鋼絲繩弱磁探傷數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

史 榮 王 雷 王勁東 郭 鵬

1.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004 2.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京，100190

0 引言

鋼絲繩是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種撓性承拉件，一旦失效則會(huì)發(fā)生重大安全事故。防止在役鋼絲繩失效的有效方法是對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)或在線監(jiān)測(cè)。目前鋼絲繩探傷的主要手段是磁檢測(cè)技術(shù)，即在對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磁加載情況下，檢測(cè)其漏磁場(chǎng)分布，依據(jù)漏磁通的變化規(guī)律，判斷鋼絲繩是否存在缺陷、缺陷類型、是否達(dá)到報(bào)廢準(zhǔn)則等［1－2］。

然而，由于鋼絲繩是由多股鋼絲捻制而成，其漏磁場(chǎng)分布十分復(fù)雜，既包括股間漏磁場(chǎng)，也包括由缺陷引起的漏磁場(chǎng)。為了研究捻股鋼絲繩漏磁場(chǎng)分布規(guī)律，本文用ANSYS軟件對(duì)鋼絲繩表面漏磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，研究了在弱磁激磁條件下，無(wú)缺陷及有缺陷鋼絲繩表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以及鋼絲繩周圍空氣中的漏磁場(chǎng)分布狀態(tài)，分析了漏磁場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)度，為鋼絲繩弱磁探傷裝置的研制提供了理論依據(jù)。

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用火星探測(cè)器安裝的高精度MR01型磁阻式傳感器，搭建了基于弱磁的鋼絲繩缺陷檢測(cè)平臺(tái)，得到了斷絲缺陷狀態(tài)下的漏磁場(chǎng)實(shí)測(cè)波形，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 鋼絲繩的磁化

鋼絲繩的磁化方式分為線圈磁化與永磁體磁化，隨著永磁材料的發(fā)展，采用永磁鐵對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磁化已經(jīng)成為主要手段。

圖1為典型的鋼絲繩磁化特性曲線和磁導(dǎo)率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線，圖中Hμm為磁導(dǎo)率μ取最大值時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度［3］。

在鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)中，以磁化強(qiáng)度Hμm為分界點(diǎn)，將無(wú)損檢測(cè)分成兩類：Hμm以左是弱磁檢測(cè)的范圍，Hμm以右是強(qiáng)磁檢測(cè)的范圍。目前工程實(shí)踐中應(yīng)用的主要是強(qiáng)磁檢測(cè)技術(shù)，其主流機(jī)型為磁化與檢測(cè)系統(tǒng)分開(kāi)的分離式檢測(cè)系統(tǒng)。強(qiáng)磁檢測(cè)技術(shù)存在的主要問(wèn)題是，傳感器靈敏度較低，檢測(cè)速度受到一定限制。而弱磁檢測(cè)技術(shù)磁化強(qiáng)度低，物體受磁場(chǎng)束縛力小，傳感器靈敏度高，允許傳感器與鋼絲繩表面有較大間隙，可提高檢測(cè)速度，且磁化方法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)儀器的輕型化，因此，弱磁檢測(cè)是鋼絲繩探傷的一項(xiàng)新技術(shù)［4］。

圖1 鋼絲繩的磁化特性曲線

2 鋼絲繩漏磁場(chǎng)有限元分析

對(duì)鋼絲繩進(jìn)行磁化后，其漏磁場(chǎng)彌漫于整個(gè)空間，因此采用有限元法對(duì)鋼絲繩的漏磁進(jìn)行仿真是空間磁場(chǎng)分析的理想方法。

有限元商業(yè)軟件ANSYS提供了多種用于模擬電磁現(xiàn)象的單元、材料磁特性及后處理功能，為用戶進(jìn)行各種狀態(tài)下的磁場(chǎng)分析提供了強(qiáng)有力的工具［5］。

2.1 算例

本文所采用的算例如圖2所示，鋼絲繩直徑為36mm、鋼絲直徑為3mm、鋼絲繩有效截面積為567.254mm3，型號(hào)為6×19S＋FC。

圖2 鋼絲繩截面

2.2 基本假設(shè)及磁加載

對(duì)鋼絲繩漏磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，基本假設(shè)條件如下：①假設(shè)鋼絲繩中無(wú)剩磁且應(yīng)力不影響鋼絲繩內(nèi)磁場(chǎng)的分布；②假設(shè)鋼絲繩各方向上的磁導(dǎo)率相同；③鋼絲繞繩芯成螺旋狀，鋼絲繩芯部和鋼股周圍由空氣充填。

鋼絲繩的磁加載采用徑向磁化方法。極靴為φ40mm的半圓環(huán)型軟鐵，永久磁鐵為方形釹鐵硼磁鐵，磁鐵的剩余磁化強(qiáng)度為1.19T，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.8H／m［6］。

軟鐵和鋼絲繩的磁化特性曲線如圖3所示。

圖3 軟鐵和鋼絲繩的B－H曲線

2.3 有限元模型的建立

對(duì)磁路而言，非鐵磁材料所占的空間不能作為磁絕緣體，因此磁場(chǎng)有限元分析屬于無(wú)限域分析。為了使仿真更接近于實(shí)際，整個(gè)模型使用了SOLID97和INFIN111兩種單元，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 模型的網(wǎng)格劃分

本模型采用遠(yuǎn)場(chǎng)單元來(lái)模擬無(wú)限空間，可以不施加磁通邊界條件，但使用遠(yuǎn)場(chǎng)單元后，必須在模型外表面施加遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)志，否則，程序不能識(shí)別哪里是無(wú)限空間。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 漏磁場(chǎng)分布

3.1.1 無(wú)缺陷鋼絲繩表面漏磁場(chǎng)分布

在圖4所示的磁路中，大部分磁通通過(guò)磁鐵、軟鐵、鋼絲繩及磁靴組成的主磁路閉合，小部分磁通通過(guò)鋼絲繩表面泄漏到空氣中，因此空氣中存在漏磁場(chǎng)。圖5所示為鋼絲繩表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布狀態(tài)，在無(wú)缺陷情況下，靠近磁鐵處，磁場(chǎng)最強(qiáng)，中間位置磁場(chǎng)較弱，且軸向分布均勻（圖5a）。

3.1.2 有缺陷鋼絲繩表面磁場(chǎng)分布

圖5b為有缺陷狀態(tài)下鋼絲繩的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。設(shè)鋼絲繩的缺陷尺寸為2mm×5mm×2mm，等效于一根斷絲狀態(tài)。由圖可見(jiàn)，在缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇減小，說(shuō)明缺陷處的部分磁力線已經(jīng)泄漏到空氣中。

圖5 鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

3.2 鋼絲繩周圍空氣中漏磁場(chǎng)3D仿真

為了研究鋼絲繩周圍空氣中的漏磁場(chǎng)分布，取距離鋼絲繩表面5mm處圓柱面上空氣中的漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖6為空氣中的漏磁場(chǎng)分布圖。圖中，角度軸α為鋼絲繩的圓周方向按180°展開(kāi)，距離軸L為鋼絲繩長(zhǎng)度方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于0處，截取的絕對(duì)長(zhǎng)度為20mm，縱軸為漏磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

圖6 鋼絲繩周圍空氣中的漏磁場(chǎng)

圖6a為鋼絲繩無(wú)缺陷時(shí)空氣中的漏磁場(chǎng)分布圖。由圖可見(jiàn)，鋼絲繩表面空氣中的漏磁場(chǎng)分布與其形狀相對(duì)應(yīng)，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值沿鋼絲繩圓周方向呈周期性變化，周期為繩股的節(jié)距。其中在鋼絲處漏磁幅值較大，股間的漏磁幅值較小，而沿著鋼絲繩長(zhǎng)度方向，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值基本一致，漏磁場(chǎng)分布比較均勻。

圖6b為鋼絲繩局部存在斷絲缺陷時(shí)空氣中的漏磁場(chǎng)分布圖，由圖可見(jiàn)，在缺陷影響下，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度的周期分布規(guī)律及均勻分布規(guī)律被破壞，缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增加。在本算例中，模擬缺陷為一根斷絲，斷口長(zhǎng)度為2mm，其磁感應(yīng)強(qiáng)度最大幅值達(dá)到11.6×10－5T，是無(wú)缺陷漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的1.5倍。而且，缺陷幾何尺寸越大，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大。

由上述分析結(jié)果可見(jiàn)，在弱磁激勵(lì)情況下，距離鋼絲繩表面5mm處空氣中的漏磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度變化明顯，可為磁傳感器提供一個(gè)與缺陷相關(guān)的漏磁信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了研究鋼絲繩弱磁探傷的實(shí)用性與可操作性，并對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室搭建了弱磁探傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了以研究不同激磁強(qiáng)度，不同磁路長(zhǎng)度、不同傳感器提離量及不同鋼絲繩缺陷等狀態(tài)下的鋼絲繩探傷實(shí)驗(yàn)。

6×19S＋FC鋼絲繩為本文算例的物理模型，采用人為模擬斷絲，檢測(cè)元件為MR01型磁阻式傳感器［7］，實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

圖7a、圖7b分別為2根斷絲和1根斷絲時(shí)傳感器的輸出波形，由圖可見(jiàn)，在缺陷處漏磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯突變，其幅值變化率比模擬計(jì)算結(jié)果更明顯。而且實(shí)測(cè)波形的時(shí)間歷程及幅值變化與斷絲狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，斷絲數(shù)越多，幅值越高；斷口越短，波形越集中，因此由實(shí)驗(yàn)波形可對(duì)鋼絲繩斷絲狀態(tài)提供定量分析。

圖7 鋼絲繩缺陷處漏磁場(chǎng)實(shí)測(cè)波形

由圖7可見(jiàn)，缺陷處的實(shí)測(cè)波形與仿真分析結(jié)果一致，證明了仿真分析方法的正確性。

5 結(jié)論

①建立了絞線鋼絲繩有限元模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼絲繩周圍空氣中漏磁場(chǎng)分布的3D仿真，計(jì)算結(jié)果表明，在無(wú)缺陷情況下空氣中的漏磁場(chǎng)分布與鋼絲繩的擰股形狀相對(duì)應(yīng)。②當(dāng)鋼絲繩存在缺陷時(shí)，其周圍空氣中的漏磁場(chǎng)幅值變化明顯，可為傳感器的選擇與磁路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。③實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在弱磁加載情況下，鋼絲繩缺陷的實(shí)測(cè)波形與數(shù)值模擬結(jié)果一致，證明了有限元分析方法的正確性及弱磁探傷的可行性。

［1］彭樹(shù)彥.提升絞車鋼絲繩損傷定量檢測(cè)技術(shù)的探索［J］.煤炭技術(shù)，2008，27（3）：159－160.Peng Shuyan.Lifting Hoist Steel Wire Damage Quota Examination Technol Ogy Exploration［J］.Coal Teachnology，2008，27（3）：159－160.

［2］趙成.鋼絲繩缺陷分析和診斷［C］／／中國(guó)石油學(xué)會(huì)第六屆青年學(xué)術(shù)年會(huì).大慶，2009：1－15.

［3］兵器工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定考核委員會(huì).常用鋼材磁特征曲線速查手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］陶德馨，艾麗斯佳.基于弱磁探傷的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（1）：96－99.Tao Dexin，Ai Lisijia.Nondestructive Testing Technology for Wire Ropes Based on Weak Magnetic Flaw Detection［J］.Chinses Journal of Construction Machinery，2009（1）：96－99.

［5］ANSYS，Inc.Low－frequency Electromagnetic A－nalysis Guide［M］.Canonsburg：ANSYS，Inc.，2010.

［6］嚴(yán)密，彭曉領(lǐng).磁學(xué)基礎(chǔ)與磁學(xué)材［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

［7］王勁東，趙華，周斌.火星空間環(huán)境磁場(chǎng)探測(cè)研究——“螢火1號(hào)”磁強(qiáng)計(jì)的研制與應(yīng)用［J］，物理，2009（11）：785－792.Wang Jingdong，Zhao Hua，Zhou Bin.Martian Space Environment Magnetic Field Research：Development and Application of the YH－1Precision Magnetometer［J］.Physical，2009（11）：785－792.

［8］郭鵬.基于弱磁探傷的鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2011.