摘 要:鋼絲繩開環永磁磁化漏磁檢測傳感器以優異的檢測性能被廣泛應用于鋼絲繩的缺陷檢 測中。在分析開環永磁磁化漏磁檢測傳感器原理及開環磁化器結構的基礎上,采用 ANSYS有限元 仿真分析方法,建立了開環永磁磁化器及其探靴槽的有限元模型,提取并分析了在不同探靴槽寬度及 探靴槽深度下的鋼絲繩缺陷特征曲線,揭示了不同探靴槽尺寸對應的檢測結果。結果表明,探靴槽的 尺寸對于檢測結果有一定影響,存在一個最佳尺寸,在此尺寸下探靴的檢測效果最佳。

關鍵詞:鋼絲繩;漏磁檢測;開環永磁磁化;傳感器;有限元 

中圖分類號:TG115.28                                   文獻標志碼:A                                    文章編號:1000-6656(2022)08-0020-05

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。 

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。 

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6.5mm,即提取高度為6.5mm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。

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5mm。 

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0~30mm 間變化時,分別提取 高度為6.5mm 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。

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0~30mm 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 18mm 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10mm 時缺陷信號徑向特征幅值最大。綜 合考慮,可以在10~18mm 間選擇合適的值為探靴 槽寬度尺寸。 

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18mm, 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。

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12.5mm 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0~10mm 時進行,當 探靴槽,深度在2.5~10mm 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

綜 合 以 上 仿 真 結 果,選 擇 探 靴 槽 寬 度 為 18mm,深度為7.5mm,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18mm, 深度為7.5mm)。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。

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7.5mm, 寬度為18mm 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。

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<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 無損檢測 > 44卷 > 8期 (pp:20-24)>