電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測技術(shù)

饒曉慧

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 河南省新鄭市 451191）

相比于傳統(tǒng)的鋼絲繩來說，在電梯中引入鋼帶進(jìn)行傳動與承重能夠獲取更高曳引力，因此在當(dāng)前得到了更為廣泛的應(yīng)用。為了確保電梯鋼帶的性能得到最大程度的發(fā)揮，必須要定期落實(shí)電磁無損檢測，判斷電梯鋼帶的疲勞程度以及存在的損傷缺陷，實(shí)施針對性處理，體現(xiàn)出對電梯鋼帶應(yīng)用安全性的維護(hù)。

1 電磁無損檢測的主要原理分析

對于電磁無損檢測而言，其主要應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律對金屬缺陷進(jìn)行確定，實(shí)踐中，主要對金屬構(gòu)件進(jìn)行磁化處理，此時，若是金屬構(gòu)件中存在缺陷，那么缺陷區(qū)域的磁阻就會呈現(xiàn)出增大的趨勢，依托漏磁即可迅速確定出金屬構(gòu)件中是否存在缺陷以及缺陷的所在位置。

如果存在某一由鐵磁材料制作而成的組織均勻的零件，如果其中不存在缺陷，那么該零件各個位置的導(dǎo)磁率均穩(wěn)定在相同水平，即便經(jīng)過磁化處理，所呈現(xiàn)出的磁感線分布也呈現(xiàn)出均勻狀態(tài)。相對應(yīng)的，若是該零件內(nèi)存在缺陷，則受到空氣、真空、非磁性材料等多種因素的影響，相應(yīng)缺陷位置的導(dǎo)磁率會處于較低水平，磁力線在通過該缺陷位置時，會受到更大磁阻的影響，促使其磁力線的分布情況發(fā)生改變。根據(jù)這樣的原理及對應(yīng)現(xiàn)象，相關(guān)人員可以在不損壞零件的基礎(chǔ)上，迅速確定其中是否存在缺陷，并準(zhǔn)確定位缺陷所在位置。

2 電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測主要內(nèi)容分析

2.1 電梯鋼帶的常見缺陷

在針對電梯鋼帶展開電磁無損檢測的過程中，主要對電梯鋼帶的局部缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷以及金屬截面缺陷展開檢測，這些也是電梯鋼帶的常見缺陷。其中，局部缺陷主要為電梯鋼帶出現(xiàn)的斷絲、斷股或是窩絲等缺陷；結(jié)構(gòu)缺陷主要為電梯鋼帶自身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形，包括畸變、漏絲、松絲等缺陷；金屬截面缺陷主要為電梯鋼帶的腐蝕、變細(xì)、大面積磨損等缺陷。在當(dāng)前的實(shí)踐中，更多將電磁無損檢測技術(shù)應(yīng)用于對電梯鋼帶局部損傷以及金屬截面損傷的檢測方面，同時，要切實(shí)參考缺陷實(shí)際情況與檢測現(xiàn)實(shí)需求，選取更為合適的電磁無損檢測技術(shù)。

2.2 電梯鋼帶電磁無損檢測的常用方法

2.2.1 漏磁法

該方法在對電梯鋼帶疲勞與損傷展開電磁無損檢測時更加常用，技術(shù)成熟度也相對較高。實(shí)踐中，主要通過外加強(qiáng)大的磁場對鐵磁性材料進(jìn)行磁化到飽和，當(dāng)被磁化的鐵磁材料存在缺陷時，即在材料表面形成漏磁場。檢測線圈或霍爾元件檢測到漏磁場并將其轉(zhuǎn)化成電流或電壓的大小，以此反映缺陷的大小和位置。

2.2.2 聲發(fā)射法

該方法主要應(yīng)用聲發(fā)射這種常見的物理現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶的無損檢測。實(shí)踐中，在聲發(fā)射源發(fā)射出彈性波，該彈性波在傳遞至鐵磁性材料表面時，會引起聲發(fā)射傳感器探測的表面位移；這些探測器將材料的機(jī)械振動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并對其進(jìn)行放大、處理與記錄，由此識別材料變形或斷裂時產(chǎn)生的微小聲波，最終達(dá)到電磁無損探傷的效果。

2.2.3 超聲波法

該方法主要利用超聲波可以在材料中以一定的速度和方向傳播，且在遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會產(chǎn)生反射的原理實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶的無損檢測[1]。當(dāng)超聲波遇到缺陷后，存在部分反射能量會沿著原路徑返回至探頭區(qū)域，由探頭將這些反射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，并在放大處理后，在示波管熒光屏上直觀顯現(xiàn)出來。結(jié)合對缺陷反射波位置以及幅度的分析，即可判斷出電梯鋼帶中存在缺陷的位置以及尺寸。

2.2.4 渦流法

該方法主要利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶的無損檢測。實(shí)踐中，主要在檢測線圈的支持下形成交變磁場，并將能量傳遞給被檢導(dǎo)體，在交變磁場的支持下實(shí)現(xiàn)對被檢測導(dǎo)體中質(zhì)量信息的獲取。在此過程中，可以將檢測線圈視為換能器，其技術(shù)參數(shù)、規(guī)格以及形狀均會對最終檢測結(jié)果造成較大影響。在應(yīng)用渦流法展開對電梯鋼帶的無損檢測的過程中，需要切實(shí)參考電梯鋼帶的材質(zhì)、尺寸大小、質(zhì)量要求完成檢測線圈的選定，體現(xiàn)出對最終檢測結(jié)果可靠程度的更好維護(hù)。

2.2.5 電流法

該方法主要利用歐姆定律的原理實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶的無損檢測。實(shí)踐中，將電流通入電梯鋼帶中，并對其電阻值展開測量，以此判斷電梯鋼帶的斷面情況。相比于其他電磁無損檢測方法來說，電流法的操作簡單程度更高，但是極容易受到多種因素的影響。

2.2.6 射線法

該方法主要利用射線（包括X射線、γ射線、中子射線等）能夠簡單穿透物質(zhì)的特性實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶的無損檢測。實(shí)踐中，射線照相法更為常用，其主要選定X射線或γ射線作為穿透構(gòu)件的射線，并依托膠片實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的記錄[2]，可以在不損傷電梯鋼帶構(gòu)件的條件下更為直觀的生成內(nèi)部缺陷圖像信息，相應(yīng)結(jié)果也能夠長時間保存，對于體積型缺陷（包括氣孔、夾渣等缺陷）有著極為理想的檢出率。但是，針對一些面積型缺陷（包括如裂紋、末熔合類缺陷等等），如果在拍攝照片時未選好角度，則極容易發(fā)生漏檢問題。

2.2.7 磁粉檢測法

該方法主要依托磁場的施加使得被檢測構(gòu)件磁化，此時，構(gòu)件的表面、近表面缺陷區(qū)域所存在的缺陷會逸出磁力線，由此構(gòu)成漏磁場，實(shí)現(xiàn)對施加與構(gòu)件表面上的磁粉的迅速吸附，形成聚集磁痕，顯現(xiàn)出構(gòu)件表面、近表面的缺陷。需要注意的是，磁粉檢測法只能夠?qū)崿F(xiàn)對電梯鋼帶表面、近表面缺陷區(qū)域所存在缺陷的無損檢測，但是如果想要對更深層的缺陷實(shí)施無損檢測，則要應(yīng)用其他檢測方法，如超聲波法、射線法等等。

2.2.8 巴克豪森噪聲法

當(dāng)鐵磁材料長期承受應(yīng)力后，容易出現(xiàn)殘余應(yīng)力或是疲勞損傷，依托巴克豪森噪聲法可以實(shí)現(xiàn)對這些情況的準(zhǔn)確識別。實(shí)踐中，主要依托低頻交流信號對鐵磁材料進(jìn)行勵磁，結(jié)合交流磁場的引入，巴克豪森噪聲信號生成。對于巴克豪森噪聲信號而言，其在應(yīng)力、溫度、鐵磁材料顯微結(jié)構(gòu)的影響下會產(chǎn)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶的無損檢測。

3 電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 技術(shù)優(yōu)化的主要思路

出于對進(jìn)一步強(qiáng)化電梯鋼帶疲勞及損傷的電磁無損檢測結(jié)果精準(zhǔn)程度的考量，同時實(shí)現(xiàn)對檢測操作的簡化，在本次研究中，主要應(yīng)用漏磁無損檢測技術(shù)以及巴克豪森噪聲無損檢測技術(shù)，構(gòu)建起相應(yīng)的無損檢測勵磁裝置。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真軟件對相應(yīng)無損檢測勵磁裝置展開有限元仿真驗(yàn)證，確定相應(yīng)裝置的設(shè)計具有實(shí)效性與科學(xué)性。

3.2 電梯鋼帶磁路設(shè)計

3.2.1 巴克豪森噪聲無損檢測磁路的設(shè)計

應(yīng)用巴克豪森噪聲無損檢測技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)對電梯鋼帶顯微組織變化、溫度應(yīng)力與殘余應(yīng)力的檢測[3]，在本次研究中，依托常用巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的結(jié)構(gòu)，提出一種新的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置設(shè)計方案。在該新的勵磁裝置中，包含著激勵線圈兩個，并促使其所產(chǎn)生電磁信號的方向、相位保持在抑制水平，實(shí)現(xiàn)由兩個激勵線圈同時完成對電梯鋼帶的勵磁。同時，使用物理手段將這兩個激勵線圈落實(shí)連接處理。相比于常用巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置而言，本文提出的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置設(shè)計方案中不包含磁軛，所以裝置整體的體積更小。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，在電梯鋼帶上纏繞線圈，可以實(shí)現(xiàn)對整個電梯鋼帶內(nèi)部鋼絲繩表面損傷情況的檢測；實(shí)踐中，交流磁場能夠完全貫穿整個鋼絲繩內(nèi)部，這意味著，依托該巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對電梯鋼帶疲勞與損傷情況的檢測。

在構(gòu)建該巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的過程中，為了確保其與一般性鋼絲繩無損檢測的方向保持一致，主要設(shè)定軸向?yàn)殇搸чL度方向；設(shè)定周向?yàn)殇搸挾确较?；設(shè)定法向?yàn)殇搸Ш穸确较颍瑫r，將鋼帶長度方向確定為檢測線圈傳感器的敏感方向，承擔(dān)起檢測巴克豪森噪聲信號（軸向）的任務(wù)。此時，若想要對法向巴克豪森噪聲信號實(shí)施檢測，則影響設(shè)定鋼帶厚度方向?yàn)闄z測方向。

3.2.2 漏磁無損檢測磁路的設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)對漏磁無損檢測效果的強(qiáng)化，本研究依托常用漏磁無損檢測勵磁裝置，設(shè)計了一種新的勵磁磁路。實(shí)踐中，主要選用磁軛-磁極-磁軛的方式作為新漏磁無損檢測勵磁裝置的勵磁磁路，促使磁軛與鋼絲繩之間緊密接觸，并設(shè)定與檢測空腔的兩端，以此承擔(dān)起導(dǎo)磁的任務(wù)；在檢測空腔的正上方區(qū)域設(shè)定磁極，以此承擔(dān)起對鋼絲繩實(shí)施勵磁的任務(wù)。對于該新的漏磁無損檢測勵磁裝置而言， 其主要包含著四個磁軛以及兩個磁極，其中，裝置中所引入的磁軛均應(yīng)用磁導(dǎo)率相對較高的材料，并參考現(xiàn)實(shí)需要對磁軛形狀實(shí)施調(diào)整；裝置中所引入的磁極方向保持在一致水平，且磁極兩級的面積大小始終穩(wěn)定在相同水平，并不根據(jù)鋼絲繩形狀的變化而做出調(diào)整。依托這樣的磁極設(shè)計，促使充磁的簡單程度進(jìn)一步加深，也使得現(xiàn)實(shí)充磁方向與理想充磁方向更為貼近。另外，可以參考現(xiàn)實(shí)需要對檢測空腔的大小展開優(yōu)化調(diào)整，以此推動本漏磁無損檢測勵磁裝置的靈活程度及進(jìn)一步提高。

3.3 電磁場有限元仿真

3.3.1 巴克豪森噪聲勵磁裝置仿真驗(yàn)證

將相同的交流電流分別通入前文提出的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置以及常用的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置中，在相同的時間條件下，對電梯鋼帶內(nèi)部鋼絲繩的勵磁強(qiáng)度分布情況進(jìn)行提取。結(jié)果表明，在同一時刻下，新巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的勵磁強(qiáng)度穩(wěn)定在200-500毫特斯拉的范圍內(nèi)，相比于常用巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置的勵磁強(qiáng)度而言，處于更高水平。對新裝置與常用裝置的勵磁強(qiáng)度分布均勻程度進(jìn)行對比能夠了解到，新裝置在整個勵磁長度內(nèi)，針對鋼絲繩的勵磁強(qiáng)度分布均勻水平更為理想，特別是處于中間的鋼絲繩勵磁的一致程度更好。同時，結(jié)合新裝置設(shè)計方案可以得出，該裝置不僅能夠完成對軸向巴克豪森噪聲信號的檢測，還可以實(shí)現(xiàn)對法向巴克豪森噪聲信號的檢測。綜合而言，相比于常用的巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置來說，本文提出的新巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置在勵磁強(qiáng)度方面有著更優(yōu)性能。

3.3.2 多磁軛勵磁裝置仿真驗(yàn)證

對于前文提出的新漏磁無損檢測勵磁裝置而言，由于其中納入了多個磁軛以及磁極，所以可以視為多磁軛勵磁裝置[4]。在仿真軟件中搭建起新裝置的三維模型，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，仿真模擬過程中，能夠觀察到波形存在輕微抖動，但是相比于常用的漏磁無損檢測勵磁裝置而言，新裝置在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的波形抖動幅度更低。對比常用漏磁無損檢測勵磁裝置在電梯鋼帶出現(xiàn)缺陷時的法向漏磁信號產(chǎn)生情況來看，在靠近缺陷位置的條件下，兩種裝置的的法向上的缺陷漏磁場強(qiáng)度之間并不存在較為明顯的差異性，新裝置的漏磁信號峰值略微較大；而在遠(yuǎn)離缺陷位置的條件下，兩種裝置的的法向上的缺陷漏磁場強(qiáng)度之間存在較為明顯的差異性，新裝置的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常用裝置。

引入三維精調(diào)電梯鋼帶模型，對比新裝置與常用裝置應(yīng)用條件下顯現(xiàn)出缺陷漏磁信號的分布情況，結(jié)果表明，當(dāng)模型、缺陷均保持一致的情況下，兩裝置產(chǎn)生的缺陷漏磁信號分布形狀基本保持一致，只是在強(qiáng)度方面具有一定差別。綜合來說，多磁極勵磁裝置（新漏磁無損檢測勵磁裝置）仿真驗(yàn)證得到的結(jié)果如下：新裝置的勵磁四個磁軛以及來兩個磁極，這四個磁軛承擔(dān)著導(dǎo)磁的任務(wù)，而兩個磁極則承擔(dān)著對鋼絲繩實(shí)施勵磁的任務(wù)；在對電梯鋼帶相同位置以及大小一致的缺陷展開檢測的過程中，新裝置所產(chǎn)生的漏磁信號強(qiáng)于常用裝置，且在法向與軸向均能夠檢測到漏磁信號的存在；新裝置的勵磁由兩個磁極承擔(dān)，且磁軛之間的距離穩(wěn)定在5毫米，所以相比于常用裝置（四個磁極，磁極間距20毫米）而言，新裝置在重量與體積方面均處于較低水平。整體來看，本文設(shè)計的新漏磁無損檢測勵磁裝置有著更為理想的性能，在電梯鋼帶電磁無損檢測中能夠發(fā)揮出更好效果。

4 總結(jié)

綜上所述，相比于常用裝置來說，基于雙線圈的新巴克豪森噪聲無損檢測勵磁裝置以及多磁軛勵磁裝置在進(jìn)行電梯鋼帶電磁無損檢測的過程中能夠發(fā)揮更好的效果，相比于常用的勵磁裝置，新裝置有著更為理想的性能。