基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真研究

任明月 孟國營 賈一凡

(中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083)

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基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真研究

任明月 孟國營 賈一凡

(中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083)

針對在礦用鋼絲繩損傷檢測采用的永磁勵磁方式存在的永磁體退磁以及磁場不穩定等問題，提出了礦用鋼絲繩損傷檢測系統的整體設計方案，介紹了礦用鋼絲繩在使用過程中可能出現的損傷形式，闡述了鋼絲繩漏磁檢測的基本原理，設計了基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置，并利用Ansoft Maxwell軟件建模仿真分析了勵磁裝置的勵磁效果。

礦用鋼絲繩 勵磁裝置 損傷檢測 有限元分析

礦用鋼絲繩是礦井提升系統的關鍵部件，在長期使用過程中會產生各種類型的缺陷或損傷，其缺陷主要包括斷絲、腐蝕、變形和磨損等，這些缺陷如果不能及時處理，進一步發展將導致事故的發生，因此開展礦用鋼絲繩損傷檢測的理論與技術研究勢在必行。

漏磁檢測法是目前公認的簡單、實用、可靠的礦用鋼絲繩檢測方法，由于磁化是實現檢測的第一步，因此設計一種適合煤礦生產實際需要的礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置至關重要，而設計勵磁裝置的前提是要對礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真進行研究。本文將針對礦用鋼絲繩常見的斷絲故障，采用人為添加損傷來進行故障模擬的方法進行研究。

1 礦用鋼絲繩典型故障類型分析

由于礦井提升系統長期處于高負荷的工作運轉中，同時礦用鋼絲繩還會受到載荷突然變化、井下潮濕、腐蝕等復雜環境的影響，礦用鋼絲繩會出現以下幾種缺陷或損傷：

(1)斷絲。礦用鋼絲繩斷絲主要是由于過載、彎曲疲勞、接觸疲勞、磨損、銹蝕、剪切、扭結等多種因素引起。當礦用鋼絲繩在過載條件下時，實際應力超過了自身的許用應力而產生斷絲。礦用鋼絲繩在運行過程中會與滑輪或卷筒進行摩擦，容易產生磨損，再加上彎曲疲勞極易形成斷絲。

(2)磨損。磨損也是礦用鋼絲繩缺陷的一種常見形式，礦用鋼絲繩的直徑變小和磨損有著緊密的關系。繩徑的變小分為磨損變小和正常變小兩大類。礦用鋼絲繩在使用的初期，直徑變小的速度較快，這是由于礦用鋼絲繩捻制結構拉伸引起，屬于正常變小；在后期使用過程中，由于礦用鋼絲繩磨損而使得直徑變小稱為磨損變小，從而導致礦用鋼絲繩的應力強度變小。

(3)銹蝕。由于礦用鋼絲繩使用環境惡劣，礦用鋼絲繩表面會受到化學物質或電化學的作用而產生銹蝕和腐蝕的現象。由于礦用鋼絲繩的結構復雜性，使得內部的銹蝕情況難以檢測和評估，而在實際的應用過程中，礦用鋼絲繩銹蝕對其力學性能的影響要遠大于斷絲和磨損的影響。

(4)變形。礦用鋼絲繩失去正常形狀而產生可見的畸形稱為變形，礦用鋼絲繩的變形會影響其內部的應力分布，影響礦用鋼絲繩的使用壽命。在工作的過程中，對礦用鋼絲繩施加過渡載荷會產生變形，其中碰撞引起的較嚴重的變形被稱作“鳥籠”現象。

2 礦用鋼絲繩漏磁檢測的基本原理

漏磁檢測法是一種通過檢測礦用鋼絲繩表面磁場變化從而發現缺陷的方法，漏磁檢測原理示意圖如圖1所示。

由圖1可以看出，勵磁裝置對礦用鋼絲繩進行軸向局部勵磁到飽和狀態，當礦用鋼絲繩沒有缺陷時，磁力線被約束在礦用鋼絲繩中，且磁通平行于礦用鋼絲繩表面，絕大部分磁通將從礦用鋼絲繩內部通過，而極少的磁力線會擴散到空氣中，礦用鋼絲繩內部的磁通量保持不變；當出現缺陷時，缺陷處的磁導率明顯降低，此處的磁阻會增大，在磁導率不相等的兩個介質上，磁力線必然發生改變，該變化與光的折射原理一樣，磁力線傳播就會發生角度偏轉。由于礦用鋼絲繩被勵磁到飽和，缺陷處的磁力線就會從礦用鋼絲繩表面穿出，有些磁通會直接通過缺陷處，部分磁通泄露到礦用鋼絲繩表面上空，通過空氣繞過缺陷重新進入礦用鋼絲繩內部，形成了漏磁場。使用磁敏器件檢測漏磁通，根據漏磁通的變化分析出缺陷的位置和幾何參數，實現對缺陷的定位及定量檢測。

圖1 漏磁檢測原理示意圖

根據勵磁源的不同，漏磁檢測分為永磁漏磁檢測、交流漏磁檢測和直流漏磁檢測。目前多數使用的漏磁檢測裝置大都采用永磁鐵作為勵磁源，但是永磁勵磁方式會出現勵磁靈活性較差、永磁體退磁以及磁場不穩定等問題，因此，本文采用基于勵磁線圈的直流漏磁檢測法，該方法是利用電源給定直流產生的外加磁場使鐵磁性材料被磁化至飽和狀態，當被檢測元件存在損傷時，損傷處會產生漏磁場，通過測量漏磁場的變化來反應被測元件的損傷情況。

3 礦用鋼絲繩損傷檢測系統的組成

礦用鋼絲繩損傷檢測系統包括檢測裝置部分、數據采集部分以及上位機與系統軟件部分，該礦用鋼絲繩損傷檢測系統結構示意圖如圖2所示。

(1)檢測裝置部分包括勵磁裝置、漏磁探測裝置以及位移測量裝置。勵磁裝置主要功能是根據礦用鋼絲繩環境和運行特點，完成礦用鋼絲繩的飽和磁化；漏磁探測裝置主要功能是合理設置傳感器的布置方式，完成采集特定空間位置的損傷信號；位移測量裝置主要功能是找到合適的位移參考測量點，測定礦用鋼絲繩相對傳感器的移動速度和距離。

(2)數據采集部分主要功能為由數據采集卡采集漏磁探測裝置和位移測量裝置的實時數據。

(3)上位機與系統軟件部分主要功能為對采樣信號進行分析和處理，并存儲數據和輸出結果。

圖2 礦用鋼絲繩損傷檢測系統結構示意圖

4 基于有限元分析的勵磁裝置磁場仿真研究

磁化是實現礦用鋼絲繩損傷檢測的第一步，所以對礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置磁場仿真進行研究，用三維建模軟件建立的礦用鋼絲繩三維模型如圖3所示。

圖3 礦用鋼絲繩三維模型

本文采用Ansoft Maxwell軟件進行礦用鋼絲繩檢測磁場仿真，由于采用實際礦用鋼絲繩模型進行磁場仿真具有結構復雜、計算量過大以及效率較低等問題，為了簡化分析，提高有限元計算的速度和效率，本文用一根實心圓柱體代替礦用鋼絲繩進行有限元仿真，從而確定合理的勵磁裝置結構參數。

通過對礦用鋼絲繩周向布置多個線圈的磁場仿真分析，安匝數為2000時，2個勵磁線圈沒有把礦用鋼絲繩磁化至飽和，磁化礦用鋼絲繩的效果較差；3個以上勵磁線圈能夠把礦用鋼絲繩磁化至飽和，磁化礦用鋼絲繩的效果大致相同。但是考慮到勵磁裝置的結構布局，盡量選擇線圈個數為偶數個，所以本文選擇礦用鋼絲繩周向布置4個勵磁線圈。本文所設計的勵磁裝置結構示意圖如圖4所示，勵磁裝置內部結構示意圖如圖5所示。

圖4 勵磁裝置結構示意圖

圖5 勵磁裝置內部結構示意圖

4.1 礦用鋼絲繩無缺陷時的磁場仿真

首先線圈磁化礦用鋼絲繩達到飽和狀態，只有被磁化飽和的礦用鋼絲繩才會有充足的漏磁場能夠被磁敏元件檢測到。查閱資料可知，礦用鋼絲繩的飽和磁感應強度為1.2 T。

通過仿真試驗，安匝數為2000時，該模型的被測礦用鋼絲繩剛好達到磁飽和狀態。礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖6所示，礦用鋼絲繩無缺陷磁通密度云圖如圖7所示。

圖6 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

由圖6和圖7可以看出，礦用鋼絲繩磁化均勻，且安匝數較小，現場應用較易實現。

圖7 礦用鋼絲繩無缺陷磁通密度云圖

4.2 礦用鋼絲繩有缺陷時的磁場仿真

固定礦用鋼絲繩缺陷表面角為90°，安匝數為2000時，對不同缺陷深度(10 mm、12 mm、14 mm)的礦用鋼絲繩進行磁場仿真研究。當缺陷深度為10 mm時，礦用鋼絲繩磁通密度云圖如圖8所示，礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖9所示。

圖8 礦用鋼絲繩磁通密度云圖

圖9 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

當缺陷深度為12 mm時，礦用鋼絲繩磁通密度云圖如圖10所示，礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖11所示。

圖10 礦用鋼絲繩磁通密度云圖

圖11 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

當缺陷深度為14 mm時，礦用鋼絲繩磁通密度云圖如圖12所示，礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖13所示。

圖12 礦用鋼絲繩磁通密度云圖

圖13 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

不同缺陷深度的礦用鋼絲繩軸向漏磁信號如圖14所示。

圖14 不同缺陷深度的礦用鋼絲繩軸向漏磁信號

通過以上添加礦用鋼絲繩不同缺陷時磁場仿真可以看出，礦用鋼絲繩缺陷處漏磁明顯，可以被磁敏元件檢測得到漏磁信號，且缺陷深度越大，檢測到的磁感應強度越強。因此，該方法適用于礦用鋼絲繩損傷檢測。

5 結語

本文提出基于漏磁檢測法的礦用鋼絲繩損傷檢測系統整體設計方案，同時為了解決永磁體作為勵磁源存在的問題設計了基于周向勵磁線圈的礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置，并利用Ansoft Maxwell軟件建模仿真，采用人為添加故障的方法分析該結構在無缺陷和有缺陷下的勵磁效果，結果顯示該方法可以有效實現勵磁。通過設計實驗，加工了斷絲個數不同的礦用鋼絲繩作為測試試件，檢測結果與仿真結果趨勢基本吻合，證實該方法的有效性，具有較好的應用前景。

參考資料：

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[3] 陳炳耀，張東升.霍爾傳感器在提升礦用鋼絲繩檢測探傷中的應用[J].中國煤炭，2005(12)

[4] 楊理踐.管道漏磁在線檢測技術[J].沈陽工業大學學報，2005(5)

[5] 溫麗娟，李麗，于鵬.無損檢測技術在煤礦提升機牽引礦用鋼絲繩檢測中的應用[J].煤炭技術，2013(9)

(責任編輯 路 強)

Magnetic field simulation research on broken wire detection of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils

Ren Mingyue， Meng Guoying， Jia Yifan

(School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

At present, the permanent magnet excitation mode was used in the damage detection of the wire rope, and the permanent magnet demagnetization and the instability of the magnetic field were the main problems. In order to solve these problems, the overall design scheme of wire rope damage detection system was proposed, the possible damage forms of mine wire rope during application were introduced, the fundamental of magnetic flux leakage testing was elaborated, damage detecting excitation device of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils was designed, and excitation effects of excitation device were analyzed by using Ansoft Maxwell software modeling and simulation.

mine wire rope, excitation device, damage detecting, finite element analysis

國家重點研發計劃“煤礦深井建設與提升基礎理論及關鍵技術”(2016YFC0600900)，國家自然科學基金資助項目(U1361127)

任明月，孟國營，賈一凡.基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真研究[J].中國煤炭，2017，43(7)：103-107. Ren Mingyue, Meng Guoying, Jia Yifan.Magnetic field simulation research on broken wire detection of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils[J].China Coal，2017，43(7)：103-107.

TD526

A

任明月(1992-)，女，山東濟寧人，在讀碩士研究生，主要研究方向為測試計量技術及儀器。