史 榮， 魏英杰， 王勁東

（1.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190）

鋼絲繩缺陷的微磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

史 榮1，2， 魏英杰1，2， 王勁東3

（1.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；3.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190）

為了探討微磁檢測(cè)技術(shù)在鋼絲繩無(wú)損探傷領(lǐng)域的應(yīng)用，采用有限元法，分析了無(wú)外加磁場(chǎng)激勵(lì)狀態(tài)下利用鋼絲繩自身剩余磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)斷絲缺陷檢測(cè)的可行性。計(jì)算了鋼絲繩缺陷處及周?chē)諝庵械穆┐艌?chǎng)強(qiáng)度、分布規(guī)律及可測(cè)性；論述了地磁場(chǎng)的影響，為微磁檢測(cè)技術(shù)提供了理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)鋼絲繩微磁檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同斷絲狀態(tài)下漏磁場(chǎng)的檢測(cè)結(jié)果及變化規(guī)律。給出了鋼絲繩金屬截面損失與檢測(cè)系統(tǒng)輸出量的函數(shù)關(guān)系，驗(yàn)證了微磁無(wú)損探傷技術(shù)的可行性與可靠性。

計(jì)量學(xué)；微磁檢測(cè)技術(shù)；鋼絲繩探傷；有限元模擬；節(jié)能化設(shè)計(jì)

1 引 言

微磁檢測(cè)是一種全新的無(wú)損檢測(cè)方法。其核心技術(shù)是采用高靈敏度的磁敏檢測(cè)元件，記錄與分析鐵磁性材料在自身剩余磁場(chǎng)作用下缺陷處漏磁場(chǎng)的分布規(guī)律，判定其表面和內(nèi)部是否存在損傷和缺陷的一種檢測(cè)手段［1～3］。由于微磁探傷既可檢測(cè)工件內(nèi)部及表面的宏觀缺陷，又可檢測(cè)微觀缺陷，檢測(cè)工藝簡(jiǎn)單，便于操作，在有銹蝕、油污、化學(xué)殘留物的條件下均可正常工作。而且，微磁檢測(cè)不必對(duì)被測(cè)構(gòu)件進(jìn)行磁加載，大大降低了儀器功耗，使得測(cè)試儀器更加簡(jiǎn)捷、輕便、便于攜帶。因此，微磁檢測(cè)技術(shù)一直是金屬探傷領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)在空間探測(cè)、金屬材料探傷等領(lǐng)域均有成功的應(yīng)用［4～6］。

鋼絲繩在工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，由于鋼絲繩的工作狀態(tài)直接關(guān)系到人與設(shè)備的安全，鋼絲繩探傷技術(shù)備受關(guān)注。以新的原理及新的技術(shù)為依托，探索更加科學(xué)、便捷、可靠與節(jié)能的鋼絲繩探傷方法將具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

2 微磁狀態(tài)下鋼絲繩缺陷漏磁場(chǎng)仿真分析

鋼絲繩的漏磁場(chǎng)分布十分復(fù)雜，既包括股間漏磁場(chǎng)，也包括由缺陷引起的漏磁場(chǎng)。本文采用ANSYS有限元軟件中的磁場(chǎng)分析模塊［7］，對(duì)鋼絲繩斷絲缺陷處的漏磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析斷口表面及周?chē)諝庵新┐欧植家?guī)律，研究漏磁信號(hào)的強(qiáng)度，為微磁檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1 有限元計(jì)算模型

本算例中，鋼絲繩型號(hào)為6×19S＋FC，公稱(chēng)直徑為φ36 mm、鋼絲直徑為φ3 mm、材料為50Mn。每股直徑為φ11.5 mm，共6股，各股繞繩芯成螺旋狀。斷絲缺陷位于鋼絲繩表面，斷口體積為20 mm3。鋼絲繩表面及斷絲缺陷處由空氣填充。采用ANSYS磁場(chǎng)分析模塊中的SOLID97和INFIN111兩種單元對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)100750，節(jié)點(diǎn)數(shù)64361，有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 漏磁場(chǎng)分析的有限元模型及網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

（1）鋼絲繩自身剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度：由鋼絲捻制而成的鋼絲繩，其自身剩磁主要表現(xiàn)為鋼絲拔制過(guò)程及使用過(guò)程所產(chǎn)生的剩磁，拔制鋼絲的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.89 T，考慮到鋼絲繩在使用與擱置過(guò)程中的退磁現(xiàn)象，取鋼絲繩的剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度為（0.89× 80%）＝0.712 T［8］；

（2）剩余磁場(chǎng)的方向：鋼絲繩中的剩余磁場(chǎng)為空間磁場(chǎng)，取X、Y、Z三個(gè)方向?qū)β┐艌?chǎng)分布進(jìn)行分析對(duì)比；

（3）其他參數(shù)：鋼絲繩的相對(duì)導(dǎo)磁率為1 000，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 鋼絲繩剩磁影響下的漏磁場(chǎng)分析

圖2為鋼絲繩Z方向的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。由圖2可見(jiàn)，沿著鋼絲繩長(zhǎng)度方向，除模型的兩個(gè)端部外，缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小，在缺陷區(qū)域外，漏磁磁感應(yīng)強(qiáng)度與鋼絲繩形狀有關(guān)，股間的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大。繩股處磁感應(yīng)強(qiáng)度較小，且沿軸向漏磁分布較為均勻。

圖3為距離鋼絲繩缺陷表面8 mm處空氣層中Z方向的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布展開(kāi)圖。由圖3可見(jiàn)，空氣中磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值沿鋼絲繩圓周方向具有周期性變化，與鋼絲繩表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布相呼應(yīng)，鋼股處漏磁幅值較大，股間較小。值得注意的是，空氣層中磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值位于鋼絲繩的缺陷處，說(shuō)明缺陷處有更多的磁力線(xiàn)泄漏到了空氣中，引起空氣層中相應(yīng)位置的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，漏磁場(chǎng)的這種變化，為缺陷檢測(cè)提供了信號(hào)源。

圖2 鋼絲繩表面磁場(chǎng)分布

2.3.2 地磁場(chǎng)影響下的鋼絲繩漏磁場(chǎng)分析

地磁場(chǎng)是一個(gè)客觀存在的穩(wěn)定磁場(chǎng)，所有鐵磁性材料均要受其影響。由于鋼絲繩在使用過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或空間方位的不確定性，地磁場(chǎng)對(duì)其作用效果可能是磁化，也可能是退磁。本算例中，假設(shè)地磁場(chǎng)方向與鋼絲繩剩磁場(chǎng)方向相反，即地磁場(chǎng)的作用效果為退磁，這種狀態(tài)的模擬結(jié)果對(duì)于分析鋼絲繩微磁檢測(cè)技術(shù)的可行性將更具實(shí)際意義。

根據(jù)國(guó)際地磁參考場(chǎng)的計(jì)算理論［9］，實(shí)驗(yàn)裝置地理位置處的地磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為（5～6）×10-5T。圖4與圖5分別為鋼絲繩與空氣層中Z方向的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度分布狀態(tài)。由圖4可見(jiàn)，在鋼絲繩缺陷處，依然存在明顯的磁場(chǎng)變化，但其磁場(chǎng)方向卻和圖2、圖3相反，即在地磁場(chǎng)作用下，缺陷處的感應(yīng)強(qiáng)度B取最大值，與之對(duì)應(yīng)的空氣中的漏磁強(qiáng)度取最小值，鋼絲繩呈現(xiàn)退磁狀態(tài)。

圖3 空氣中的漏磁場(chǎng)

圖4 地磁場(chǎng)作用下缺陷處漏磁場(chǎng)分布

圖5 地磁場(chǎng)作用下鋼絲繩周?chē)諝庵械穆┐艌?chǎng)分布

由圖5可見(jiàn)，在地磁場(chǎng)作用下，雖然鋼絲繩缺陷處存在明顯的磁場(chǎng)異變，但其幅值非常小。在空氣層中，缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度與缺陷周?chē)鷧^(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度之差ΔB（見(jiàn)圖4）為10-12～10-13T的數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn)，地磁場(chǎng)對(duì)鋼絲繩的磁化作用十分微弱，不足以形成可檢出的漏磁信號(hào)。

2.3.3 多種磁場(chǎng)環(huán)境下鋼絲繩缺陷處漏磁場(chǎng)強(qiáng)度比較

在實(shí)際工況中，鋼絲繩處于多個(gè)磁場(chǎng)共同存在的環(huán)境中。本文主要研究鋼絲繩在剩余磁場(chǎng)和地磁場(chǎng)兩種磁場(chǎng)共同作用下缺陷處的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化情況。

表1 給出了處于不同磁場(chǎng)環(huán)境下，鋼絲繩缺陷處與周邊無(wú)缺陷區(qū)域在Z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值之差ΔB。見(jiàn)圖4，該差值顯示了缺陷處漏磁場(chǎng)的變化程度，為漏磁探傷提供了依據(jù)。

表1 缺陷處與缺陷周?chē)穆┐鸥袘?yīng)強(qiáng)度之差ΔB T

由表1可見(jiàn)，鋼絲繩在其自身剩磁狀態(tài)下的ΔB取值最大，剩磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)共同作用時(shí)次之，當(dāng)僅有地磁場(chǎng)作用時(shí)ΔB值最小?？紤]到鋼絲繩工作狀態(tài)的任意性，為了提高漏磁檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)鋼絲繩微磁檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，建議對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 傳感器的選擇

根據(jù)上述模擬分析結(jié)果，當(dāng)鋼絲繩剩磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)方向相反時(shí)，缺陷處與其周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度之差ΔB數(shù)量級(jí)為10-4T。選擇磁敏元件MR02型磁阻式傳感器作為鋼絲繩缺陷無(wú)損探傷的檢測(cè)元件，其可測(cè)量范圍為±6.5×10-5T［10］，滿(mǎn)足缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的檢測(cè)要求。

鋼絲繩微磁無(wú)損檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究在燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，其實(shí)驗(yàn)裝置及試件制備見(jiàn)文獻(xiàn)［11］。

3.2 微磁探傷的可行性實(shí)驗(yàn)

圖6為被測(cè)鋼絲繩，其材料及幾何參數(shù)與算例一致。圖7為鋼絲繩無(wú)缺陷段沿著軸線(xiàn)方向測(cè)得的漏磁場(chǎng)實(shí)測(cè)波形，圖8為具有多處缺陷的鋼絲繩漏磁場(chǎng)實(shí)測(cè)波形。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)鋼絲繩未進(jìn)入檢測(cè)裝置時(shí)，傳感器的輸出為地磁場(chǎng)及其他干擾磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，為-2.5×10-5T，當(dāng)鋼絲繩頭部進(jìn)入檢測(cè)裝置，鋼絲繩中的剩磁使磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)入了過(guò)渡階段，當(dāng)鋼絲繩完全進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，信號(hào)的過(guò)渡階段結(jié)束。對(duì)于無(wú)缺陷鋼絲繩，由于繩股凹凸不平的影響，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在（-0.35～-0.6）×10-5T之間溫和變化。

圖6 被測(cè)鋼絲繩

圖7 無(wú)缺陷鋼絲繩漏磁場(chǎng)實(shí)測(cè)波形

當(dāng)鋼絲繩缺陷處進(jìn)入檢測(cè)裝置后，實(shí)測(cè)曲線(xiàn)幅值劇烈變化（見(jiàn)圖8），實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的幅值變化與缺陷位置相對(duì)應(yīng)。其中：缺陷1為斷口較短的單根斷絲；缺陷2為斷口較長(zhǎng)的單根斷絲；缺陷3為鋸斷的3根斷絲，斷口整齊且明顯，傳感器對(duì)這類(lèi)斷絲信號(hào)非常敏感，此處曲線(xiàn)幅值變化達(dá)到2.25×10-5T；缺陷4為繩股內(nèi)層的兩根斷絲；缺陷5處的斷絲斷口距離較長(zhǎng)，類(lèi)似于鋼絲繩金屬截面損傷。由此可見(jiàn)，實(shí)測(cè)信號(hào)波形與鋼絲繩斷絲缺陷的物理形態(tài)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，采用微磁檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩斷絲缺陷的定性與定量檢測(cè)。

圖8 斷絲缺陷鋼絲繩漏磁場(chǎng)實(shí)測(cè)波形

3.3 斷絲數(shù)量與斷口寬度

為了進(jìn)一步驗(yàn)證微磁檢測(cè)技術(shù)的可靠性，研究了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)斷絲數(shù)量與斷口寬度的響應(yīng)。圖9（a）的斷口寬度為3±0.2 mm、斷絲數(shù)量分別為1、2、3根。由圖9（a）可見(jiàn)，斷口寬度一定時(shí)，隨著斷絲數(shù)量增加，缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯增加。圖9（b）為斷絲數(shù)量為2根，斷口寬度分別為3、8、15 mm時(shí)的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)對(duì)比。由圖9（b）可見(jiàn)，當(dāng)斷絲數(shù)量一定時(shí)，隨著斷口寬度增加，實(shí)測(cè)波形由準(zhǔn)半余弦形狀過(guò)渡到一種階梯形的波形。由此可見(jiàn)，采用微磁檢測(cè)技術(shù)可對(duì)鋼絲繩的斷絲形態(tài)做出定量判斷。

圖9 鋼絲繩斷絲的微磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖10為采用強(qiáng)磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)φ28 mm鋼絲繩表面斷絲的實(shí)測(cè)結(jié)果［12］。由圖10可見(jiàn)，輸出波形與圖9（a）極為相似，但其磁化器的激磁電流在80 A以上，需要較大的電能消耗。因此，微磁檢測(cè)技術(shù)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

3.4 鋼絲繩金屬截面損失

金屬截面損失是影響鋼絲繩壽命的主要因素，也是鋼絲繩無(wú)損探傷的重要內(nèi)容之一。由于組成鋼絲繩的鋼絲受到磨損、擠壓、腐蝕以及劃傷等原因造成鋼絲繩的有效金屬橫截面積縮小，導(dǎo)致鋼絲繩承載能力下降的現(xiàn)象，稱(chēng)為鋼絲繩截面損失，簡(jiǎn)稱(chēng)LMA［13，14］。

關(guān)于鋼絲繩金屬截面積損失實(shí)驗(yàn)的試件制備及試驗(yàn)方法，國(guó)家有相關(guān)規(guī)定，主要包括以下兩種方式：一是對(duì)鋼絲繩進(jìn)行拆股實(shí)驗(yàn)，為了模擬鋼絲繩金屬截面積損失，采用拆股的方法切斷鋼絲繩上的部分鋼絲，使鋼絲繩直徑減小，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的LMA實(shí)驗(yàn)；二是采用鋼絲進(jìn)行截面積損失模擬實(shí)驗(yàn)，將一定數(shù)量的鋼絲捆扎成束，然后再依次將鋼絲抽出或插入，模擬鋼絲繩的截面積損失。

圖11為采用微磁檢測(cè)技術(shù)測(cè)量的鋼絲繩截面損失實(shí)測(cè)波形。其中，圖11（a）為損失3根鋼絲時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化情況。圖11（b）為鋼絲繩截面積損失的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中將直徑為3 mm的鋼絲裝入φ40的PUC管中，通過(guò)抽取單根鋼絲減少鋼絲束的截面積，模擬鋼絲繩的截面損失。由圖可見(jiàn)，隨著抽出鋼絲根數(shù)的增加，漏磁場(chǎng)的變化越明顯。

圖10 強(qiáng)磁檢測(cè)狀態(tài)下斷絲信號(hào)波形

圖11 鋼絲繩截面損失微磁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸，可得到抽取的鋼絲根數(shù)x與傳感器輸出的漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系：

由式（1）可見(jiàn)，金屬截面損失量與漏磁感應(yīng)強(qiáng)度存在線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)指數(shù)R2＝0.9567，說(shuō)明兩者依存關(guān)系密切，線(xiàn)性回歸結(jié)果合理。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不施加外部磁場(chǎng)激勵(lì)的前提下，MR02型磁阻式傳感器對(duì)鋼絲繩斷絲缺陷及金屬截面損失有明顯響應(yīng)。因此，采用微磁檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的LMA定量檢測(cè)。

4 結(jié) 論

（1）建立了鋼絲繩缺陷漏磁場(chǎng)分析有限元模型，分別對(duì)鋼絲繩在剩磁場(chǎng)、地磁場(chǎng)以及兩者共同作用下的缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得出了3種狀態(tài)下缺陷處的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度及分布規(guī)律，為微磁檢測(cè)技術(shù)提供了理論依據(jù)；

（2）采用高靈敏度的MR02型磁阻傳感器對(duì)鋼絲繩微磁檢測(cè)技術(shù)的可行性與可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)微磁狀態(tài)下的鋼絲繩斷絲缺陷具有較好的識(shí)別能力，從而驗(yàn)證了微磁檢測(cè)技術(shù)的可行性；

（3）對(duì)鋼絲繩金屬截面積損失進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，隨著鋼絲繩截面積損失的增加，輸出信號(hào)的幅值亦增加，并滿(mǎn)足線(xiàn)性回歸規(guī)律，其相關(guān)指數(shù)大于0.95，完全符合工程檢測(cè)要求。

］

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W ire Rope Defects w ith the Micro-magnetic NDT Technology

SHIRong1，2， WEIYing-jie1，2， WANG Jin-dong3
（1.Key Laboratory of Advanced Forging＆Stamping Technology and Science of Ministry of National Education，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China； 2.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China； 3.National Space Science Center，CAS，Beijing 100190，China）

With the purpose of applyingmicromagnetic detection technology to nondestructive testing for wire ropes，the finite elementmethod is used for analysis of the feasibility of the broken wire defects detection，using the residualmagnetic field of the wire rope itselfwithout extramagnetic field excitation.Thewire rope defect points and the leakagemagnetic field strength in surrounding air，distribution and the testability have been calculated.Then the influence of the geomagnetic field has been discussed，which is a theoretical basis formicromagnetic detection technology.Moreover，the testing results and the change laws in different broken wires states，aswell as the functional relationship between the ropemetal sectional area loss and the outputs of the detection system，are obtained through the experimental researches ofmicromagnetic detection method for wire ropes，that have verified the feasibility and reliability ofmicromagnetic nondestructive testing technology.

Metrology；Micro-magnetic NDT；Wire rope flaw detection；Finite element modelling；Energy saving design

TB972

：A

：1000-1158（2015）03-0303-06

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.17

2013-09-06；

：2013-11-17

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃（2008AA12A206）

史榮（1949-），女，山西襄垣人，燕山大學(xué)教授，主要從事機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)研究。shingrong＠ysu.edu.cn