航母阻攔系統(tǒng)中鋼索漏磁檢測試驗(yàn)研究

鄧文力　王悅民　耿海泉

摘要：航母阻攔系統(tǒng)中鋼索健康狀態(tài)對于航母艦載機(jī)的回收安全至關(guān)重要，為有效檢測鋼索損傷缺陷，保障阻攔系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，對鋼索進(jìn)行損傷檢測試驗(yàn)。搭建鋼索檢測試驗(yàn)平臺，基于漏磁檢測技術(shù)，采用永磁磁化方式，將電感元件與霍爾元件相結(jié)合制作環(huán)裝陣列傳感器，并制作斷絲缺陷與截面積損傷缺陷，進(jìn)行檢測試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在搭建的檢測試驗(yàn)平臺條件下，使用所設(shè)置的傳感器能夠有效檢測出所制作的鋼索損傷缺陷，并具有較好的信噪比及可重復(fù)性，為航母阻攔系統(tǒng)中鋼索的檢測提供一種無損檢測方法。

關(guān)鍵詞：阻攔索；漏磁檢測；霍爾元件；電感元件

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0083-05

0引言

航空母艦是一種以艦載機(jī)為重要武器的大型水面艦艇，作為保障航母艦載機(jī)安全著艦的航母阻攔系統(tǒng)具有十分重要的作用，目前，國內(nèi)外航母大多采用液壓式阻攔系統(tǒng)。以美軍航母MK7-3型阻攔系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，航母阻攔系統(tǒng)中鋼索由阻攔索和滑輪組索組成，其中，阻攔索位于甲板之上，在執(zhí)行阻攔任務(wù)時(shí)與艦載機(jī)的尾鉤直接接觸并在很短距離內(nèi)使其停止下來，而滑輪組索，位于甲板下面的艙室內(nèi)，是連接航母阻攔索與阻攔裝置的重要部件之一，負(fù)責(zé)將阻攔力傳遞到吸能裝置。艦載機(jī)在回收時(shí)，采用“撞擊式”著艦，發(fā)動機(jī)仍保持工作狀態(tài)，通過阻攔系統(tǒng)強(qiáng)制對艦載機(jī)減速制動，以便鉤索失敗能夠立即復(fù)飛。這種特殊的降落方式使鋼索成為阻攔系統(tǒng)中最易受損的部位之一。航母艦載機(jī)的著艦是一項(xiàng)極其重要的任務(wù)，必須保證萬無一失，航母鋼索作為阻攔系統(tǒng)中連接各個(gè)部分的關(guān)鍵構(gòu)件，其健康狀況直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，甚至影響到艦載機(jī)和飛行員的安全。因此，對航母阻攔系統(tǒng)中鋼索進(jìn)行無損檢測，并及時(shí)掌握其健康狀態(tài)，對保障艦載機(jī)的使用安全和發(fā)揮航母戰(zhàn)斗力具有重要作用和軍事意義。

目前，國內(nèi)外針對阻攔系統(tǒng)中鋼索檢測的相關(guān)技術(shù)研究可以公開查閱到的資料較少，而在無損檢測領(lǐng)域中，漏磁檢測技術(shù)是檢測鋼絲繩較為常用的方法之一，具有原理簡單、設(shè)備靈活、信噪比良好等優(yōu)勢測，借鑒工業(yè)鋼絲繩的檢測經(jīng)驗(yàn)，將該檢測技術(shù)應(yīng)用于航母阻攔系統(tǒng)中鋼索的檢測。

在針對鋼絲繩的漏磁檢測技術(shù)研究上，康宜華等較早的對磁化方式進(jìn)行了論述，研究了勵(lì)磁磁路，提出了磁化器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；Norouzi等采用有限元分析方法，對磁化器極靴長度進(jìn)行優(yōu)化，使被測件內(nèi)磁通分布盡可能均勻，從而獲得更好的缺陷信號；鬲隨甲采用永磁激勵(lì)，優(yōu)化勵(lì)磁器結(jié)構(gòu)，降低干擾磁場；Wu等開發(fā)了斜拉橋缺陷檢測系統(tǒng)，采用磁橋路法磁化技術(shù)進(jìn)行磁化，對拉索內(nèi)部損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Jomdecha等研究了鋼絲繩漏磁場的空間分布，研制傳感器，采用直流通電線圈磁化鋼索，并采用印刷電路制作檢測線圈：周郁明采用永磁鐵對鋼絲繩進(jìn)行勵(lì)磁，選擇磁敏檢測元件提取信號，對鋼絲繩斷絲缺陷進(jìn)行研究分析：Maldonado等提出嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)檢測裝置用于大直徑橋梁鋼索的檢測，采用貼片線圈進(jìn)行磁信號采集。

以上研究均是基于漏磁技術(shù)對鋼絲繩進(jìn)行檢測。本文針對航母阻攔系統(tǒng)中鋼索進(jìn)行檢測技術(shù)的研究，基于其實(shí)際工作環(huán)境的需要，設(shè)置傳感器，搭建檢測試驗(yàn)平臺，制作缺陷，對航母阻攔系統(tǒng)中滑輪組索進(jìn)行檢測試驗(yàn)。

1檢測原理

航母阻攔系統(tǒng)中鋼索具有良好的鐵磁性，鋼索發(fā)生損傷時(shí)在外加磁場的作用下會導(dǎo)致其表面或內(nèi)部磁特性產(chǎn)生變化，通過捕捉或檢測這種變化信息并進(jìn)行分析，即可判斷鋼索中是否存在缺陷或者損傷。

航母阻攔系統(tǒng)中鋼索是型號特殊的鋼絲繩，具有單絲數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，其檢測技術(shù)是一個(gè)難點(diǎn)。由于其工作環(huán)境特殊，阻攔系統(tǒng)中鋼索與普通工業(yè)鋼絲繩的區(qū)別在于其需要頻繁承受巨大的沖擊力，并且在受力過程中鋼索的多個(gè)部位經(jīng)常處于彎折狀態(tài)，這就使得鋼索容易形成斷絲及局部金屬截面積變化等問題。艦載機(jī)的阻攔對阻攔系統(tǒng)各部分構(gòu)件的工作性能要求都非常高，鋼索的斷絲或金屬截面積的過度損失等均可能造成嚴(yán)重的后果，因此，檢測的重點(diǎn)是鋼索的斷絲缺陷及金屬截面積的變化。

根據(jù)工業(yè)鋼絲繩的損傷類型，通常將檢測方法分為兩種，其一是局部缺陷型檢測法，主要獲取鋼絲繩表面局部缺陷信號，如斷絲、局部形狀異常等缺陷，其基本原理如圖2所示，該方法將磁敏元件貼近鋼絲繩，測量斷絲處漏磁信號。

另一種是金屬截面損失型檢測法，該方法通過檢測鋼絲繩磁通量的變化，獲取因腐蝕、磨損、斷絲等缺陷而導(dǎo)致的鋼絲繩金屬截面積變化信息，根據(jù)磁通的測量方法不同，可分為主磁通測量法和回路磁通測量法，在測量回路中增加一道輔助磁化回路，形成磁橋路，該種回路磁通測量法基本原理如圖3所示，利用霍爾元件測量磁橋路中磁通量，根據(jù)磁化回路的計(jì)算得到主磁路的磁通量變化情況，從而獲得鋼絲繩的金屬截面積變化情況。

2試驗(yàn)設(shè)置

2.1試驗(yàn)平臺

檢測臺架如圖4所示，主要由固定軌道與兩端液壓裝置組成，將鋼索放置到臺架上，由兩端液壓裝置將鋼索拉緊并固定，以便于檢測試驗(yàn)。漏磁檢測裝置由檢測探頭、數(shù)據(jù)線、儀表箱等組成。其中探頭由環(huán)式永磁體、環(huán)式銜鐵、環(huán)式磁敏傳感器、探頭體殼、手柄等構(gòu)成；而儀表箱則由信號放大處理器、電源、信號顯示及軟件操作系統(tǒng)組成。

2.2檢測探頭設(shè)置

2.2.1磁化器設(shè)置

基于漏磁檢測，在磁化方式上根據(jù)勵(lì)磁磁源分為線圈磁化和永磁磁化兩種，線圈磁化一般是利用電源供電使線圈產(chǎn)生磁場對鋼絲繩進(jìn)行磁化，能根據(jù)使用需求調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場大小：永磁磁化的方式以永磁鐵作為勵(lì)磁源對鋼絲繩進(jìn)行磁化，磁化磁場的大小根據(jù)永磁體的材料及磁化回路的結(jié)構(gòu)而定，不易隨現(xiàn)場需要而調(diào)節(jié)。在磁化方式的選擇上，由于阻攔索的型號固定，采用固定的永磁鐵及磁化回路能夠滿足阻攔索的磁化需求，并且永磁磁化方式具有體積小、質(zhì)量輕、無需電源等特點(diǎn)，使得檢測探頭相對方便、靈活、質(zhì)量輕，適宜現(xiàn)場檢測的實(shí)際需求。

2.2.2傳感器設(shè)置

航母阻攔系統(tǒng)中鋼索處于海洋環(huán)境，并且工作情況特殊，在使用過程中，阻攔索會受到艦載機(jī)的巨大沖擊，而滑輪組索在與滑輪的相互作用中磨損劇烈，所以鋼索的損傷情況較為復(fù)雜，腐蝕、斷絲、繩徑變細(xì)、局部變形等均可能發(fā)生。根據(jù)損傷特點(diǎn)，結(jié)合LF檢測法及LMA檢測法設(shè)置檢測傳感器，以便結(jié)合兩種檢測方式的優(yōu)勢，對鋼索的斷絲及金屬截面積損失進(jìn)行重點(diǎn)檢測。

漏磁檢測中磁場的采集一般有電感元件、霍爾元件、磁敏電阻等檢測元件。電感元件通過線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流，測量的是磁場的相對變化量，對空間域上高頻率磁場信號具有比較高的敏感性，在LF型損傷的檢測上具有較好的檢測效果：霍爾元件檢測磁信號的原理基于霍爾效應(yīng)，將通過控制電流的霍爾元件置于垂直于控制電流的磁場中即可產(chǎn)生霍爾電壓，能夠測量絕對磁場大小，常用于LMA型損傷的檢測㈣。因此，將電感元件與霍爾元件兩種磁敏元件組合制作環(huán)形陣列傳感器，如圖5所示。

2.3缺陷制作

2.3.1斷絲缺陷制作

參照斷絲缺陷的制作標(biāo)準(zhǔn)配置鋼索斷絲缺陷，在圖4所示的鋼索中進(jìn)行試驗(yàn)研究，該段鋼索長度約11.5m，其中除去兩端固定，實(shí)際檢測長度約為10.8m。在鋼索上制作的缺陷有11處，如圖6所示，距離所選起點(diǎn)位置約1.4，2.2，2.5，2.9m處分別制作單根斷絲缺陷，缺口大小分別為1.5，3.0，6.0，12.0mm；在3.7，6.0，9.0m處分別制作兩根斷絲缺陷，缺口大小分別為1.5，3.0，6.0mm；在9.6m處制作三根斷絲缺陷，斷口大小為1.5mm；在4.5，5.1，7.7m處制作切痕缺陷。

2.3.2金屬截面積損傷缺陷制作

另選取一段長約為60cm的鋼索進(jìn)行試驗(yàn)研究，如圖7所示，第1部分為未制作缺陷的鋼索；第2部分截取1根單絲，長度約為5cm；第3部分截取2根單絲，長度約為5cm；第4部分截取3根單絲，長度約為5cm。

3檢測試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1斷絲檢測

使用該檢測系統(tǒng)對制作的斷絲缺陷進(jìn)行檢測試驗(yàn)，打開儀表箱檢測開關(guān)，將檢測探頭安裝在鋼索上，從圖7所示的起點(diǎn)位置開始沿軸向勻速移動檢測探頭，得到檢測信號，為了考察試驗(yàn)的可重復(fù)性，進(jìn)行3次試驗(yàn)，由于鋼索繩股之間存在縫隙，會檢測到股間信號，對缺陷的判別形成干擾，對檢測信號設(shè)定閾值，濾除繩股信號，便于信號的識別，3次檢測的原始信號及處理后信號如圖8～圖10所示。

從圖中3次檢測的信號可以看出，該設(shè)備具有較好的重復(fù)性，曲線為4路電感元件通道所采集到磁場信號曲線組合而成，將缺陷位置圖放入信號圖中與檢測缺陷進(jìn)行對比，所制作的缺陷均能夠通過儀器檢測出，并且具有良好的信噪比，但位置不能完全對應(yīng)，其原因是該信號圖為時(shí)間電壓信號，檢測位置與檢測時(shí)設(shè)備移動的速度有關(guān)。

分析各缺陷所對應(yīng)的檢測幅值信號，如圖11所示，在信號圖中前4個(gè)信號為單根斷絲缺陷信號，可以發(fā)現(xiàn)隨著斷絲斷口長度的增加，信號的幅值有所減?。罕容^斷絲數(shù)量不同的信號，發(fā)現(xiàn)斷絲數(shù)量增加，信號幅值有所增加；圖中第4.5，5.1，7.7m處缺陷為切痕缺陷，該種類缺陷損傷較小，其信噪比也較小，但在信號圖中也能夠識別出這幾處缺陷。

3.2截面積損傷檢測

霍爾元件能夠測量靜態(tài)磁場，使用該檢測裝置對圖7中制作的損傷進(jìn)行檢測試驗(yàn)，首先將檢測探頭置于圖示第I部分，獲取磁場信息測得靜態(tài)電壓值，然后依次置于第II、III、Ⅳ部分進(jìn)行測量，檢測所得信號如圖12所示。

信號圖為時(shí)間電壓信號，圖中曲線為霍爾元件通道所采集到磁場信號曲線，圖中幅值信號分為4個(gè)部分，第1段對應(yīng)未制作缺陷部分，其輸出幅值約為1900mV，第2段對應(yīng)截取一根斷絲部分，其輸出幅值約為1925mV，第3段為截取兩根斷絲部分，其輸出幅值約為1970mV，第4段為截取3根斷絲部分，輸出幅值約為2000mV，4個(gè)部分問的信號波動為移動檢測探頭產(chǎn)生的噪聲信號。由檢測結(jié)果可知，隨著阻攔索斷絲數(shù)量的增加，電壓幅值呈增加趨勢，可以反映出阻攔索金屬截面積的變化。

4結(jié)束語

為了有效檢測航母阻攔系統(tǒng)中鋼索損傷缺陷，搭建檢測臺架，制作模擬缺陷，借鑒工業(yè)鋼絲繩檢測方法，基于漏磁檢測技術(shù)，設(shè)置檢測探頭，并進(jìn)行檢測試驗(yàn)研究。從檢測信號分析可以得出，該儀器具有比較好的重復(fù)性，所設(shè)置的檢測探頭能夠檢測出制作的模擬斷絲缺陷及截面積變化缺陷，并具有較好的信噪比。