摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)易受干擾等問題，本文對(duì)常見的鋼絲繩漏磁檢測(cè)方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先采用Comsol建立了鋼絲繩漏磁檢測(cè)的有限元模型，進(jìn)行磁場(chǎng)信號(hào)仿真，確定合適的磁化方式及參數(shù)。再模擬鋼絲繩動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程，對(duì)損傷處的漏磁場(chǎng)特征進(jìn)行仿真分析，得到最優(yōu)的檢測(cè)參數(shù)。為了降低測(cè)量過程中的震動(dòng)等干擾，增加了聚磁裝置。通過仿真結(jié)果表明，檢測(cè)元件的提離值變大，降低干擾的同時(shí)也保證了漏磁信號(hào)檢測(cè)分辨率。

關(guān)鍵詞：Comsol;電梯鋼絲繩;漏磁檢測(cè);聚磁裝置;

電梯曳引鋼絲繩用于懸掛轎廂和對(duì)重，利用曳引輪與鋼絲繩之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)轎廂和對(duì)重運(yùn)行。鋼絲繩通常暴露在電梯井道中，工作環(huán)境較為惡劣，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易出現(xiàn)斷絲、磨損等情況，給電梯運(yùn)行帶來了很大的安全隱患，故鋼絲繩的定期檢測(cè)極其重要。目前鋼絲繩檢測(cè)通常采用電磁無損檢測(cè)技術(shù)，其中應(yīng)用最多的是漏磁檢測(cè)法，即通過測(cè)量鋼絲繩損傷處周圍的漏磁場(chǎng)來判斷損傷程度[1]。雖然漏磁檢測(cè)法應(yīng)用較為廣泛，但是其依然存在一些不容忽視的缺點(diǎn)，如不易分辨損傷類別、漏磁信號(hào)不明顯、易受干擾，特別是動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)的振動(dòng)以及相鄰鋼絲繩對(duì)損傷處的漏磁信號(hào)易產(chǎn)生干擾。

本文通過COMSOL有限元仿真分析軟件，建立電梯鋼絲繩檢測(cè)模型，模擬電梯鋼絲繩損傷動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程，對(duì)常見的鋼絲繩漏磁檢測(cè)方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定漏磁檢測(cè)中的關(guān)鍵參數(shù)，提高漏磁信號(hào)檢測(cè)的分辨率。

1 漏磁檢測(cè)基本分析

1.1 檢測(cè)對(duì)象分析

本研究的檢測(cè)對(duì)象為乘客電梯所用的鋼絲繩，常用的規(guī)格一般為8×19S+FC-13mm, 其直徑為13mm。電梯鋼絲繩主要由股芯、繩芯、內(nèi)外層鋼絲組成[2],其中內(nèi)外鋼絲纏繞股芯構(gòu)成繩股，多根繩股圍繞繩芯呈螺旋狀捻制成鋼絲繩。電梯鋼絲繩的主要材質(zhì)為鋼絲，通常采用導(dǎo)磁性能良好的碳素鋼制成[3]。電梯鋼絲繩常見的損傷主要有斷絲、鋼絲的蝕坑、較深的鋼絲磨損等[4]。

1.2 漏磁檢測(cè)原理

漏磁檢測(cè)是利用鐵磁性材料被磁化之后，檢測(cè)外圍是否存在可被分辨的漏磁場(chǎng)信號(hào)，從而辨別是否存在裂紋等損傷情況。如圖1所示，在鋼絲繩外圍的磁源及導(dǎo)磁連接體提供了磁場(chǎng)，沿主磁路方向磁化鋼絲繩，在其表面幾乎沒有磁場(chǎng)。當(dāng)鋼絲繩表面出現(xiàn)斷絲等缺陷時(shí)，由于斷口間氣隙的磁導(dǎo)率很小，斷絲處磁阻增大，部分磁力線沿著斷口處到氣隙中形成漏磁場(chǎng)[5],通過檢測(cè)漏磁信號(hào)的有無及強(qiáng)度等參數(shù)來辨別鋼絲繩是否存在損傷及損傷位置。

圖1 漏磁檢測(cè)示意圖 

2 電梯鋼絲繩漏磁檢測(cè)仿真分析

2.1 仿真模型建立

本文利用Comsol建立鋼絲繩漏磁檢測(cè)模型進(jìn)行仿真分析，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建立二維平面的檢測(cè)模型，如圖2所示。模型中采用圓柱鋼棒模擬鋼絲繩，其參數(shù)設(shè)置如下：直徑130mm, 長(zhǎng)度500mm, 其材料選用45#碳鋼。鋼絲繩的磁化使用的是永磁磁化方式[6],故在鋼絲繩兩側(cè)對(duì)稱分布了4個(gè)磁極，磁極尺寸為：寬度15mm, 長(zhǎng)度20mm, 一側(cè)2個(gè)磁極通過磁軛連接，與鋼絲繩形成封閉的磁回路。其中磁軛是用于引導(dǎo)兩磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，減小磁阻，需要采用高導(dǎo)磁率材料，故選用相對(duì)磁導(dǎo)率為4000的銜鐵，其尺寸為：長(zhǎng)度100mm, 寬度12mm。此外在鋼絲繩外側(cè)還設(shè)置了寬度300mm, 長(zhǎng)度1000mm的空氣域，相對(duì)磁導(dǎo)率為1,真實(shí)模擬實(shí)際檢測(cè)效果。

圖2 鋼絲繩漏磁檢測(cè)模型 

2.2 磁化參數(shù)的確定

根據(jù)漏磁檢測(cè)的原理可知，磁飽和是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的首要步驟，所以需要確定磁化參數(shù)，如永磁體的磁極位置排布、磁場(chǎng)強(qiáng)度等。本次檢測(cè)對(duì)象鋼絲繩為45#碳鋼，為非線性磁性材料，其B-H曲線如圖3所示。當(dāng)周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到近20000A/m時(shí)，鋼絲繩的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為 1.9T,鋼絲繩被磁化。

圖3 電梯鋼絲繩(45#碳鋼)B-H磁化曲線 

如圖2所示，本次采用的是兩側(cè)對(duì)稱分布的4個(gè)磁極，2個(gè)磁軛的方式來為鋼絲繩提供磁場(chǎng)。首先需要確定4個(gè)磁極擺放方式，為了保證最大限度的磁感應(yīng)線穿過鋼絲繩的內(nèi)部，通過COMSOL將S-N-N-S和S-N-S-N兩種磁極擺放方式進(jìn)行仿真計(jì)算出鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)情況。如圖4所示，很明顯看出S-N-S-N擺放方式中鋼絲繩內(nèi)部磁感應(yīng)線密度最大，鋼絲繩更容易被磁化。

圖4 兩種擺放方式下鋼絲繩芯部磁場(chǎng)分布 

確定好N-S-N-S對(duì)稱擺放方式后，接著設(shè)置永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)值H在5×105 A/m～2×106A/m之間，永磁體距離鋼絲繩的距離D在3mm～8mm之間，通過COMSOL參數(shù)化掃描對(duì)鋼絲繩內(nèi)部繩芯處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布進(jìn)行計(jì)算求解，得到如圖 5 所示的鋼絲繩內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。由圖5(a)可知，在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，永磁體距離鋼絲繩越近，內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，但是相差不太大，且基本是一致達(dá)到磁飽和。故選擇在距離鋼絲繩5mm處放置永磁體。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下的鋼絲繩芯部磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖5(b)所示，鋼絲繩內(nèi)部居中處磁感應(yīng)強(qiáng)度高，兩端磁感應(yīng)強(qiáng)度低。在1.8×106A/m～2×106A/m時(shí)，20mm～80mm中間區(qū)域的鋼絲繩繩芯均能達(dá)到飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.9T,因此可設(shè)置永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度1.95×106A/m, 能夠保證被100mm磁軛作用下的鋼絲繩絕大部分都被磁化。

2.3 檢測(cè)參數(shù)確定

根據(jù)漏磁檢測(cè)原理，在鋼絲繩達(dá)到磁飽和之后，如何在損傷處檢測(cè)到有效的漏磁信號(hào)是最為關(guān)鍵的。首先要確定檢測(cè)元件，由于漏磁信號(hào)比較弱，需要選靈敏度比較高的磁傳感器，如霍爾元件穩(wěn)定性、溫度特性等均較好，在磁場(chǎng)測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。還需要確定檢測(cè)元件的具體放置位置，包括水平放置位置和垂直放置位置。

圖5 不同距離及磁場(chǎng)強(qiáng)度下鋼絲繩芯部磁感應(yīng)強(qiáng)度 

根據(jù)斷絲、磨損等損傷特征，在鋼絲繩模型的上表面模擬出2個(gè)大小不一樣的損傷：一個(gè)處于水平位置120mm處的2mm×2mm的損傷、另一個(gè)在水平位置150mm處的0.5mm×0.5mm的損傷。如圖6 所示，在損傷周圍可以明顯看出磁感應(yīng)強(qiáng)度增大且損傷幾何尺寸越大，漏磁場(chǎng)越大，更容易被檢測(cè)出來。

圖6 鋼絲繩外圍的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度分布 

下面通過放置探針來模擬實(shí)際應(yīng)用中的霍爾元件檢測(cè)漏磁場(chǎng)大小，確定放置位置。首先確定水平放置位置，在100mm的磁軛范圍內(nèi)，距離鋼絲繩表面3mm處，水平相對(duì)磁軛距離20mm、50mm、60mm處放置了3個(gè)探針，通過COMSOL設(shè)置磁體、磁軛及探針整體從水平位置10mm～200mm進(jìn)行移動(dòng)來模擬動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程，對(duì)3個(gè)探針處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行計(jì)算求解結(jié)果如圖7所示，可看出水平相對(duì)磁軛距離50mm的探針?biāo)鶞y(cè)結(jié)果能夠準(zhǔn)確找到2個(gè)損傷位置，且水平位置120mm處的損傷尺寸較大，漏磁感應(yīng)強(qiáng)度大。而其余2個(gè)探針?biāo)鶛z測(cè)的值不能夠準(zhǔn)確地反映損傷位置，特別是越靠近磁軛兩端的探針?biāo)鶞y(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度受到磁極本身磁場(chǎng)的干擾，不適宜放置檢測(cè)元件。所以分析以上仿真結(jié)果可知，檢測(cè)元件應(yīng)水平放置相對(duì)于磁軛居中的位置，這樣能夠最大程度避免兩端磁極對(duì)漏磁場(chǎng)的測(cè)量影響。

圖7 不同水平位置放置的檢測(cè)探針?biāo)鶞y(cè)鋼絲繩外圍的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度 

接下來確定垂直放置位置，就是檢測(cè)元件離鋼絲繩的距離，也叫做提離值。在鋼絲繩上端相對(duì)于磁軛居中放置檢測(cè)探針，提離值由2mm遞增到7mm, 所測(cè)得的漏磁曲線如圖8所示，由此可知，使漏磁信號(hào)最明顯的提離值為2mm, 隨著提離值的增大，漏磁信號(hào)越來越小。尤其當(dāng)提離值大于4mm時(shí)，對(duì)于水平位置150mm處的細(xì)小損傷檢測(cè)不出來，信號(hào)與未作損傷無異。考慮霍爾元件YS3503量程±900mT以及靈敏度1.35mV/1GS,故提離值可設(shè)為2mm～3mm, 漏磁信號(hào)峰值在霍爾元件量程范圍內(nèi)，且漏磁信號(hào)波峰與波谷有較高的區(qū)分度。

根據(jù)以上分析，霍爾元件相對(duì)于磁軛居中放置在距離鋼絲繩2mm～3mm的位置。考慮到鋼絲繩兩側(cè)對(duì)稱分布磁場(chǎng)，所以霍爾元件也對(duì)稱放置進(jìn)行檢測(cè)。而在實(shí)際使用中，就需要按照以上位置信息圍繞鋼絲繩一圈放置霍爾元件，成圓周陣列型進(jìn)行檢測(cè)，才能保證全方位到漏磁信號(hào)。

圖8 不同提離值下的漏磁信號(hào)曲線 

4 漏磁檢測(cè)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析可知，提離值在2mm～3mm時(shí)，漏磁信號(hào)較好，但霍爾元件距離鋼絲繩很近，在實(shí)際測(cè)量過程中霍爾元件容易與鋼絲繩表面發(fā)生摩擦、震動(dòng)、抖動(dòng)等給檢測(cè)值帶來干擾。為了解決檢測(cè)元件提離值較小的問題，對(duì)以上仿真模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證漏磁信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，增大提離值。

4.1 聚磁裝置

由于鋼絲繩損傷處的漏磁場(chǎng)在空氣中比較發(fā)散，為了使霍爾元件盡可能檢測(cè)到更多的漏磁場(chǎng)，本文在原先的結(jié)構(gòu)上相對(duì)磁軛居中的位置對(duì)稱放置聚磁裝置如圖9(a)所示。聚磁裝置結(jié)構(gòu)如圖9(b)所示，聚磁材料選擇未退火的鑄鐵，其相對(duì)磁導(dǎo)率為240,遠(yuǎn)大于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率1,這樣能夠有效將鋼絲繩損傷處空氣中的漏磁吸引過去。而霍爾元件居中放置在2個(gè)聚磁材料的缺口處，便于檢測(cè)聚磁后的漏磁場(chǎng)。

圖9 聚磁優(yōu)化設(shè)計(jì) 

4.2 優(yōu)化仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過COMSOL對(duì)增加聚磁裝置優(yōu)化后的漏磁仿真模型進(jìn)行計(jì)算，檢測(cè)探針提離值由3mm遞增到8mm, 所測(cè)得優(yōu)化后的漏磁曲線如圖10 所示。由此可知，隨著提離值由3mm到5mm時(shí)，漏磁信號(hào)變小，但到6mm、7mm時(shí)，漏磁信號(hào)開始變大，最后到8mm時(shí)，漏磁信號(hào)回落。這是因?yàn)樘犭x值為6mm、7mm時(shí)，檢測(cè)探針正處于聚磁裝置的缺口附近，在聚磁裝置的作用下原本鋼絲繩損傷處的漏磁信號(hào)被吸引過去了。特別是提離值為7mm時(shí)，檢測(cè)探針正處在缺口居中位置，故其漏磁信號(hào)最為明顯。所以通過增加該漏磁裝置，可以將提離值設(shè)為7mm, 此時(shí)漏磁信號(hào)波峰與波谷有較高的區(qū)分度，并且在霍爾元件量程±900mT范圍內(nèi)。

圖10 增加聚磁裝置不同提離值下的漏磁信號(hào)曲線 

5 結(jié)論

本研究通過COMSOL建立電梯鋼絲繩漏磁檢測(cè)模型，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析。首先通過對(duì)鋼絲繩模型磁化仿真，確定永磁體N-S-N-S對(duì)稱磁化方式及磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.95×106A/m保證鋼絲繩被磁化。然后模擬動(dòng)態(tài)測(cè)量仿真，通過檢測(cè)探針記錄帶有損傷的鋼絲繩外圍的漏磁信號(hào)，分析確定了水平相對(duì)于磁軛居中，提離值2mm～3mm為最優(yōu)檢測(cè)參數(shù)。最后針對(duì)提離值過小的問題，通過增加聚磁裝置將提離值提高到7mm, 降低了測(cè)量過程的震動(dòng)等干擾，也保證了漏磁信號(hào)檢測(cè)分辨率。

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文章來源無損探傷. 2023,47(05)