钢丝绳开环永磁磁化漏磁检测传感器探靴槽的仿真优化

贾博涵，张来明，姜宵园，孙燕华

(1.谢菲尔德大学 机械系，谢菲尔德 S1 3JD；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029；3.华中科技大学 机械科学与工程学院，武汉 430074)

钢丝绳是应用非常广泛的铁磁性构件，在输电线路施工、船舶航行、矿山建设运营中均有不可替代的作用。钢丝绳编织性质特殊，在使用过程中容易产生断丝、断股和其他内外伤，给设备运行带来安全隐患[1]。因此，如何高效地对钢丝绳进行无损检测，是亟待解决的问题。在钢丝绳无损检测的发展史上有许多方法相继被提出[2]，事实证明漏磁无损检测是钢丝绳迄今为止唯一有效的探伤方法，并广泛应用于各类钢丝绳的无损检测中。大量学者对钢丝绳漏磁检测原理与技术进行深入研究[3-9], 大多采用传统磁轭式永磁磁化回路磁化待检测钢丝绳，质量惯性及磁吸力大。为了减小钢丝绳检测仪器质量，减小磁作用力并充分均匀磁化钢丝绳，孙燕华等[10]提出了对开式开环永磁磁化法，在进行精准、快速地钢丝绳无损检测基础上，解决了传统漏磁检测仪器安装困难的问题。

通常，开环式永磁磁化漏磁检测传感器的组成结构为磁化器及附着在磁化器上的探靴。探靴内腔(或内径)越大，即探靴与被检测钢丝绳的距离越大，越能避免钢丝绳在高速运行时的摆动及接触等行为给探靴内腔带来的破坏。同时由于钢丝绳检测的特殊性，当被检测钢丝绳直径确定时，磁化器内径也随之确定，所以无法通过调整磁化器内径来避免破坏。因为磁化器存在一定的厚度，所以为了尽量避免钢丝绳和探靴之间的距离过小，在磁化器内加工形成探靴槽，使得探靴一部分嵌入其中。这样便可以调整探靴与钢丝绳之间的距离，从而避免钢丝绳对于探靴的损坏。由于探靴槽的大小影响到磁化场的空间路径，最终会对磁化效果及缺陷的漏磁场大小产生影响，所以，笔者开展了开环式永磁磁化钢丝绳漏磁检测传感器探靴槽的仿真优化，以期为钢丝绳缺陷的漏磁检测提供一些参考。

1 开环永磁磁化漏磁检测原理及磁化器结构

进行开环永磁磁化的钢丝绳漏磁检测时，开环永磁体在两端产生磁场，衔铁处在两端永磁铁之间，被永磁铁磁化并产生磁场；在钢丝绳移动的过程中，探靴检测钢丝绳经过磁场时所产生的磁力线，并转化为电信号发送给处理中心；若探靴捕捉到异常磁力线并产生异常电信号，则代表钢丝绳有损伤。

带探靴槽的钢丝绳开环永磁磁化漏磁检测原理如图1所示。图1中，利用两个长方形来代表两根钢丝绳的二维投影，一根无缺陷，一根有缺陷。测试时，永磁体会将待测钢丝绳磁化。当钢丝绳无损伤且质地均匀时，磁力线全部在钢丝绳、永磁体和衔铁构成的磁回路中通过。当钢丝绳有缺陷且钢丝绳近乎饱和磁化时，虽然磁力线大部分仍然在磁回路中通过，但是了少量的磁力线发生了变形，在周围空气中形成漏磁场。当探靴通过无缺陷钢丝绳时，由于没有磁通的变化，输出电压不变。当输出电压通过有缺陷的钢丝绳时，电压会发生变化，可以通过分析电压的变化与漏磁信号来正确地评估缺陷。

图1 带探靴槽的钢丝绳开环永磁磁化漏磁检测原理示意

笔者在原有开环永磁磁化器中的衔铁内腔设计增加刻槽，即探靴槽，带探靴槽的开环漏磁检测磁化器结构如图2所示，其主要由永磁铁、衔铁、探靴槽等部分组成，在检测时将探靴安置在刻槽内以获得钢丝绳探伤信号。该设计增大了探头内腔，解决了探靴与钢丝绳距离过小的问题，避免其与钢丝绳过度摩擦发生损坏。

图2 带探靴槽的开环漏磁检测磁化器结构示意

2 探靴槽仿真模型建立

因为在衔铁中增加刻槽对于实际结果的影响未知，所以需要对新型探伤设备进行有效性检验。以刻槽的深度或宽度为变量，以缺陷特征曲线为结果，通过ANSYS软件建立有限元仿真模型，分析刻槽尺寸对于钢丝绳漏磁检测的影响。

在仿真过程中，利用钢丝绳模型表面或内部的缺陷来模拟实际状态下钢丝绳的损伤。

2.1 模型基本结构与参数

钢丝绳开环永磁磁化器探靴槽有限元模型参数如表1所示，在ANSYS软件中建立其优化仿真模型(见图3)，钢丝绳开环永磁磁化漏磁检测传感器是由一对C型磁化器(由磁铁-衔铁-磁铁配置组成)对开形成，磁铁沿轴向磁化，中间衔铁内表面处挖去一块形成探靴槽，在仿真过程中分别令其宽度L或深度H变化，磁化器结构如图4所示，根据实际情况，设定探靴中磁敏元件到钢丝绳外表面的距离为6.5 mm，即提取高度为6.5 mm路径上的磁通密度，研究缺陷漏磁场大小随探靴槽宽度或深度改变的变化规律。

表1 钢丝绳开环永磁磁化器探靴槽有限元模型参数

图3 带探靴槽的开环漏磁检测磁化器仿真模型

图4 带探靴槽的开环漏磁检测磁化器结构示意

在令宽度L为变量时，需选择一个初始深度。由于衔铁的作用是引导磁力线，若深度太大，则衔铁会被贯穿，且可能会影响衔铁内部磁通大小，从而影响检测结果的有效性。因此初始刻槽深度不应过大，暂定为5 mm。

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 以探靴槽宽度为变量时的仿真结果

探靴槽宽度在0～30 mm间变化时，分别提取高度为6.5 mm路径上的磁通密度轴向分量与径向分量，不同探靴槽宽度下的缺陷信号特征变化曲线如图5所示，并计算不同探靴槽宽度下缺陷信号幅值，其结果如表2所示。

图5 不同探靴槽宽度下的缺陷信号特征变化曲线

表2 变量为探靴槽宽度时缺陷特征信号幅值

提离高度为6.5 mm时，缺陷特征信号随不同刻槽宽度的变化规律如图6所示。探靴槽宽度L在0～30 mm之间变化时，缺陷信号轴向特征幅值随刻槽深度的增大先明显增加后缓慢减小，L为18 mm时缺陷信号轴向特征幅值最大。而缺陷信号径向特征幅值随刻槽深度的增大先增加后明显减小，L为10 mm时缺陷信号径向特征幅值最大。综合考虑，可以在10～18 mm间选择合适的值为探靴槽宽度尺寸。

图6 提离距离6.5 mm处缺陷特征信号随不同探靴槽宽度的变化规律

2.2.2 以探靴槽深度为变量时的仿真结果根据2.2.1节中探靴槽宽度变化时的仿真结果，考虑实际中探靴安装，选择探靴槽宽度为18 mm，研究不同探靴槽深度下缺陷特征信号变化规律，其缺陷特征变化曲线如图7所示，同样地，计算不同探靴槽深度下的缺陷特征信号幅值，研究缺陷特征信号幅值随探靴槽深度的变化趋势。

图7 不同探靴槽深度下的缺陷信号特征变化曲线

表3 变量为探靴槽深度时缺陷特征信号幅值

缺陷特征信号随不同刻槽深度的变化规律如图8所示，可见，刻槽深度为12.5 mm时，缺陷特征曲线的幅值及最值明显降低，认为此数据为无效数据，因此分析应在探靴槽深度为0～10 mm时进行，当探靴槽，深度在2.5～10 mm之间时，缺陷信号轴向与径向特征幅值变化幅度不大，缺陷轴向特征信号和径向特征信号都随探靴槽深度的增大先增加后减小，当探靴槽深度为7.5 mm时缺陷轴向特征信号幅值达到最大，而缺陷径向特征信号幅值在探靴深度为5 mm时最大。

图8 6.5 mm提离处缺陷特征信号随不同探靴槽深度的变化规律

综合以上仿真结果，选择探靴槽宽度为18 mm，深度为7.5 mm，以提高钢丝绳开环式磁化器检测精准度。

3 试验验证

根据图2中带探靴槽的开环漏磁检测磁化器结构模型及探靴槽仿真优化尺寸，加工制作出钢丝绳开环永磁磁化漏磁检测探头(探靴槽宽度为18 mm,深度为7.5 mm)。被测钢丝绳经漏磁探头磁化激发出磁场，检测扫查时由探靴中磁敏元件捕获出钢丝绳损伤信号，经电路传输到计算机上实现波形显示。

测试用钢丝绳的三种损伤类型如图9所示，分别为多根断丝外伤、单根断丝外伤、单根断丝内伤。多根断丝外伤尺寸大易检测，检测信号幅值大；相比之下，单根断丝外伤信号幅值较小；单根断丝内伤检测信号容易湮没在绳股信号等噪声信号中，检测信噪比低甚至检测不出。三种类型钢丝绳损伤的开环永磁磁化漏磁检测效果如图10所示。

图9 测试用钢丝绳的三种损伤类型

图10 三种类型钢丝绳损伤的开环永磁磁化漏磁检测效果

经带探靴槽的开环永磁磁化漏磁检测传感器扫查，三种类型的钢丝绳缺陷均被检出，测试结果表明该探头具有优异的测试性能。

4 结论

针对钢丝绳传统检测设备探靴内腔小、磨损大等问题，提出带有探靴槽的开环永磁磁化漏磁检测传感器，进行了检测传感器探靴槽的仿真优化，仿真结果表明缺陷特征信号幅值随着探靴槽宽度/深度的改变呈现先增加后减小的趋势，当探靴槽深度为7.5 mm，宽度为18 mm时，输出结果较为理想，可适应钢丝绳复杂的检测工况，提高检测结果的准确性。