲信號實施檢測，則影響設定鋼帶厚度方向為檢測方向。

3.2.2 漏磁無損檢測磁路的設計

為了實現對漏磁無損檢測效果的強化，本研究依托常用漏磁無損檢測勵磁裝置，設計了一種新的勵磁磁路。實踐中，主要選用磁軛-磁極-磁軛的方式作為新漏磁無損檢測勵磁裝置的勵磁磁路，促使磁軛與鋼絲繩之間緊密接觸，并設定與檢測空腔的兩端，以此承擔起導磁的任務；在檢測空腔的正上方區域設定磁極，以此承擔起對鋼絲繩實施勵磁的任務。對于該新的漏磁無損檢測勵磁裝置而言， 其主要包含著四個磁軛以及兩個磁極，其中，裝置中所引入的磁軛均應用磁導率相對較高的材料，并參考現實需要對磁軛形狀實施調整；裝置中所引入的磁極方向保持在一致水平，且磁極兩級的面積大小始終穩定在相同水平，并不根據鋼絲繩形狀的變化而做出調整。依托這樣的磁極設計，促使充磁的簡單程度進一步加深，也使得現實充磁方向與理想充磁方向更為貼近。另外，可以參考現實需要對檢測空腔的大小展開優化調整，以此推動本漏磁無損檢測勵磁裝置的靈活程度及進一步提高。

3.3 電磁場有限元仿真

3.3.1 巴克豪森噪聲勵磁裝置仿真驗證

將相同的交流電流分別通入前文提出的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置以及常用的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置中，在相同的時間條件下，對電梯鋼帶內部鋼絲繩的勵磁強度分布情況進行提取。結果表明，在同一時刻下，新巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的勵磁強度穩定在200-500毫特斯拉的范圍內，相比于常用巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的勵磁強度而言，處于更高水平。對新裝置與常用裝置的勵磁強度分布均勻程度進行對比能夠了解到，新裝置在整個勵磁長度內，針對鋼絲繩的勵磁強度分布均勻水平更為理想，特別是處于中間的鋼絲繩勵磁的一致程度更好。同時，結合新裝置設計方案可以得出，該裝置不僅能夠完成對軸向巴克豪森噪聲信號的檢測，還可以實現對法向巴克豪森噪聲信號的檢測。綜合而言，相比于常用的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置來說，本文提出的新巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置在勵磁強度方面有著更優性能。

3.3.2 多磁軛勵磁裝置仿真驗證

對于前文提出的新漏磁無損檢測勵磁裝置而言，由于其中納入了多個磁軛以及磁極，所以可以視為多磁軛勵磁裝置[4]。在仿真軟件中搭建起新裝置的三維模型，以此為基礎進行仿真驗證，結果表明，仿真模擬過程中，能夠觀察到波形存在輕微抖動，但是相比于常用的漏磁無損檢測勵磁裝置而言，新裝置在應用過程中出現的波形抖動幅度更低。對比常用漏磁無損檢測勵磁裝置在電梯鋼帶出現缺陷時的法向漏磁信號產生情況來看，在靠近缺陷位置的條件下，兩種裝置的的法向上的缺陷漏磁場強度之間并不存在較為明顯的差異性，新裝置的漏磁信號峰值略微較大；而在遠離缺陷位置的條件下，兩種裝置的的法向上的缺陷漏磁場強度之間存在較為明顯的差異性，新裝置的強度遠遠高于常用裝置。

引入三維精調電梯鋼帶模型，對比新裝置與常用裝置應用條件下顯現出缺陷漏磁信號的分布情況，結果表明，當模型、缺陷均保持一致的情況下，兩裝置產生的缺陷漏磁信號分布形狀基本保持一致，只是在強度方面具有一定差別。綜合來說，多磁極勵磁裝置（新漏磁無損檢測勵磁裝置）仿真驗證得到的結果如下：新裝置的勵磁四個磁軛以及來兩個磁極，這四個磁軛承擔著導磁的任務，而兩個磁極則承擔著對鋼絲繩實施勵磁的任務；在對電梯鋼帶相同位置以及大小一致的缺陷展開檢測的過程中，新裝置所產生的漏磁信號強于常用裝置，且在法向與軸向均能夠檢測到漏磁信號的存在；新裝置的勵磁由兩個磁極承擔，且磁軛之間的距離穩定在5毫米，所以相比于常用裝置（四個磁極，磁極間距20毫米）而言，新裝置在重量與體積方面均處于較低水平。整體來看，本文設計的新漏磁無損檢測勵磁裝置有著更為理想的性能，在電梯鋼帶電磁無損檢測中能夠發揮出更好效果。

4 總結

綜上所述，相比于常用裝置來說，基于雙線圈的新巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置以及多磁軛勵磁裝置在進行電梯鋼帶電磁無損檢測的過程中能夠發揮更好的效果，相比于常用的勵磁裝置，新裝置有著更為理想的性能。