特種鋼索斷絲漏磁檢測模擬仿真與實驗研究*

邱增城 王悅民 許鑒鑒 陳 昂

（海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

1 引言

鋼絲繩在是一種鐵磁性材料的承載構件，廣泛應用于軍事、建筑、煤礦、電梯、索橋、石油、冶金等諸多領域的工程實踐中。在軍事應用上，某型特種鋼索與普通鋼絲繩的材料、結構和工作狀況均不相同，具有很強的韌性和抗疲勞性能，工作時承受巨大的沖擊，保證在有限距離內對飛機進行攔停[1]。在過去的幾年里，國外發生了多起特種鋼索安全事故，其中大部分事故是由鋼索發生斷裂導致的。例如，在2003年，美國“華盛頓”號從波斯灣返航途中，一架飛機在降落時因鋼索斷裂，飛機沖入海中，飛行員緊急彈射跳傘逃生，但由于巨大的拉斷彈應力作用，斷裂為兩段的鋼索在來回掃動，導致甲板上十余名人員受傷。

斷絲是特種鋼索損傷一種常見形式，容易發生在飛機尾鉤撞擊鋼索處和兩端與接頭連接位置，主要類型是過載斷絲、磨損斷絲和疲勞斷絲，并且在惡劣的工作環境下一旦出現就會迅速惡化，甚至發生鋼索瞬間斷裂的事故，因此鋼索斷絲定位和定量檢測的準確性尤其重要。目前用于鋼絲繩的檢測有漏磁檢測[2～3]、渦流檢測[4]、聲發射技術[5]、超聲導波檢測[6]和射線檢測[7]等多種方法，但最方便和可靠的是漏磁檢測。相較于其他檢測方法，漏磁檢測的優點在于檢測速度快，精度高，不受表面污垢的影響，易于實現自動化。

本文對不同深度和斷口寬度的斷絲缺陷的漏磁場進行了有限元仿真分析，研究了特種鋼索斷絲漏磁信號的分布規律；搭建實驗平臺，在完整的特種鋼索上加工模擬斷絲缺陷，采用永磁鐵軸向勵磁，使用電感線圈傳感器采集不同斷絲根數和不同斷口寬度的漏磁信號，通過控制變量法針對斷絲的幾何尺寸對鋼索漏磁檢測信號的影響進行了試驗驗證。

2 漏磁檢測原理

特種鋼索材料具有高磁導率，檢測時鋼索被外部磁場磁化至接近飽和，當表面無損傷時磁力線全部從材料內部通過，而當出現斷絲、腐蝕、磨損等損傷時，缺陷部位的磁阻將增大，磁通減小，一部分磁力線就會從內部折射進入空氣介質中，導致鋼索內部磁力線密度變稀疏，在出現缺陷部位就會形成漏磁場，可以用磁敏元件對缺陷處漏磁場進行檢測，采集有效電壓信號供檢測人員進行分析[8]。鋼索缺陷漏磁檢測的原理結構如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理圖

目前，漏磁場的理論計算方法主要包括解析法和數值法。解析法采用的是磁偶極子模型。磁偶極子由兩個等值異號的點磁荷構成，而兩個點磁荷作用產生的磁場就類似于缺陷的漏磁場[9]。但解析法僅適用于特殊情況的缺陷求解，因此常采用數值法中的有限元法進行近似求解。數值有限元法分析問題主要是在相應的邊界條件下利用麥克斯韋方程組的求解問題[10～11]，其微分形式為

式中，H為磁場強度矢量；B為磁通密度矢量；J為等效電流密度；μ為材料的磁導率；?為哈密算子。

3 鋼索漏磁場有限元仿真

3.1 模型建立

鋼索漏磁檢測的磁化方式有直流磁化、交流磁化、復合磁化、永磁磁化和周向積分磁化。相比其他磁化方式，永磁磁化具有磁能積高、體積小、無需電源、檢測方便的優點，且在滿足飽和磁化鋼索的條件下，可以根據檢測設備的結構需要靈活調整永磁鐵的體積，因此使用永磁鐵磁化是目前最常用的勵磁方式[12]。本文檢測模型采用的是永磁磁化，兩端放置軸向磁化的永磁鐵，中間使用銜鐵連接，構成由永磁鐵、銜鐵、空氣隙、鋼索組成的閉合磁回路。鋼索直徑設為40mm，長200mm，永磁鐵的磁化強度設為0.5T（特斯拉），提離高度設為3mm。

為研究斷絲的斷口寬度和深度對漏磁場垂直分量的影響，在鋼索模型距離左端面x=60mm處起設置缺陷，研究斷絲深度影響的模型依次設置軸向寬度為3mm、深度H=0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0mm的10個缺陷，如圖2（a）所示；研究斷口寬度影響的模型依次設置深度為3 mm、軸向寬 度 W=0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0mm的10個缺陷，如圖2（b）所示。

圖2 鋼索斷絲缺陷仿真模型

3.2 材料屬性與網格劃分

永磁鐵材料選擇釹鐵硼（NdFeB），具有較高的磁能積和矯頑力，設置磁化方向為軸向磁化，與銜鐵軸向相接，有利于減小磁化裝置結構的直徑尺寸。銜鐵的外徑永磁鐵相同，材料為坡莫合金，相對磁導率設為7000。

網格劃分是有限元分析中重要的一步，網格數目的多少會影響計算結果的精度和數據規模的大小。考慮仿真斷絲模型最小深度及寬度為0.4mm，因此設置網格最小單元為0.1mm，最大單元為16mm。

3.3 漏磁場動態仿真

設定鋼索沿在z軸正方向軸向運動，以步進0.1mm從（0，0，60）運動到（0，0，140），計算與軸線平行距離缺陷中心1mm處磁通密度模數值，并對漏磁信號圖進行平滑處理得到結果如圖3（a）和圖4（a）所示。提取仿真漏磁信號波峰和波谷的數值，作差計算分別得到兩個模型各個缺陷的峰峰值，并作擬合曲線得到結果如圖3（b）和圖4（b）所示。

圖3 漏磁信號與斷口寬度的關系

圖4 漏磁信號與斷絲深度的關系

由圖3可知，缺陷深度不變，隨著斷口寬度的增大，漏磁場強度減弱，漏磁信號的軸向分量峰峰值逐漸減小，且變化率也在減小。當缺陷寬度大于深度3mm時，波峰與波谷的差值受寬度影響不大，其值變化較為平緩。波谷的磁通密度模隨斷絲寬度增加先迅速減小，到寬度比深度大時基本穩定在較小的變化范圍。

由圖6可知，斷絲寬度不變，隨著其深度的增大，漏磁場強度增強，漏磁信號的軸向分量峰峰值逐漸增大，并趨于線性變化，且同個缺陷的波峰與波谷的差值也逐漸增大。

4 實驗研究

為驗證仿真結果，搭建漏磁檢測實驗平臺，采用控制變量法，在一根完整的特種鋼索上人工制作不同斷口寬度和斷絲數量的缺陷，并使用線圈傳感器檢測漏磁信號進行對比驗證。

4.1 實驗裝置

取一段長度約5m的特種鋼索，采用控制變量法，每隔30mm制作一處缺陷，其中前三處依次分別是單根斷絲、兩根斷絲和三根斷絲，斷口寬度為1mm；第4～6處依次分別是單根斷絲、兩根斷絲和三根斷絲，斷口寬度為2mm；第7～9處依次分別是單根斷絲、兩根斷絲和三根斷絲，斷口寬度為3mm。實際加工三種寬2mm的斷絲缺陷如圖5所示。利用永磁鐵將鋼索磁化至接近飽和，磁化方向為軸向磁化，使用電感線圈傳感器采集漏磁信號，檢測傳感器的提離高度為1mm，經過A/D信號轉換處理，由計算機分析并存儲數據，在上位機顯示檢測結果。

圖5 三處寬2mm斷絲加工圖

4.2 結果分析

由于實驗結果受檢測靈敏度和鋼索抖動導致提離高度輕微變化的影響較大，容易產生誤差，需要控制相同的檢測速率進行大量重復實驗，比較篩選得出具有可重復性的實驗結果進行分析。因此，經過200次對鋼索進行漏磁檢測試驗，得到具有可重復性的結果如圖6所示。

圖6 鋼索缺陷漏磁檢測信號圖

從實驗結果中可以看出，單根斷絲的檢測電壓最大值分別是3362mV、3233mV、3048mV，兩根斷絲的檢測電壓最大值分別是3565mV、3445mV、3347mV，三根斷絲的檢測電壓最大值分別是3673mV、3557mV、3420mV。具體斷絲缺陷的漏磁檢測數據見表1。

表1 斷絲缺陷漏磁檢測電壓數據

由表1可以看出，當斷口寬度相同時，隨著斷絲深度的增加，檢測電壓最大值和峰峰值逐漸增大且成一定正比關系；當斷絲根數相同時，隨著斷口寬度的增大，檢測電壓最大值和峰峰值逐漸減小，但變化比較平緩，與仿真結果相吻合。

5 結語

仿真與實驗結果表明，使用軸向磁場強度為0.5T、提離高度為3mm的永磁鐵可以有效磁化特種鋼索至接近飽和，使其產生明顯變化的漏磁場；特種鋼索雖然由特殊材料制成，且結構特殊，但在表面缺陷漏磁場分布上與普通鋼絲繩有著相似的變化規律；當鋼索發生斷絲后，漏磁檢測電壓信號幅值隨斷絲深度的增加而增大，在一定范圍內隨斷口寬度的增大而減小，當寬度大于深度時，漏磁通波峰與波谷的差值變化極其微弱，檢測信號幅值變化趨于平緩。通過仿真與實驗研究，得到漏磁通變化的精確解，對特種鋼索的漏磁定量檢測的設備研發與提高測量精度具有重要的意義。