矿用钢丝绳损伤检测磁通回路优化设计

2022-03-28田劼田壮郭红飞刘凝哲马建武

工矿自动化 2022年3期

田劼，田壮，郭红飞，刘凝哲，马建武

（1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院,北京 100083；2.中国矿业大学（北京）煤矿智能化与机器人创新应用应急管理部重点实验室,北京 100083）

0 引言

钢丝绳因其性能优良，常作为关键承载构件应用于煤矿提升设备中。钢丝绳长期连续使用会出现断丝、磨损、断股等损伤[1-2]，存在安全隐患，需要进行损伤检测，以免发生安全事故。实际生产中常采用人工、漏磁通、机器视觉等方法进行钢丝绳损伤检测。其中，漏磁通检测法应用最广泛，其利用传感器采集损伤处漏磁通信号，结合钢丝绳损伤相关影响因素分析来判断损伤程度，进而对钢丝绳的健康状况进行评估。

随着电磁检测技术的发展，研究人员对钢丝绳损伤漏磁通检测法进行了大量研究。E.Kalwa 等[3]采用霍尔元件对钢丝绳损伤检测磁通回路的主磁通和漏磁通进行了大量实验，得出了不同损伤程度对应的磁通分布规律。张操等[4]针对基于漏磁通检测原理的钢丝绳探伤仪，分析了钢丝绳提离距离、传感器材料、断丝根数等对检测结果的影响。康宜华等[5]通过有限元分析法研究了不同钢丝绳磁化方法的效果差异，探讨了钢丝绳内部磁场和损伤漏磁通信号随励磁装置参数变化的规律。上述研究对于提高钢丝绳损伤检测精度和可靠性有一定效果，但未考虑磁通回路中磁噪声信号与钢丝绳损伤漏磁通信号的相互作用对钢丝绳损伤检测的影响。

本文通过理论和仿真分析研究钢丝绳损伤检测磁通回路中磁场分布特性，对磁通回路进行优化设计，以改善损伤漏磁场质量，提高检测装置性能。

1 钢丝绳损伤漏磁通检测原理

钢丝绳损伤漏磁通检测基于钢丝绳的铁磁性特质[6]，利用励磁源将钢丝绳均衡磁化至饱和，采用径向多回路磁敏元件捕捉钢丝绳损伤漏磁通，根据钢丝绳损伤漏磁通与损伤程度呈线性关系的原理，判断钢丝绳损伤程度。

钢丝绳损伤漏磁通检测基本模型如图1 所示。从永磁体N 极发出的磁力线在永磁体与钢丝绳间气隙、钢丝绳、永磁体、衔铁间传播，构成闭合路径（磁通回路）。正常情况下，在钢丝绳段形成匀强磁场，磁力线包裹在钢丝绳内部[7-9]。当钢丝绳出现内部或外部断丝、锈蚀等损伤时，钢丝绳中的磁场在钢丝绳与空气2 种不同介质间发生偏折，在损伤表面形成局部漏磁场。通过磁敏元件采集损伤漏磁通，经处理分析得出钢丝绳损伤程度。

图1 钢丝绳损伤漏磁通检测基本模型Fig.1 Basic model of wire rope damage detection by magnetic flux leakage

从图1 可看出，钢丝绳损伤漏磁通检测过程中除主磁通回路外，还存在磁噪声回路，对钢丝绳损伤漏磁通信号采集造成影响。建立漏磁通检测等效磁路模型（图2），对磁通回路中磁噪声信号进行分析。

图2 漏磁通检测等效磁路模型Fig.2 Equivalent magnetic circuit model of magnetic flux leakage detection

图2 中，将永磁体磁势F视为恒压源，R1为永磁体与钢丝绳间气隙磁阻，R2为衔铁与永磁体接触部分的磁阻，R3为衔铁磁阻，R4为衔铁与钢丝绳表面空气介质磁阻，R5为钢丝绳磁阻，Фm为回路主磁通，Ф1为衔铁中的磁通，Ф2为衔铁表面与钢丝绳间空气介质中的磁通，Ф3为钢丝绳磁通。由基尔霍夫第一、第二定律可知

式中Gi为磁导，与导磁介质的材料及横截面积有关。

永磁体与钢丝绳间气隙导致产生部分漏磁通，使得Ф1＜Фm。该部分漏磁通不可避免，且主要分布在闭合回路两端，对钢丝绳损伤漏磁通信号检测影响有限，因此可将Ф1视为磁通回路的主磁通。

采用Ansoft Maxwell 有限元软件对磁通回路中的磁场分布进行仿真分析，结果如图3 所示。可看出磁力线从一侧永磁体出发，经过衔铁传至另一侧永磁体，再经钢丝绳形成主磁通回路。在钢丝绳损伤处，磁力线发生偏折，磁力线穿过损伤端面与空气接触后指向钢丝绳表面。

图3 磁通回路的磁场分布Fig.3 Magnetic field distribution of magnetic flux circuit

在钢丝绳损伤上方空气介质中，除损伤导致的漏磁通外，还存在永磁体-衔铁-空气-永磁体、永磁体-钢丝绳-空气-永磁体、永磁体-空气-永磁体等磁噪声回路，形成较强的背景磁场。多股漏磁通在磁敏元件处相互叠加，极易对钢丝绳损伤漏磁通检测信号造成干扰。其中影响最大的是衔铁导磁路径的漏磁通和两侧永磁体与空气介质之间耦合磁场导致的漏磁通。因此，本文主要考虑这2 种因素对磁通回路进行优化。

2 磁通回路优化设计

2.1 衔铁导磁路径优化

磁力线在磁通回路中的传导不仅与导磁介质的磁学状态有关，也与其几何形状有关。磁力线呈直线或曲线分布，且传导方向总是垂直于导体截面[10-12]。由于磁力线具有趋低磁阻性，所以不存在磁力线交叉或直角弯折现象。衔铁与永磁体接触部位为直角结构，不利于磁力线传导，导致永磁体-衔铁-空气-永磁体磁噪声回路中漏磁通较大，降低永磁体的磁能传递效率。同时，该部分漏磁通与钢丝绳损伤漏磁通一同被磁敏元件采集，导致钢丝绳损伤程度误判情况。

基于上述分析，将衔铁与永磁体接触部位设计为圆角结构，建立如图4 所示的仿真模型，分析衔铁导磁路径优化对钢丝绳损伤漏磁通检测的影响。

图4 衔铁导磁路径优化仿真模型Fig.4 Simulation model of optimized armature magnetic path

衔铁与永磁体接触部位轴向漏磁通分布如图5所示。两侧永磁体长度均为400 mm，轴向距离为200 mm。可看出当接触端采用圆角时，两侧永磁体之间中点处（磁敏元件位置）磁感应强度较采用直角时小，表明衔铁与永磁体接触部分漏磁通小，可降低该部分漏磁通对钢丝绳损伤漏磁通检测信号的影响。

图5 衔铁与永磁体接触部位轴向漏磁通分布Fig.5 Radial magnetic flux leakage distribution at touching part of armature and permanent magnet

2.2 磁桥路屏蔽装置设计

衔铁与永磁体接触部分圆角结构的优化设计使得绝大多数磁力线沿衔铁导磁路径传导到钢丝绳中，减小了主磁通回路磁通泄漏，但仍存在两侧永磁体与空气介质耦合产生的漏磁通。

基于磁场的趋高磁导率介质特性[13-15]，设计了磁桥路屏蔽装置。该装置为由高导磁材料制作的环形屏蔽壳，安装在磁敏元件所在的检测区域（图6），构建一条磁桥路引导空气介质中的漏磁通走向，消除该部分漏磁通对钢丝绳损伤漏磁通检测的影响。

图6 磁桥路屏蔽装置及其安装Fig.6 Magnetic bridge shielding equipment and its setting mode

采用Solidworks 有限元软件研究磁桥路屏蔽装置的效果。设置屏蔽壳长度为160 mm，内径为80 mm。以直径为26 mm 的铁棒代替钢丝绳，制作1 处损伤，分别建立有无磁桥路屏蔽装置时的钢丝绳损伤检测模型进行有限元仿真，结果如图7 所示。

图7 钢丝绳损伤检测磁密度云图Fig.7 Magnetic density cloud map of wire rope damage detection

从图7 可看出，加装磁桥路屏蔽装置后，两侧永磁体与空气介质间耦合磁场导致的漏磁通经磁桥路屏蔽装置传递，装置内部区域只有很少的耦合漏磁通，为钢丝绳损伤漏磁通最佳检测区域。

将磁桥路屏蔽装置用于钢丝绳损伤检测中，磁敏元件采集的漏磁通如图8 所示。

图8 钢丝绳损伤检测漏磁通分布Fig.8 Magnetic flux leakage distribution of wire rope damage detection

两侧永磁体长度均为100 mm，150～250 mm 为检测区域。可看出在190～196 mm 损伤段，无磁桥路屏蔽装置时漏磁通最大值为53.6 mT，加装屏蔽装置后最大值为140.3 mT，表明加装磁桥路屏蔽装置可避免磁敏元件采集损伤漏磁通信号时受背景磁场干扰，有利于识别较小的损伤。

3 实验验证

基于理论分析与有限元仿真结果，搭建钢丝绳损伤检测实验平台，如图9 所示。钢丝绳型号为6×19+FC，总直径为26 mm，在钢丝绳表面制作1 股（19 根）长5 mm 的断丝损伤。磁通回路中衔铁材料为DT4C；磁源为环形排列的N48 型永磁体，分布于钢丝绳轴向两端，对钢丝绳进行轴向磁化。实验中钢丝绳以0.7 m/s 的速度匀速穿过探伤仪，磁敏元件采集钢丝绳损伤漏磁通信号并将其转换为电压信号，经放大滤波后在示波器上显示，如图10 所示。

图9 钢丝绳损伤检测实验平台Fig.9 Experimental platform of wire rope damage detection

图10 钢丝绳损伤检测结果Fig.10 Wire rope damage detection results

图10 中电压波形平稳部分为钢丝绳无损伤段信号，反映钢丝绳股间漏磁通；电压凸起部分为钢丝绳损伤段信号。可看出磁通回路优化后，由于导磁路径中主磁通增大，所以损伤处采集信号特征明显；钢丝绳损伤采集信号由磁通回路优化前的6.14 mV 增大至18.59 mV，表明磁桥路屏蔽装置具有漏磁通聚合增强效果。由此可知优化的磁通回路能提高磁能利用率，有效聚合增强目标漏磁通，减小磁噪声影响，提高钢丝绳损伤检测性能。