鋼絲繩開環永磁磁化漏磁檢測傳感器探靴槽的仿真優化

賈博涵，張來明，姜宵園，孫燕華

(1.謝菲爾德大學 機械系，謝菲爾德 S1 3JD；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；3.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

鋼絲繩是應用非常廣泛的鐵磁性構件，在輸電線路施工、船舶航行、礦山建設運營中均有不可替代的作用。鋼絲繩編織性質特殊，在使用過程中容易產生斷絲、斷股和其他內外傷，給設備運行帶來安全隱患[1]。因此，如何高效地對鋼絲繩進行無損檢測，是亟待解決的問題。在鋼絲繩無損檢測的發展史上有許多方法相繼被提出[2]，事實證明漏磁無損檢測是鋼絲繩迄今為止唯一有效的探傷方法，并廣泛應用于各類鋼絲繩的無損檢測中。大量學者對鋼絲繩漏磁檢測原理與技術進行深入研究[3-9], 大多采用傳統磁軛式永磁磁化回路磁化待檢測鋼絲繩，質量慣性及磁吸力大。為了減小鋼絲繩檢測儀器質量，減小磁作用力并充分均勻磁化鋼絲繩，孫燕華等[10]提出了對開式開環永磁磁化法，在進行精準、快速地鋼絲繩無損檢測基礎上，解決了傳統漏磁檢測儀器安裝困難的問題。

通常，開環式永磁磁化漏磁檢測傳感器的組成結構為磁化器及附著在磁化器上的探靴。探靴內腔(或內徑)越大，即探靴與被檢測鋼絲繩的距離越大，越能避免鋼絲繩在高速運行時的擺動及接觸等行為給探靴內腔帶來的破壞。同時由于鋼絲繩檢測的特殊性，當被檢測鋼絲繩直徑確定時，磁化器內徑也隨之確定，所以無法通過調整磁化器內徑來避免破壞。因為磁化器存在一定的厚度，所以為了盡量避免鋼絲繩和探靴之間的距離過小，在磁化器內加工形成探靴槽，使得探靴一部分嵌入其中。這樣便可以調整探靴與鋼絲繩之間的距離，從而避免鋼絲繩對于探靴的損壞。由于探靴槽的大小影響到磁化場的空間路徑，最終會對磁化效果及缺陷的漏磁場大小產生影響，所以，筆者開展了開環式永磁磁化鋼絲繩漏磁檢測傳感器探靴槽的仿真優化，以期為鋼絲繩缺陷的漏磁檢測提供一些參考。

1 開環永磁磁化漏磁檢測原理及磁化器結構

進行開環永磁磁化的鋼絲繩漏磁檢測時，開環永磁體在兩端產生磁場，銜鐵處在兩端永磁鐵之間，被永磁鐵磁化并產生磁場；在鋼絲繩移動的過程中，探靴檢測鋼絲繩經過磁場時所產生的磁力線，并轉化為電信號發送給處理中心；若探靴捕捉到異常磁力線并產生異常電信號，則代表鋼絲繩有損傷。

帶探靴槽的鋼絲繩開環永磁磁化漏磁檢測原理如圖1所示。圖1中，利用兩個長方形來代表兩根鋼絲繩的二維投影，一根無缺陷，一根有缺陷。測試時，永磁體會將待測鋼絲繩磁化。當鋼絲繩無損傷且質地均勻時，磁力線全部在鋼絲繩、永磁體和銜鐵構成的磁回路中通過。當鋼絲繩有缺陷且鋼絲繩近乎飽和磁化時，雖然磁力線大部分仍然在磁回路中通過，但是了少量的磁力線發生了變形，在周圍空氣中形成漏磁場。當探靴通過無缺陷鋼絲繩時，由于沒有磁通的變化，輸出電壓不變。當輸出電壓通過有缺陷的鋼絲繩時，電壓會發生變化，可以通過分析電壓的變化與漏磁信號來正確地評估缺陷。

圖1 帶探靴槽的鋼絲繩開環永磁磁化漏磁檢測原理示意

筆者在原有開環永磁磁化器中的銜鐵內腔設計增加刻槽，即探靴槽，帶探靴槽的開環漏磁檢測磁化器結構如圖2所示，其主要由永磁鐵、銜鐵、探靴槽等部分組成，在檢測時將探靴安置在刻槽內以獲得鋼絲繩探傷信號。該設計增大了探頭內腔，解決了探靴與鋼絲繩距離過小的問題，避免其與鋼絲繩過度摩擦發生損壞。

圖2 帶探靴槽的開環漏磁檢測磁化器結構示意

2 探靴槽仿真模型建立

因為在銜鐵中增加刻槽對于實際結果的影響未知，所以需要對新型探傷設備進行有效性檢驗。以刻槽的深度或寬度為變量，以缺陷特征曲線為結果，通過ANSYS軟件建立有限元仿真模型，分析刻槽尺寸對于鋼絲繩漏磁檢測的影響。

在仿真過程中，利用鋼絲繩模型表面或內部的缺陷來模擬實際狀態下鋼絲繩的損傷。

2.1 模型基本結構與參數

鋼絲繩開環永磁磁化器探靴槽有限元模型參數如表1所示，在ANSYS軟件中建立其優化仿真模型(見圖3)，鋼絲繩開環永磁磁化漏磁檢測傳感器是由一對C型磁化器(由磁鐵-銜鐵-磁鐵配置組成)對開形成，磁鐵沿軸向磁化，中間銜鐵內表面處挖去一塊形成探靴槽，在仿真過程中分別令其寬度L或深度H變化，磁化器結構如圖4所示，根據實際情況，設定探靴中磁敏元件到鋼絲繩外表面的距離為6.5 mm，即提取高度為6.5 mm路徑上的磁通密度，研究缺陷漏磁場大小隨探靴槽寬度或深度改變的變化規律。

表1 鋼絲繩開環永磁磁化器探靴槽有限元模型參數

圖3 帶探靴槽的開環漏磁檢測磁化器仿真模型

圖4 帶探靴槽的開環漏磁檢測磁化器結構示意

在令寬度L為變量時，需選擇一個初始深度。由于銜鐵的作用是引導磁力線，若深度太大，則銜鐵會被貫穿，且可能會影響銜鐵內部磁通大小，從而影響檢測結果的有效性。因此初始刻槽深度不應過大，暫定為5 mm。

2.2 仿真結果及分析

2.2.1 以探靴槽寬度為變量時的仿真結果

探靴槽寬度在0～30 mm間變化時，分別提取高度為6.5 mm路徑上的磁通密度軸向分量與徑向分量，不同探靴槽寬度下的缺陷信號特征變化曲線如圖5所示，并計算不同探靴槽寬度下缺陷信號幅值，其結果如表2所示。

圖5 不同探靴槽寬度下的缺陷信號特征變化曲線

表2 變量為探靴槽寬度時缺陷特征信號幅值

提離高度為6.5 mm時，缺陷特征信號隨不同刻槽寬度的變化規律如圖6所示。探靴槽寬度L在0～30 mm之間變化時，缺陷信號軸向特征幅值隨刻槽深度的增大先明顯增加后緩慢減小，L為18 mm時缺陷信號軸向特征幅值最大。而缺陷信號徑向特征幅值隨刻槽深度的增大先增加后明顯減小，L為10 mm時缺陷信號徑向特征幅值最大。綜合考慮，可以在10～18 mm間選擇合適的值為探靴槽寬度尺寸。

圖6 提離距離6.5 mm處缺陷特征信號隨不同探靴槽寬度的變化規律

2.2.2 以探靴槽深度為變量時的仿真結果根據2.2.1節中探靴槽寬度變化時的仿真結果，考慮實際中探靴安裝，選擇探靴槽寬度為18 mm，研究不同探靴槽深度下缺陷特征信號變化規律，其缺陷特征變化曲線如圖7所示，同樣地，計算不同探靴槽深度下的缺陷特征信號幅值，研究缺陷特征信號幅值隨探靴槽深度的變化趨勢。

圖7 不同探靴槽深度下的缺陷信號特征變化曲線

表3 變量為探靴槽深度時缺陷特征信號幅值

缺陷特征信號隨不同刻槽深度的變化規律如圖8所示，可見，刻槽深度為12.5 mm時，缺陷特征曲線的幅值及最值明顯降低，認為此數據為無效數據，因此分析應在探靴槽深度為0～10 mm時進行，當探靴槽，深度在2.5～10 mm之間時，缺陷信號軸向與徑向特征幅值變化幅度不大，缺陷軸向特征信號和徑向特征信號都隨探靴槽深度的增大先增加后減小，當探靴槽深度為7.5 mm時缺陷軸向特征信號幅值達到最大，而缺陷徑向特征信號幅值在探靴深度為5 mm時最大。

圖8 6.5 mm提離處缺陷特征信號隨不同探靴槽深度的變化規律

綜合以上仿真結果，選擇探靴槽寬度為18 mm，深度為7.5 mm，以提高鋼絲繩開環式磁化器檢測精準度。

3 試驗驗證

根據圖2中帶探靴槽的開環漏磁檢測磁化器結構模型及探靴槽仿真優化尺寸，加工制作出鋼絲繩開環永磁磁化漏磁檢測探頭(探靴槽寬度為18 mm,深度為7.5 mm)。被測鋼絲繩經漏磁探頭磁化激發出磁場，檢測掃查時由探靴中磁敏元件捕獲出鋼絲繩損傷信號，經電路傳輸到計算機上實現波形顯示。

測試用鋼絲繩的三種損傷類型如圖9所示，分別為多根斷絲外傷、單根斷絲外傷、單根斷絲內傷。多根斷絲外傷尺寸大易檢測，檢測信號幅值大；相比之下，單根斷絲外傷信號幅值較小；單根斷絲內傷檢測信號容易湮沒在繩股信號等噪聲信號中，檢測信噪比低甚至檢測不出。三種類型鋼絲繩損傷的開環永磁磁化漏磁檢測效果如圖10所示。

圖9 測試用鋼絲繩的三種損傷類型

圖10 三種類型鋼絲繩損傷的開環永磁磁化漏磁檢測效果

經帶探靴槽的開環永磁磁化漏磁檢測傳感器掃查，三種類型的鋼絲繩缺陷均被檢出，測試結果表明該探頭具有優異的測試性能。

4 結論

針對鋼絲繩傳統檢測設備探靴內腔小、磨損大等問題，提出帶有探靴槽的開環永磁磁化漏磁檢測傳感器，進行了檢測傳感器探靴槽的仿真優化，仿真結果表明缺陷特征信號幅值隨著探靴槽寬度/深度的改變呈現先增加后減小的趨勢，當探靴槽深度為7.5 mm，寬度為18 mm時，輸出結果較為理想，可適應鋼絲繩復雜的檢測工況，提高檢測結果的準確性。