钢丝绳弱磁探伤数值模拟及实验研究

史 荣 王 雷 王劲东 郭 鹏

1.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室，秦皇岛，066004 2.中国科学院国家空间科学中心，北京，100190

0 引言

钢丝绳是工业生产中广泛应用的一种挠性承拉件，一旦失效则会发生重大安全事故。防止在役钢丝绳失效的有效方法是对其进行定期检测或在线监测。目前钢丝绳探伤的主要手段是磁检测技术，即在对钢丝绳进行磁加载情况下，检测其漏磁场分布，依据漏磁通的变化规律，判断钢丝绳是否存在缺陷、缺陷类型、是否达到报废准则等［1－2］。

然而，由于钢丝绳是由多股钢丝捻制而成，其漏磁场分布十分复杂，既包括股间漏磁场，也包括由缺陷引起的漏磁场。为了研究捻股钢丝绳漏磁场分布规律，本文用ANSYS软件对钢丝绳表面漏磁场进行了有限元仿真，研究了在弱磁激磁条件下，无缺陷及有缺陷钢丝绳表面的磁感应强度，以及钢丝绳周围空气中的漏磁场分布状态，分析了漏磁场信号的强度，为钢丝绳弱磁探伤装置的研制提供了理论依据。

在数值模拟的基础上，采用火星探测器安装的高精度MR01型磁阻式传感器，搭建了基于弱磁的钢丝绳缺陷检测平台，得到了断丝缺陷状态下的漏磁场实测波形，验证了理论分析的正确性。

1 钢丝绳的磁化

钢丝绳的磁化方式分为线圈磁化与永磁体磁化，随着永磁材料的发展，采用永磁铁对钢丝绳进行磁化已经成为主要手段。

图1为典型的钢丝绳磁化特性曲线和磁导率随磁场强度变化曲线，图中Hμm为磁导率μ取最大值时的磁场强度［3］。

在钢丝绳无损检测中，以磁化强度Hμm为分界点，将无损检测分成两类：Hμm以左是弱磁检测的范围，Hμm以右是强磁检测的范围。目前工程实践中应用的主要是强磁检测技术，其主流机型为磁化与检测系统分开的分离式检测系统。强磁检测技术存在的主要问题是，传感器灵敏度较低，检测速度受到一定限制。而弱磁检测技术磁化强度低，物体受磁场束缚力小，传感器灵敏度高，允许传感器与钢丝绳表面有较大间隙，可提高检测速度，且磁化方法简单，易实现检测仪器的轻型化，因此，弱磁检测是钢丝绳探伤的一项新技术［4］。

图1 钢丝绳的磁化特性曲线

2 钢丝绳漏磁场有限元分析

对钢丝绳进行磁化后，其漏磁场弥漫于整个空间，因此采用有限元法对钢丝绳的漏磁进行仿真是空间磁场分析的理想方法。

有限元商业软件ANSYS提供了多种用于模拟电磁现象的单元、材料磁特性及后处理功能，为用户进行各种状态下的磁场分析提供了强有力的工具［5］。

2.1 算例

本文所采用的算例如图2所示，钢丝绳直径为36mm、钢丝直径为3mm、钢丝绳有效截面积为567.254mm3，型号为6×19S＋FC。

图2 钢丝绳截面

2.2 基本假设及磁加载

对钢丝绳漏磁场进行有限元分析，基本假设条件如下：①假设钢丝绳中无剩磁且应力不影响钢丝绳内磁场的分布；②假设钢丝绳各方向上的磁导率相同；③钢丝绕绳芯成螺旋状，钢丝绳芯部和钢股周围由空气充填。

钢丝绳的磁加载采用径向磁化方法。极靴为φ40mm的半圆环型软铁，永久磁铁为方形钕铁硼磁铁，磁铁的剩余磁化强度为1.19T，相对磁导率为1.8H／m［6］。

软铁和钢丝绳的磁化特性曲线如图3所示。

图3 软铁和钢丝绳的B－H曲线

2.3 有限元模型的建立

对磁路而言，非铁磁材料所占的空间不能作为磁绝缘体，因此磁场有限元分析属于无限域分析。为了使仿真更接近于实际，整个模型使用了SOLID97和INFIN111两种单元，网格划分如图4所示。

图4 模型的网格划分

本模型采用远场单元来模拟无限空间，可以不施加磁通边界条件，但使用远场单元后，必须在模型外表面施加远场标志，否则，程序不能识别哪里是无限空间。

3 计算结果分析

3.1 漏磁场分布

3.1.1 无缺陷钢丝绳表面漏磁场分布

在图4所示的磁路中，大部分磁通通过磁铁、软铁、钢丝绳及磁靴组成的主磁路闭合，小部分磁通通过钢丝绳表面泄漏到空气中，因此空气中存在漏磁场。图5所示为钢丝绳表面的磁感应强度分布状态，在无缺陷情况下，靠近磁铁处，磁场最强，中间位置磁场较弱，且轴向分布均匀（图5a）。

3.1.2 有缺陷钢丝绳表面磁场分布

图5b为有缺陷状态下钢丝绳的磁感应强度云图。设钢丝绳的缺陷尺寸为2mm×5mm×2mm，等效于一根断丝状态。由图可见，在缺陷处磁感应强度急剧减小，说明缺陷处的部分磁力线已经泄漏到空气中。

图5 钢丝绳磁感应强度云图

3.2 钢丝绳周围空气中漏磁场3D仿真

为了研究钢丝绳周围空气中的漏磁场分布，取距离钢丝绳表面5mm处圆柱面上空气中的漏磁场进行分析。

图6为空气中的漏磁场分布图。图中，角度轴α为钢丝绳的圆周方向按180°展开，距离轴L为钢丝绳长度方向，坐标原点位于0处，截取的绝对长度为20mm，纵轴为漏磁感应强度B。

图6 钢丝绳周围空气中的漏磁场

图6a为钢丝绳无缺陷时空气中的漏磁场分布图。由图可见，钢丝绳表面空气中的漏磁场分布与其形状相对应，漏磁感应强度的幅值沿钢丝绳圆周方向呈周期性变化，周期为绳股的节距。其中在钢丝处漏磁幅值较大，股间的漏磁幅值较小，而沿着钢丝绳长度方向，漏磁感应强度幅值基本一致，漏磁场分布比较均匀。

图6b为钢丝绳局部存在断丝缺陷时空气中的漏磁场分布图，由图可见，在缺陷影响下，漏磁感应强度的周期分布规律及均匀分布规律被破坏，缺陷处的磁感应强度明显增加。在本算例中，模拟缺陷为一根断丝，断口长度为2mm，其磁感应强度最大幅值达到11.6×10－5T，是无缺陷漏磁场磁感应强度幅值的1.5倍。而且，缺陷几何尺寸越大，漏磁感应强度就越大。

由上述分析结果可见，在弱磁激励情况下，距离钢丝绳表面5mm处空气中的漏磁场感应强度变化明显，可为磁传感器提供一个与缺陷相关的漏磁信号。

4 实验验证

为了研究钢丝绳弱磁探伤的实用性与可操作性，并对理论分析结果进行验证，在燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室搭建了弱磁探伤实验平台，进行了以研究不同激磁强度，不同磁路长度、不同传感器提离量及不同钢丝绳缺陷等状态下的钢丝绳探伤实验。

6×19S＋FC钢丝绳为本文算例的物理模型，采用人为模拟断丝，检测元件为MR01型磁阻式传感器［7］，实验条件及参数设计见文献［8］。

图7a、图7b分别为2根断丝和1根断丝时传感器的输出波形，由图可见，在缺陷处漏磁场产生明显突变，其幅值变化率比模拟计算结果更明显。而且实测波形的时间历程及幅值变化与断丝状态相对应，断丝数越多，幅值越高；断口越短，波形越集中，因此由实验波形可对钢丝绳断丝状态提供定量分析。

图7 钢丝绳缺陷处漏磁场实测波形

由图7可见，缺陷处的实测波形与仿真分析结果一致，证明了仿真分析方法的正确性。

5 结论

①建立了绞线钢丝绳有限元模型，实现了对钢丝绳周围空气中漏磁场分布的3D仿真，计算结果表明，在无缺陷情况下空气中的漏磁场分布与钢丝绳的拧股形状相对应。②当钢丝绳存在缺陷时，其周围空气中的漏磁场幅值变化明显，可为传感器的选择与磁路设计提供依据。③实验结果表明，在弱磁加载情况下，钢丝绳缺陷的实测波形与数值模拟结果一致，证明了有限元分析方法的正确性及弱磁探伤的可行性。

［1］彭树彦.提升绞车钢丝绳损伤定量检测技术的探索［J］.煤炭技术，2008，27（3）：159－160.Peng Shuyan.Lifting Hoist Steel Wire Damage Quota Examination Technol Ogy Exploration［J］.Coal Teachnology，2008，27（3）：159－160.

［2］赵成.钢丝绳缺陷分析和诊断［C］／／中国石油学会第六届青年学术年会.大庆，2009：1－15.

［3］兵器工业无损检测人员技术资格鉴定考核委员会.常用钢材磁特征曲线速查手册［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［4］陶德馨，艾丽斯佳.基于弱磁探伤的钢丝绳无损检测技术［J］.中国工程机械学报，2009（1）：96－99.Tao Dexin，Ai Lisijia.Nondestructive Testing Technology for Wire Ropes Based on Weak Magnetic Flaw Detection［J］.Chinses Journal of Construction Machinery，2009（1）：96－99.

［5］ANSYS，Inc.Low－frequency Electromagnetic A－nalysis Guide［M］.Canonsburg：ANSYS，Inc.，2010.

［6］严密，彭晓领.磁学基础与磁学材［M］.杭州：浙江大学出版社，2006.

［7］王劲东，赵华，周斌.火星空间环境磁场探测研究——“萤火1号”磁强计的研制与应用［J］，物理，2009（11）：785－792.Wang Jingdong，Zhao Hua，Zhou Bin.Martian Space Environment Magnetic Field Research：Development and Application of the YH－1Precision Magnetometer［J］.Physical，2009（11）：785－792.

［8］郭鹏.基于弱磁探伤的钢丝绳无损检测技术试验研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2011.