基于多线圈周向磁化的矿用钢丝绳断丝检测磁场仿真研究

任明月 孟国营 贾一凡

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083)



基于多线圈周向磁化的矿用钢丝绳断丝检测磁场仿真研究

任明月 孟国营 贾一凡

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083)

针对在矿用钢丝绳损伤检测采用的永磁励磁方式存在的永磁体退磁以及磁场不稳定等问题，提出了矿用钢丝绳损伤检测系统的整体设计方案，介绍了矿用钢丝绳在使用过程中可能出现的损伤形式，阐述了钢丝绳漏磁检测的基本原理，设计了基于多线圈周向磁化的矿用钢丝绳损伤检测励磁装置，并利用Ansoft Maxwell软件建模仿真分析了励磁装置的励磁效果。

矿用钢丝绳 励磁装置 损伤检测 有限元分析

矿用钢丝绳是矿井提升系统的关键部件，在长期使用过程中会产生各种类型的缺陷或损伤，其缺陷主要包括断丝、腐蚀、变形和磨损等，这些缺陷如果不能及时处理，进一步发展将导致事故的发生，因此开展矿用钢丝绳损伤检测的理论与技术研究势在必行。

漏磁检测法是目前公认的简单、实用、可靠的矿用钢丝绳检测方法，由于磁化是实现检测的第一步，因此设计一种适合煤矿生产实际需要的矿用钢丝绳损伤检测励磁装置至关重要，而设计励磁装置的前提是要对矿用钢丝绳断丝检测磁场仿真进行研究。本文将针对矿用钢丝绳常见的断丝故障，采用人为添加损伤来进行故障模拟的方法进行研究。

1 矿用钢丝绳典型故障类型分析

由于矿井提升系统长期处于高负荷的工作运转中，同时矿用钢丝绳还会受到载荷突然变化、井下潮湿、腐蚀等复杂环境的影响，矿用钢丝绳会出现以下几种缺陷或损伤：

(1)断丝。矿用钢丝绳断丝主要是由于过载、弯曲疲劳、接触疲劳、磨损、锈蚀、剪切、扭结等多种因素引起。当矿用钢丝绳在过载条件下时，实际应力超过了自身的许用应力而产生断丝。矿用钢丝绳在运行过程中会与滑轮或卷筒进行摩擦，容易产生磨损，再加上弯曲疲劳极易形成断丝。

(2)磨损。磨损也是矿用钢丝绳缺陷的一种常见形式，矿用钢丝绳的直径变小和磨损有着紧密的关系。绳径的变小分为磨损变小和正常变小两大类。矿用钢丝绳在使用的初期，直径变小的速度较快，这是由于矿用钢丝绳捻制结构拉伸引起，属于正常变小；在后期使用过程中，由于矿用钢丝绳磨损而使得直径变小称为磨损变小，从而导致矿用钢丝绳的应力强度变小。

(3)锈蚀。由于矿用钢丝绳使用环境恶劣，矿用钢丝绳表面会受到化学物质或电化学的作用而产生锈蚀和腐蚀的现象。由于矿用钢丝绳的结构复杂性，使得内部的锈蚀情况难以检测和评估，而在实际的应用过程中，矿用钢丝绳锈蚀对其力学性能的影响要远大于断丝和磨损的影响。

(4)变形。矿用钢丝绳失去正常形状而产生可见的畸形称为变形，矿用钢丝绳的变形会影响其内部的应力分布，影响矿用钢丝绳的使用寿命。在工作的过程中，对矿用钢丝绳施加过渡载荷会产生变形，其中碰撞引起的较严重的变形被称作“鸟笼”现象。

2 矿用钢丝绳漏磁检测的基本原理

漏磁检测法是一种通过检测矿用钢丝绳表面磁场变化从而发现缺陷的方法，漏磁检测原理示意图如图1所示。

由图1可以看出，励磁装置对矿用钢丝绳进行轴向局部励磁到饱和状态，当矿用钢丝绳没有缺陷时，磁力线被约束在矿用钢丝绳中，且磁通平行于矿用钢丝绳表面，绝大部分磁通将从矿用钢丝绳内部通过，而极少的磁力线会扩散到空气中，矿用钢丝绳内部的磁通量保持不变；当出现缺陷时，缺陷处的磁导率明显降低，此处的磁阻会增大，在磁导率不相等的两个介质上，磁力线必然发生改变，该变化与光的折射原理一样，磁力线传播就会发生角度偏转。由于矿用钢丝绳被励磁到饱和，缺陷处的磁力线就会从矿用钢丝绳表面穿出，有些磁通会直接通过缺陷处，部分磁通泄露到矿用钢丝绳表面上空，通过空气绕过缺陷重新进入矿用钢丝绳内部，形成了漏磁场。使用磁敏器件检测漏磁通，根据漏磁通的变化分析出缺陷的位置和几何参数，实现对缺陷的定位及定量检测。

图1 漏磁检测原理示意图

根据励磁源的不同，漏磁检测分为永磁漏磁检测、交流漏磁检测和直流漏磁检测。目前多数使用的漏磁检测装置大都采用永磁铁作为励磁源，但是永磁励磁方式会出现励磁灵活性较差、永磁体退磁以及磁场不稳定等问题，因此，本文采用基于励磁线圈的直流漏磁检测法，该方法是利用电源给定直流产生的外加磁场使铁磁性材料被磁化至饱和状态，当被检测元件存在损伤时，损伤处会产生漏磁场，通过测量漏磁场的变化来反应被测元件的损伤情况。

3 矿用钢丝绳损伤检测系统的组成

矿用钢丝绳损伤检测系统包括检测装置部分、数据采集部分以及上位机与系统软件部分，该矿用钢丝绳损伤检测系统结构示意图如图2所示。

(1)检测装置部分包括励磁装置、漏磁探测装置以及位移测量装置。励磁装置主要功能是根据矿用钢丝绳环境和运行特点，完成矿用钢丝绳的饱和磁化；漏磁探测装置主要功能是合理设置传感器的布置方式，完成采集特定空间位置的损伤信号；位移测量装置主要功能是找到合适的位移参考测量点，测定矿用钢丝绳相对传感器的移动速度和距离。

(2)数据采集部分主要功能为由数据采集卡采集漏磁探测装置和位移测量装置的实时数据。

(3)上位机与系统软件部分主要功能为对采样信号进行分析和处理，并存储数据和输出结果。

图2 矿用钢丝绳损伤检测系统结构示意图

4 基于有限元分析的励磁装置磁场仿真研究

磁化是实现矿用钢丝绳损伤检测的第一步，所以对矿用钢丝绳损伤检测励磁装置磁场仿真进行研究，用三维建模软件建立的矿用钢丝绳三维模型如图3所示。

图3 矿用钢丝绳三维模型

本文采用Ansoft Maxwell软件进行矿用钢丝绳检测磁场仿真，由于采用实际矿用钢丝绳模型进行磁场仿真具有结构复杂、计算量过大以及效率较低等问题，为了简化分析，提高有限元计算的速度和效率，本文用一根实心圆柱体代替矿用钢丝绳进行有限元仿真，从而确定合理的励磁装置结构参数。

通过对矿用钢丝绳周向布置多个线圈的磁场仿真分析，安匝数为2000时，2个励磁线圈没有把矿用钢丝绳磁化至饱和，磁化矿用钢丝绳的效果较差；3个以上励磁线圈能够把矿用钢丝绳磁化至饱和，磁化矿用钢丝绳的效果大致相同。但是考虑到励磁装置的结构布局，尽量选择线圈个数为偶数个，所以本文选择矿用钢丝绳周向布置4个励磁线圈。本文所设计的励磁装置结构示意图如图4所示，励磁装置内部结构示意图如图5所示。

图4 励磁装置结构示意图

图5 励磁装置内部结构示意图

4.1 矿用钢丝绳无缺陷时的磁场仿真

首先线圈磁化矿用钢丝绳达到饱和状态，只有被磁化饱和的矿用钢丝绳才会有充足的漏磁场能够被磁敏元件检测到。查阅资料可知，矿用钢丝绳的饱和磁感应强度为1.2 T。

通过仿真试验，安匝数为2000时，该模型的被测矿用钢丝绳刚好达到磁饱和状态。矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线如图6所示，矿用钢丝绳无缺陷磁通密度云图如图7所示。

图6 矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线

由图6和图7可以看出，矿用钢丝绳磁化均匀，且安匝数较小，现场应用较易实现。

图7 矿用钢丝绳无缺陷磁通密度云图

4.2 矿用钢丝绳有缺陷时的磁场仿真

固定矿用钢丝绳缺陷表面角为90°，安匝数为2000时，对不同缺陷深度(10 mm、12 mm、14 mm)的矿用钢丝绳进行磁场仿真研究。当缺陷深度为10 mm时，矿用钢丝绳磁通密度云图如图8所示，矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线如图9所示。

图8 矿用钢丝绳磁通密度云图

图9 矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线

当缺陷深度为12 mm时，矿用钢丝绳磁通密度云图如图10所示，矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线如图11所示。

图10 矿用钢丝绳磁通密度云图

图11 矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线

当缺陷深度为14 mm时，矿用钢丝绳磁通密度云图如图12所示，矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线如图13所示。

图12 矿用钢丝绳磁通密度云图

图13 矿用钢丝绳轴线方向磁通密度曲线

不同缺陷深度的矿用钢丝绳轴向漏磁信号如图14所示。

图14 不同缺陷深度的矿用钢丝绳轴向漏磁信号

通过以上添加矿用钢丝绳不同缺陷时磁场仿真可以看出，矿用钢丝绳缺陷处漏磁明显，可以被磁敏元件检测得到漏磁信号，且缺陷深度越大，检测到的磁感应强度越强。因此，该方法适用于矿用钢丝绳损伤检测。

5 结语

本文提出基于漏磁检测法的矿用钢丝绳损伤检测系统整体设计方案，同时为了解决永磁体作为励磁源存在的问题设计了基于周向励磁线圈的矿用钢丝绳损伤检测励磁装置，并利用Ansoft Maxwell软件建模仿真，采用人为添加故障的方法分析该结构在无缺陷和有缺陷下的励磁效果，结果显示该方法可以有效实现励磁。通过设计实验，加工了断丝个数不同的矿用钢丝绳作为测试试件，检测结果与仿真结果趋势基本吻合，证实该方法的有效性，具有较好的应用前景。

参考资料：

[1] 杨公训，戴鸿仪，闫凤兰等.提升机矿用钢丝绳张力在线检测系统[J]. 中国煤炭，1995(6)

[2] 王红尧.煤矿提升矿用钢丝绳在线检测关键技术研究[D].中国矿业大学，2009

[3] 陈炳耀，张东升.霍尔传感器在提升矿用钢丝绳检测探伤中的应用[J].中国煤炭，2005(12)

[4] 杨理践.管道漏磁在线检测技术[J].沈阳工业大学学报，2005(5)

[5] 温丽娟，李丽，于鹏.无损检测技术在煤矿提升机牵引矿用钢丝绳检测中的应用[J].煤炭技术，2013(9)

(责任编辑 路 强)

Magnetic field simulation research on broken wire detection of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils

Ren Mingyue， Meng Guoying， Jia Yifan

(School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

At present, the permanent magnet excitation mode was used in the damage detection of the wire rope, and the permanent magnet demagnetization and the instability of the magnetic field were the main problems. In order to solve these problems, the overall design scheme of wire rope damage detection system was proposed, the possible damage forms of mine wire rope during application were introduced, the fundamental of magnetic flux leakage testing was elaborated, damage detecting excitation device of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils was designed, and excitation effects of excitation device were analyzed by using Ansoft Maxwell software modeling and simulation.

mine wire rope, excitation device, damage detecting, finite element analysis

国家重点研发计划“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”(2016YFC0600900)，国家自然科学基金资助项目(U1361127)

任明月，孟国营，贾一凡.基于多线圈周向磁化的矿用钢丝绳断丝检测磁场仿真研究[J].中国煤炭，2017，43(7)：103-107. Ren Mingyue, Meng Guoying, Jia Yifan.Magnetic field simulation research on broken wire detection of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils[J].China Coal，2017，43(7)：103-107.

TD526

A

任明月(1992-)，女，山东济宁人，在读硕士研究生，主要研究方向为测试计量技术及仪器。