基于漏磁原理的鋼絲繩無損檢測勵磁結構設計與優(yōu)化

趙 旭,朱姿娜,2

(1.上海工程技術大學機械與汽車工程學院,上海 201620;2.上海市大型構件智能制造機器人技術協同創(chuàng)新中心,上海 201620)

0 引言

鋼絲繩作為一種撓性繩索,能起到傳遞、承重、定位等作用,成為工業(yè)生產、加工制造、交通運輸等行業(yè)的關鍵承載部件。但大多鋼絲繩工作條件惡劣,處于粉塵、潮濕、溫度變化較大的環(huán)境中,容易出現磨損、銹蝕、斷絲等損傷[1],從而影響生產效率,也會對安全帶來隱患。

目前針對鋼絲繩損傷的檢測方法主要有超聲波檢測法、光學檢測法、聲發(fā)射檢測法、振動檢測法等,其中漏磁檢測法被國內外學者公認為目前對鋼絲繩無損檢測最為有效的方法[2]。毛清華[3]等針對鋼絲繩磁化不均勻問題,對永磁環(huán)充磁方向進行了仿真分析對比;田劼[4]等對裝置銜鐵結構進行優(yōu)化設計,減小了裝置內部的漏磁通;熊力群[5]等提出了由三組永磁體組成的新型雙級勵磁結構;周俊瑩[6]等對永磁體結構采用輻射拼接的方式,提高了缺陷磁信號強度值。

本文對鋼絲繩漏磁檢測原理建立等效磁路模型,依據永磁體徑向充磁和軸向充磁組合方式提出一種新型勵磁結構;根據畢奧-薩伐爾定律分析了永磁體影響磁場強度的因素,并對勵磁結構的銜鐵厚度、銜鐵長度、永磁體厚度、永磁體長度、軸向永磁體間距等關鍵參數進行設計與優(yōu)化,最后通過對比已有勵磁結構的勵磁效果,驗證本文結構的優(yōu)越性。

1 漏磁檢測原理

1.1 永磁環(huán)磁場分析

磁化鋼絲繩是漏磁檢測的首要步驟,目前磁化種類有交流勵磁、直流勵磁、永磁體勵磁等;其中永磁體勵磁由于其勵磁組件無需電源及配套散熱設備、結構簡單等優(yōu)點,至今仍被廣泛應用[7]。由于環(huán)形永磁體可形成多勵磁回路,且勵磁對稱均勻,故勵磁源通常選用一對充磁方向相反的環(huán)形徑向永磁體。以下針對環(huán)形永磁體成對使用產生的磁場進行分析,結構簡圖如圖1所示。

圖1 環(huán)狀永磁體示意圖

基于畢奧-薩伐爾定律[8],環(huán)狀永磁體充磁方向為軸向且成對使用時磁場強度為[3]

(1)

式中:B(z)為永磁體軸線方向磁感應強度;Br1為左端環(huán)狀永磁體剩磁;Br2為右端環(huán)狀永磁體剩磁。

環(huán)狀永磁體充磁方向為徑向且成對使用時磁場強度為

B(z)=B1(z)+B2(z)

(2)

其中:

通過對永磁環(huán)的磁場分析可知,環(huán)形永磁體成對使用時,無論充磁方向為軸向或徑向,影響環(huán)形永磁體磁場強度的主要參數有磁環(huán)厚度、長度和間距。

1.2 漏磁檢測原理

鋼絲繩漏磁檢測原理如圖2所示。圖中永磁體、鋼絲繩、銜鐵、鋼絲繩與永磁體間的氣隙形成了完整的磁通回路;若鋼絲繩沒有損傷時,磁感線在磁通路中形成閉合回路[9],如圖2(a)所示;當鋼絲繩出現損傷時,因鋼絲繩內部已磁化至飽和,磁感線在缺陷處偏折到空氣中,如圖2(b)所示,此時偏折磁感線將被霍爾元件檢測到,磁信號轉化為電信號反饋給計算機,通過對反饋信號處理,判斷鋼絲繩的損傷特征[10]。

(a)鋼絲繩無缺陷

(b)鋼絲繩有缺陷圖2 漏磁檢測原理

對上述漏磁檢測模型,建立圖3所示的等效磁路圖進行分析。圖中,F為永磁體磁勢,R1為永磁體與鋼絲繩之間空氣形成的磁阻,R2為銜鐵與永磁體接觸部分形成的磁阻,R3為銜鐵自身磁阻,R4為銜鐵與鋼絲繩之間空氣形成的磁阻,R5為鋼絲繩磁阻,Φm為磁路主磁通,Φ1為銜鐵自身磁通,Φ2為銜鐵與鋼絲繩之間空氣中的磁通,Φ3為鋼絲繩磁通。

圖3 漏磁檢測等效磁路

基于基爾霍夫第一、第二定律[4]可得:

Φ1=Φ2+Φ3

(3)

R4Φ2=R5Φ3

(4)

F=R1Φm+(R2+R3)Φ1+R4Φ2

(5)

結合式(5)可看出,若要提高裝置磁通量,一方面可增大永磁體磁勢F,另一方面可減小裝置磁阻R。

2 勵磁結構設計

2.1 增加軸向充磁永磁體

結合圖2工作原理及圖3等效磁路,在裝置內部新增軸向充磁永磁體可增大磁通量,考慮到裝置成本,在不增加永磁體體積前提下,如圖4所示,將原勵磁結構圖4(a)中兩2個徑向充磁永磁體分為圖4(b)所示4個等體積大小永磁體,兩端永磁體仍采用徑向充磁(左端外S內N,右端外N內S),中間2個永磁體采用軸向充磁,因后續(xù)需安裝檢測元件,軸向永磁體間留有間距。

(a)原勵磁結構

(b)優(yōu)化后勵磁結構圖4 勵磁結構對比

圖4(b)所示軸向充磁永磁體充磁可分為左S右N,左N右S 2種,對其不同充磁方向進行分析對比。以總直徑26 mm、型號為6×19S+FC鋼絲繩為例,飽和磁感應強度約為1.8 T,永磁體材料為NdFe35,鋼絲繩材料為steel_1008,銜鐵材料為iron,整個裝置限制單元數為1 000,單元最大長度均為2 mm。

圖5為中間軸向充磁永磁體不同充磁方向的鋼絲繩磁化曲線圖,充磁方向為左S右N時,鋼絲繩磁化曲線大部分位于上方,最大磁化強度為2.140 T;充磁方向為左N右S時,鋼絲繩最大磁化強度為1.086 T。故勵磁裝置左端永磁體為外S內N,右端為外N內S,中間永磁體充磁方向為左S右N。

圖5 軸向永磁體不同充磁方向鋼絲繩磁化曲線圖

2.2 增加磁路屏蔽裝置

對圖5分析可知,新增軸向永磁體方向為左S右N時,被測鋼絲繩60～100 mm之間磁化強度曲線出現明顯下降,在90 mm左右曲線出現最低點,僅為0.261 T,為更直觀地顯示其磁感線分布,對裝置進行磁感線仿真分析,仿真結果如圖6所示。

從圖6可以看出,所增加軸向永磁體之間形成了與銜鐵中磁感線方向相反的磁感線,從而削弱整個磁通回路的磁感線密度,減小了磁化強度。為解決該問題,在裝置內部增加電磁屏蔽器,電磁屏蔽器材料選用軟磁性材料,制作成厚度為2 mm空心環(huán)形,安裝在裝置中心區(qū)域軸向永磁體之間,以阻斷軸向永磁體之間形成非必要的干擾磁感線。增加屏蔽器后的工作簡圖如圖7所示。

增加磁路屏蔽器前后鋼絲繩磁化曲線對比如圖8所示,可看出增加磁路屏蔽器后鋼絲繩磁化曲線得到了提高,呈現出M型,在40 mm和100 mm處鋼絲繩磁感應強度達到最大值,70 mm處為中間段最小磁感應強度。

圖8 增加磁路屏蔽器前后鋼絲繩磁化曲線對比

3 勵磁結構參數優(yōu)化及對比

3.1 結構參數分析

通過前文分析可知,影響裝置的主要參數有永磁體長度、永磁體厚度、銜鐵厚度、銜鐵長度及軸向永磁體的間距,下文針對以上參數進行仿真分析,仿真模型設置同上。

考慮裝置自重及成本因素,仿真模型永磁體長度分別為20、22.5、25、27.5、30 mm依次遞增,永磁體總長度與原裝置永磁體長度100 mm大致相等。鋼絲繩被測段在永磁體長度不同時最大和最小磁感應強度如圖9所示,最小磁感應強度指M型曲線中間最低點處磁感應強度。

圖9 單個永磁體長度不同時鋼絲繩磁化曲線

從圖9可看出鋼絲繩最大磁感應強度增長較規(guī)律,但20 mm時最小磁場強度為1.659 T,25 mm時為1.772 T,增幅強度為0.113 T,增幅約6.8%;30 mm時最小磁場強度為1.826 T,增幅強度為0.054 T,增幅約為3.0%,說明永磁體長度增加到一定值時,對裝置磁場強度影響變小,故永磁體長度25 mm時較為適合。

永磁體長度不變時,徑向和軸向充磁永磁體厚度越厚,其磁場強度越大,式(5)中等式左端永磁體磁勢F增加,等式右端永磁體與鋼絲繩之間空氣形成的磁阻減小,因此整個裝置磁通量增大。環(huán)形永磁體磁阻公式為

(6)

式中:D為永磁體寬度;Rm為環(huán)形永磁體內徑。

寬度增加則磁阻增大,使得磁勢F增幅減小,因此單個永磁體厚度應合理選擇,本文永磁體長度以21、23、25、27、29 mm依次遞增。

圖10為永磁體厚度不同時鋼絲繩磁化曲線。圖10中,27 mm時最大磁感應強度為2.220 T,最小磁感應強度為1.852 T,相對21 mm時最大磁感應強度增大約0.111 T,最小磁感應強度增大約0.203 T,而從27 mm增加到29 mm時最大磁感應強度僅增大0.004 T,最小磁感應強度增大僅0.032 T,永磁體厚度定為27 mm。

圖10 永磁體厚度不同時鋼絲繩磁化曲線

根據式(5),銜鐵厚度增大時R3增大,其余參數不變,由于F保持不變,故裝置中磁通量將減小,勵磁效果減弱;但銜鐵厚度過小,勵磁易磨損,裝置使用壽命減少,因此將銜鐵厚度11 、13 、15 、17 、19 mm對比,如圖11所示。

圖11 銜鐵厚度不同時鋼絲繩磁化曲線

如圖11所示,銜鐵厚度對鋼絲繩磁化強度影響較小,但銜鐵厚度為19 mm時最小磁感應強度相對17 mm下降較為明顯,下降約0.112 T,綜合考慮銜鐵厚度定為15 mm。

銜鐵長度增加,式(5)中R3增大,銜鐵過長時左右端徑向充磁永磁體間距變大,永磁體磁勢F減小;但銜鐵過短,鋼絲繩磁化長度小,工作效率低。因此將銜鐵長度為210、213、215、217、219 mm進行仿真對比,其結果如圖12所示。

從圖12可以看出,銜鐵長度對鋼絲繩最大磁感應強度總體影響較小,銜鐵長度增加到217 mm時最小磁化強度下降相對明顯,下降約0.051 T,銜鐵長度為215 mm更合適。

根據式(1),軸向充磁永磁體間距越小,產生的磁場越強,軸向永磁體間距過小裝置拆卸不便,且磁路屏蔽裝置安裝困難,結合銜鐵長度,軸向永磁體間距從40 mm逐步增加到56 mm,步長為4 mm,仿真結果對比如圖13所示。

圖13 軸向永磁體間距不同時鋼絲繩磁化曲線

圖13中,最大磁感應強度基本不變,最小磁感應強度變化較大。間距從40 mm增加到44 mm,最低磁化強度由1.784 T降為1.743 T,降低了0.041 T,約2.2%;間距從44 mm增加到48 mm,最小磁化強度由1.743 T降為1.674 T,降低了0.069 T,約3.9%,下降趨勢更明顯,綜合考慮軸向永磁體間距選為44 mm。

3.2 勵磁結構對比

為驗證本裝置的優(yōu)越性,與已有勵磁結構進行對比分析。對比例1的永磁體采用輻射拼接的方法,扇形永磁體組成左右端環(huán)狀永磁體,增大了鋼絲繩磁化飽和區(qū)域長度;對比例2在磁敏原件檢測區(qū)域安裝屏蔽殼,消除了裝置內漏磁通,增加鋼絲繩磁感應強度。裝置結構圖對比如圖14所示。

(a)原裝置

(b)對比例1

(c)對比例2

(d)本裝置圖14 不同裝置結構簡圖

圖14所示不同裝置鋼絲繩磁化曲線如圖15所示,原裝置最大磁感應強度為2.121 T,鋼絲繩飽和長度為70 mm;對比例1的最大磁感應強度為2.204 T,飽和長度為77 mm;對比例2的最大磁感應強度為2.184 T,飽和長度為68 mm;本裝置70 mm處是最小磁感應強度為2.061 T,仍大于飽和磁感應強度,最大磁感應強度為2.308 T,鋼絲繩飽和長度為87 mm,對比原裝置,最大磁感應強度提高約8.8%,飽和長度提高約24%。

圖15 鋼絲繩磁化曲線對比圖

4 結論

本文結合鋼絲繩漏磁檢測原理及等效磁路,對裝置勵磁結構進行優(yōu)化設計,在永磁體總體積大約保持不變的情況下,將徑向充磁永磁體和軸向充磁永磁體組合使用,共同構成勵磁源,并在軸向充磁永磁體之間設置電磁屏蔽器,避免干擾磁感線,提高鋼絲繩中間段的勵磁效果。通過對永磁環(huán)的磁場分析得出裝置中影響勵磁效果的主要參數,通過有限元分析對裝置進行參數優(yōu)化,確定裝置最終勵磁效果。 對比原裝置及已有改進裝置,本裝置勵磁效果更強,勵磁范圍更長;相比原裝置鋼絲繩最大磁化強度提高約8.8%,飽和長度提高約24%。本文的研究可為鋼絲繩漏磁檢測裝置的設計和實驗提供參考。