摘 要:鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器以優(yōu)異的檢測(cè)性能被廣泛應(yīng)用于鋼絲繩的缺陷檢 測(cè)中。在分析開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器原理及開環(huán)磁化器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用 ANSYS有限元 仿真分析方法,建立了開環(huán)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(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明,探靴槽的 尺寸對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有一定影響,存在一個(gè)最佳尺寸,在此尺寸下探靴的檢測(cè)效果最佳。

關(guān)鍵詞:鋼絲繩;漏磁檢測(cè);開環(huán)永磁磁化;傳感器;有限元

中圖分類號(hào):TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1000-6656(2022)08-0020-05

鋼絲繩是應(yīng)用非常廣泛的鐵磁性構(gòu)件,在輸電 線路施工、船舶航行、礦山建設(shè)運(yùn)營(yíng)中均有不可替代 的作用。鋼絲繩編織性質(zhì)特殊,在使用過程中容易 產(chǎn)生斷絲、斷股和其他內(nèi)外傷,給設(shè)備運(yùn)行帶來安全 隱患[1]。因此,如何高效地對(duì)鋼絲繩進(jìn)行無損檢測(cè), 是亟待解決的問題。在鋼絲繩無損檢測(cè)的發(fā)展史上 有許多方法相繼被提出[2],事實(shí)證明漏磁無損檢測(cè) 是鋼絲繩迄今為止唯一有效的探傷方法,并廣泛應(yīng) 用于各類鋼絲繩的無損檢測(cè)中。大量學(xué)者對(duì)鋼絲繩漏磁檢測(cè)原理與技術(shù)進(jìn)行深入研究[3-9],大多采用 傳統(tǒng)磁軛式永磁磁化回路磁化待檢測(cè)鋼絲繩,質(zhì)量 慣性及磁吸力大。為了減小鋼絲繩檢測(cè)儀器質(zhì)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(duì)開式開環(huán)永磁磁化法,在進(jìn)行精準(zhǔn)、快速地 鋼絲繩無損檢測(cè)基礎(chǔ)上,解決了傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)儀器 安裝困難的問題。

通常,開環(huán)式永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器的組成 結(jié)構(gòu)為磁化器及附著在磁化器上的探靴。探靴內(nèi)腔 (或內(nèi)徑)越大,即探靴與被檢測(cè)鋼絲繩的距離越大, 越能避免鋼絲繩在高速運(yùn)行時(shí)的擺動(dòng)及接觸等行為 給探靴內(nèi)腔帶來的破壞。同時(shí)由于鋼絲繩檢測(cè)的特 殊性,當(dāng)被檢測(cè)鋼絲繩直徑確定時(shí),磁化器內(nèi)徑也隨 之確定,所以無法通過調(diào)整磁化器內(nèi)徑來避免破壞。 因?yàn)榇呕鞔嬖谝欢ǖ暮穸?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(nèi)加工形成 探靴槽,使得探靴一部分嵌入其中。這樣便可以調(diào) 整探靴與鋼絲繩之間的距離,從而避免鋼絲繩對(duì)于 探靴的損壞。由于探靴槽的大小影響到磁化場(chǎng)的空 間路徑,最終會(huì)對(duì)磁化效果及缺陷的漏磁場(chǎng)大小產(chǎn) 生影響,所以,筆者開展了開環(huán)式永磁磁化鋼絲繩漏 磁檢測(cè)傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化,以期為鋼絲繩缺 陷的漏磁檢測(cè)提供一些參考。

1 開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)原理及磁化器結(jié)構(gòu)

進(jìn)行開環(huán)永磁磁化的鋼絲繩漏磁檢測(cè)時(shí),開環(huán) 永磁體在兩端產(chǎn)生磁場(chǎng),銜鐵處在兩端永磁鐵之間, 被永磁鐵磁化并產(chǎn)生磁場(chǎng);在鋼絲繩移動(dòng)的過程中, 探靴檢測(cè)鋼絲繩經(jīng)過磁場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的磁力線,并轉(zhuǎn) 化為電信號(hào)發(fā)送給處理中心;若探靴捕捉到異常磁 力線并產(chǎn)生異常電信號(hào),則代表鋼絲繩有損傷。

帶探靴槽的鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)原理 如圖1所示。圖1中,利用兩個(gè)長(zhǎng)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(cè)試 時(shí),永磁體會(huì)將待測(cè)鋼絲繩磁化。當(dāng)鋼絲繩無損傷 且質(zhì)地均勻時(shí),磁力線全部在鋼絲繩、永磁體和銜鐵 構(gòu)成的磁回路中通過。當(dāng)鋼絲繩有缺陷且鋼絲繩近 乎飽和磁化時(shí),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(fā)生了變形,在周圍空氣 中形成漏磁場(chǎng)。當(dāng)探靴通過無缺陷鋼絲繩時(shí),由于 沒有磁通的變化,輸出電壓不變。當(dāng)輸出電壓通過 有缺陷的鋼絲繩時(shí),電壓會(huì)發(fā)生變化,可以通過分析電壓的變化與漏磁信號(hào)來正確地評(píng)估缺陷。

筆者在原有開環(huán)永磁磁化器中的銜鐵內(nèi)腔設(shè)計(jì) 增加刻槽,即探靴槽,帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測(cè)磁化 器結(jié)構(gòu)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(cè)時(shí)將探靴安置在刻槽內(nèi)以獲得 鋼絲繩探傷信號(hào)。該設(shè)計(jì)增大了探頭內(nèi)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(fā)生損壞。

2 探靴槽仿真模型建立

因?yàn)樵阢曡F中增加刻槽對(duì)于實(shí)際結(jié)果的影響未 知,所以需要對(duì)新型探傷設(shè)備進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。以 刻槽的深度或?qū)挾葹樽兞?以缺陷特征曲線為結(jié)果, 通過 ANSYS軟件建立有限元仿真模型,分析刻槽 尺寸對(duì)于鋼絲繩漏磁檢測(cè)的影響。

在仿真過程中,利用鋼絲繩模型表面或內(nèi)部的 缺陷來模擬實(shí)際狀態(tài)下鋼絲繩的損傷。

2.1 模型基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)

鋼絲繩開環(huán)永磁磁化器探靴槽有限元模型參數(shù) 如表1所示,在 ANSYS軟件中建立其優(yōu)化仿真模 型 (見圖3),鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器是由一對(duì)C型磁化器(由磁鐵-銜鐵-磁鐵配置組成)對(duì) 開形成,磁鐵沿軸向磁化,中間銜鐵內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖4所示,根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)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(chǎng) 大小隨探靴槽寬度或深度改變的變化規(guī)律。

在令寬度L 為變量時(shí),需選擇一個(gè)初始深度。 由于銜鐵的作用是引導(dǎo)磁力線,若深度太大,則銜鐵 會(huì)被貫穿,且可能會(huì)影響銜鐵內(nèi)部磁通大小,從而影 響檢測(cè)結(jié)果的有效性。因此初始刻槽深度不應(yīng)過 大,暫定為5mm。

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 以探靴槽寬度為變量時(shí)的仿真結(jié)果

探靴槽寬度在0~30mm 間變化時(shí),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(hào)特征變化曲線 如圖5所示,并計(jì)算不同探靴槽寬度下缺陷信號(hào)幅 值,其結(jié)果如表2所示。

提離高度為6.5 mm 時(shí),缺陷特征信號(hào)隨不同 刻槽寬度的變化規(guī)律如圖 6 所示。探靴槽寬度 L 在0~30mm 之間變化時(shí),缺陷信號(hào)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(shí)缺陷信號(hào)軸向特征幅值最大。而缺陷信 號(hào)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(shí)缺陷信號(hào)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(shí)的仿真結(jié)果

根 據(jù)2.2.1節(jié)中探靴槽寬度變化時(shí)的仿真結(jié)果,考慮實(shí)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(hào)變化規(guī)律,其 缺陷特征變化曲線如圖7所示,同樣地,計(jì)算不同探 靴槽深度下的缺陷特征信號(hào)幅值,研究缺陷特征信 號(hào)幅值隨探靴槽深度的變化趨勢(shì)。

缺陷特征信號(hào)隨不同刻槽深度的變化規(guī)律如圖 8所示,可見,刻槽深度為12.5mm 時(shí),缺陷特征曲 線的幅值及最值明顯降低,認(rèn)為此數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù), 因此分析應(yīng)在探靴槽深度為0~10mm 時(shí)進(jìn)行,當(dāng) 探靴槽,深度在2.5~10mm 之間時(shí),缺陷信號(hào)軸向 與徑向特征幅值變化幅度不大,缺陷軸向特征信號(hào) 和徑向特征信號(hào)都隨探靴槽深度的增大先增加后減 小,當(dāng)探靴槽深度為7.5 mm 時(shí)缺陷軸向特征信號(hào)

綜 合 以 上 仿 真 結(jié) 果,選 擇 探 靴 槽 寬 度 為 18mm,深度為7.5mm,以提高鋼絲繩開環(huán)式磁化 器檢測(cè)精準(zhǔn)度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖2中帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測(cè)磁化器結(jié) 構(gòu)模型及探靴槽仿真優(yōu)化尺寸,加工制作出鋼絲繩 開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)探頭(探靴槽寬度為18mm, 深度為7.5mm)。被測(cè)鋼絲繩經(jīng)漏磁探頭磁化激發(fā) 出磁場(chǎng),檢測(cè)掃查時(shí)由探靴中磁敏元件捕獲出鋼絲 繩損傷信號(hào),經(jīng)電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)波形顯示。

測(cè)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(nèi)傷。 多根斷絲外傷尺寸大易檢測(cè),檢測(cè)信號(hào)幅值大;相比 之下,單根斷絲外傷信號(hào)幅值較小;單根斷絲內(nèi)傷檢 測(cè)信號(hào)容易湮沒在繩股信號(hào)等噪聲信號(hào)中,檢測(cè)信 噪比低甚至檢測(cè)不出。三種類型鋼絲繩損傷的開環(huán) 永磁磁化漏磁檢測(cè)效果如圖10所示。

經(jīng)帶探靴槽的開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器掃 查,三種類型的鋼絲繩缺陷均被檢出,測(cè)試結(jié)果表明 該探頭具有優(yōu)異的測(cè)試性能。

4 結(jié)論

針對(duì)鋼絲繩傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備探靴內(nèi)腔小、磨損大等 問題,提出帶有探靴槽的開環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感 器,進(jìn)行了檢測(cè)傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化,仿真結(jié)果 表 明缺陷特征信號(hào)幅值隨著探靴槽寬度/深度的改變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),當(dāng)探靴槽深度為7.5mm, 寬度為18mm 時(shí),輸出結(jié)果較為理想,可適應(yīng)鋼絲繩 復(fù)雜的檢測(cè)工況,提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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