張?zhí)m娣 霍珍珍 宋明星 倪笑宇 戴美魁

摘要：主要探討了鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鋼絲繩的斷絲缺陷特征、無(wú)損磁檢測(cè)原理、鋼絲繩的磁化和漏磁通檢測(cè)進(jìn)行了研究，這些研究對(duì)鋼絲繩檢測(cè)儀器的研發(fā)有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩 無(wú)損檢測(cè) 斷絲缺陷 磁化 漏磁通

鋼絲繩是起重機(jī)械和提升設(shè)備中的關(guān)鍵部件，在很多工程領(lǐng)域中使用，鋼絲繩的使用安全性非常重要。它的優(yōu)點(diǎn)是承載能力大、卷繞性好、卷繞平穩(wěn)等，而且繩股中鋼絲的斷裂過程是慢慢發(fā)生的，并不是在一瞬間發(fā)生的事情，因此工作時(shí)較為可靠。人們對(duì)鋼絲繩的安全運(yùn)行日益重視，對(duì)鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)研究迅速發(fā)展。鋼絲繩缺陷有兩大類：一是以斷絲為主的局部缺陷型；二是鋼絲的截面積損失型。后者主要是指鋼絲由于疲勞磨損、擠壓、腐蝕、劃傷等原因造成的鋼絲截面積縮小，引起鋼絲繩承載能力降低，甚至出現(xiàn)鋼絲繩斷裂，發(fā)生事故。在起重機(jī)械和提升設(shè)備中使用的鋼絲繩，根據(jù)與滑輪配套使用情況和鋼絲繩的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要缺陷是斷絲。因此我們研究的重點(diǎn)是以斷絲為主的無(wú)損檢測(cè)。

1 斷絲為主的局部缺陷

較常見的一種鋼絲繩缺陷是斷絲，斷絲有如下幾種：①疲勞斷絲：鋼絲繩繞過滑輪或卷筒時(shí)會(huì)承受一定的應(yīng)力作用，經(jīng)過多次反復(fù)彎曲后，鋼絲就會(huì)疲勞造成斷絲。鋼絲繩在日積月累的使用中實(shí)際上承受的都是疲勞荷載，再加上每根鋼絲繞經(jīng)滑輪或卷筒時(shí)，都會(huì)受到交變應(yīng)力的作用。疲勞斷絲出現(xiàn)在繩股彎曲程度最嚴(yán)重的一側(cè)外層，若出現(xiàn)該種斷絲，表示鋼絲繩已接近使用期限，應(yīng)該高度注意并加強(qiáng)檢查。②磨損斷絲：這種缺陷一般是在鋼絲磨損非常嚴(yán)重的情況下形成的。繩股之間是相互捻緊的關(guān)系，當(dāng)受到軸向力的作用時(shí)，每根鋼絲幾乎會(huì)發(fā)生一樣的變形，但繩股之間卻存在著微小的相互錯(cuò)動(dòng)，即微動(dòng)。所以磨損斷絲其實(shí)就是因?yàn)檫@種微動(dòng)的環(huán)境下造成的微動(dòng)磨損疲勞破壞。③銹蝕斷絲：主要呈現(xiàn)針尖狀，斷絲形狀不整齊，這種缺陷一般出現(xiàn)在銹蝕嚴(yán)重的鋼絲繩的使用后期。④剪切斷絲：這種缺陷一般呈現(xiàn)剪切狀，通常是由于在某一拐角處鋼絲被硬性拉斷造成的。⑤過載斷絲：該缺陷由于鋼絲繩承受過載負(fù)荷或沖擊力過大引起的，一般在正常使用中極少出現(xiàn)。⑥扭結(jié)斷絲：該缺陷在鋼絲繩因?yàn)槌霈F(xiàn)松弛導(dǎo)致扭結(jié)后才出現(xiàn)，在一般正常使用中不出現(xiàn)，斷口平整、光滑似鏡面。⑦氫脆斷絲：出現(xiàn)這種缺陷很危險(xiǎn)。鋼絲繩常在腐蝕性使用環(huán)境下工作，因此鋼絲常常遇到各種腐蝕介質(zhì)的影響，產(chǎn)生氫脆斷絲現(xiàn)象，斷口不規(guī)則。

2 無(wú)損磁檢測(cè)原理

優(yōu)質(zhì)高碳鋼經(jīng)過多次冷拔制成鋼絲，然后鋼絲再經(jīng)過多重捻制形成的復(fù)雜空間螺旋結(jié)構(gòu)的鐵磁性構(gòu)件就是鋼絲繩。它不僅具有良好的導(dǎo)磁能力，在磁化后還能夠有一定的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力，保證可以采用無(wú)損磁檢測(cè)方法。

磁檢測(cè)原理是根據(jù)鐵磁性材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于比空氣的磁導(dǎo)率。把一磁場(chǎng)集中到鐵磁性材料中的時(shí)候，如果鐵磁材料表面存在缺陷如裂紋等，因?yàn)殍F磁材料局部的磁阻增加，磁導(dǎo)率下降，部分磁場(chǎng)從材料中外泄，外泄的磁場(chǎng)即漏磁場(chǎng)，由傳感器檢測(cè)漏磁場(chǎng)。材料中的磁力線不管是遇到外部還是內(nèi)部缺陷造成的材料間斷，都會(huì)聚集在一起形成畸變，所以可以檢測(cè)出漏磁變化。

鐵磁性材料的磁化特性曲線如圖1所示。其中abcd是磁化特性曲線，def是退磁曲線，defghkd回路組成磁滯回復(fù)曲線。根據(jù)材料在不同曲線上隨磁場(chǎng)的變化而變化，可得到一些特殊檢測(cè)方法。在磁檢測(cè)中，主要利用abcd曲線和def曲線。

由曲線圖可知，磁化力H從a點(diǎn)增大至b點(diǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化力H都呈現(xiàn)非線性增大。當(dāng)磁化力H從b點(diǎn)向c點(diǎn)增大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大顯著。當(dāng)磁化力從c點(diǎn)變化到d點(diǎn)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增長(zhǎng)越來(lái)越小。而磁化力H緩緩增大。e點(diǎn)稱為磁飽和點(diǎn)。磁飽和后，去除外磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B回到Br即e點(diǎn)，這就是剩磁，即磁化力H=0時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。剩磁對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、材料應(yīng)力和缺陷程度都特別敏感，它們?nèi)菀资沟么磐ㄚ呌诖棚柡蛢A向。當(dāng)磁化力H緩慢反向時(shí)，最初存在磁化力H是負(fù)值，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B是正值的情況。鐵磁材料可保持這種退磁狀況，直到它不能再保持磁通為止，這時(shí)外加磁場(chǎng)有足夠的能量以克服保持磁通的力。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，磁化力H的微小增量，就可以使磁通反向，并且?guī)缀踹_(dá)到反向飽和。使磁感應(yīng)強(qiáng)度下降到零時(shí)，所需要的磁化力H即為矯頑磁力Hc。

在無(wú)損磁檢測(cè)過程中，不連續(xù)性附近局部區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化力H的值可能會(huì)發(fā)生變化，這樣可采用漏磁通檢測(cè)的方法以評(píng)價(jià)材料的缺陷尺寸。在剩磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，被檢測(cè)對(duì)象必須被充分磁化，在缺陷處才會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)。

3 鋼絲繩的磁化

在勵(lì)磁效果相同的情況下，針對(duì)中小直徑的鋼絲繩，選擇永久磁鐵勵(lì)磁比選用直流有源勵(lì)磁在很多方面都更加有優(yōu)勢(shì)，比如體積、使用方便、檢測(cè)成本和重量等。特別是近年來(lái)新型永磁材料取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，永久磁鐵勵(lì)磁正在日益取代直流有源勵(lì)磁方法。因而在鋼絲繩斷絲探傷檢測(cè)選用勵(lì)磁裝置時(shí)，我們選則永久磁鐵做勵(lì)磁源。

磁化鋼絲繩的勵(lì)磁回路包括永久磁鐵、磁軛、鋼絲繩、氣隙共四部分。勵(lì)磁回路不僅要滿足鋼絲繩中的磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，還要做到成本最低、體積最小、重量最輕、性能最優(yōu)。為了有效的達(dá)到這個(gè)要求，在選擇材料時(shí)一般都會(huì)選擇高剩磁、高矯頑力和高磁能積的永磁材料。然而永磁材料的種類有很多，其性能也是不一樣的，結(jié)合鋼絲繩探傷檢測(cè)的實(shí)際情況，稀土永磁材料是其中比較理想的選擇。該材料矯頑力Hc較大，并且剩磁Br也較大，符合鋼絲繩磁化飽和的要求，且最大磁能積和磁穩(wěn)定性都非常優(yōu)良，溫度系數(shù)低。在大溫度范圍時(shí)，能夠穩(wěn)定工作。

磁軛是勵(lì)磁回路中形成磁力線通路所必需的組成部分，它在勵(lì)磁回路中的主要功能是用以改變磁力線方向、減小回路系統(tǒng)的磁阻、增大關(guān)鍵部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度和聚集磁場(chǎng)等。磁軛一般選用磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度都較大的材料，如工業(yè)磁鐵等。

4 漏磁通檢測(cè)

一旦一定的電流通過垂直于磁場(chǎng)的元件時(shí)，在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)，同時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。該元件即霍爾元件，輸出的霍爾電壓為V=kiBcosα。影響靈敏度系數(shù)k的因素有很多，比如霍爾元件的材質(zhì)、工作溫度和尺寸等。如果工作溫度不變，那么k是常數(shù)；確定好霍爾元件安裝位置后，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與霍爾元件平面法線的夾角α不變；霍爾元件還有定向響應(yīng)特性，就是如果霍爾元件供電時(shí)使用的是恒流源，那么電流i為定值，并且磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾電壓之間是正比的關(guān)系。所以要想知道鋼絲繩的斷絲損傷信號(hào)，只需要檢測(cè)出霍爾元件的輸出電壓V即可。所以霍爾元件的輸出電壓V反映了鋼絲繩的表面漏磁情況。

由于鋼絲繩出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象并沒有什么規(guī)律，任何地方都有可能出現(xiàn)斷絲，但是使用一個(gè)霍爾元件得到的檢測(cè)信息是有限的。實(shí)驗(yàn)表明，霍爾元件在沿鋼絲繩周向±45°范圍內(nèi)輸出最大，因而沿周向布置四個(gè)霍爾元件，就能夠滿足完全檢測(cè)鋼絲繩表面的漏磁場(chǎng)變化情況。斷絲產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)有一定擴(kuò)散范圍和分辨力。對(duì)于斷絲定量檢測(cè)來(lái)說(shuō)，軸向分辨力和定量檢測(cè)的精度之間成正比關(guān)系。影響霍爾元件的軸向分辨力因素有很多種，比如鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、單根鋼絲的直徑、霍爾元件的周向尺寸、規(guī)格尺寸等。

因?yàn)殇摻z繩外表面的軸向母線是波浪線，鋼絲繩的繩股之間在局部勵(lì)磁鋼絲繩后會(huì)沿軸線方向產(chǎn)生較大的漏磁通，而且會(huì)逐漸的增加。在沿軸線方向檢測(cè)霍爾元件時(shí)，繩股之間的漏磁通信號(hào)與正弦波類似，稱為“股波”。在實(shí)際的檢測(cè)過程中，“股波”信號(hào)是無(wú)用信號(hào)，有用信號(hào)是斷絲信號(hào)，股波信號(hào)的混入降低了斷絲檢測(cè)信號(hào)的信噪比。但繩股之間沿周向產(chǎn)生的漏磁通有相互消除的現(xiàn)象，而霍爾元件沿周向檢測(cè)時(shí)，“股波”信號(hào)相對(duì)降低了對(duì)斷絲信號(hào)的干擾，提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比。

5 結(jié)論

鋼絲繩的斷絲缺陷特征直接與檢測(cè)信號(hào)的處理方法有關(guān)，無(wú)損磁檢測(cè)原理為檢測(cè)鋼絲繩斷絲缺陷提供了理論依據(jù)。鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究對(duì)研發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)儀器具有重要的指導(dǎo)意義。對(duì)研究成果的相應(yīng)推廣，可以減少不合理更換鋼絲繩而引起的巨大資源浪費(fèi)，可以提高鋼絲繩檢測(cè)的準(zhǔn)確性和速度。

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基金項(xiàng)目：河北建筑工程學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究基金資助（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)Y-201314）。