航母阻攔系統中鋼索漏磁檢測試驗研究

鄧文力　王悅民　耿海泉

摘要：航母阻攔系統中鋼索健康狀態對于航母艦載機的回收安全至關重要，為有效檢測鋼索損傷缺陷，保障阻攔系統安全可靠運行，對鋼索進行損傷檢測試驗。搭建鋼索檢測試驗平臺，基于漏磁檢測技術，采用永磁磁化方式，將電感元件與霍爾元件相結合制作環裝陣列傳感器，并制作斷絲缺陷與截面積損傷缺陷，進行檢測試驗研究。結果表明：在搭建的檢測試驗平臺條件下，使用所設置的傳感器能夠有效檢測出所制作的鋼索損傷缺陷，并具有較好的信噪比及可重復性，為航母阻攔系統中鋼索的檢測提供一種無損檢測方法。

關鍵詞：阻攔索；漏磁檢測；霍爾元件；電感元件

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0083-05

0引言

航空母艦是一種以艦載機為重要武器的大型水面艦艇，作為保障航母艦載機安全著艦的航母阻攔系統具有十分重要的作用，目前，國內外航母大多采用液壓式阻攔系統。以美軍航母MK7-3型阻攔系統為例，其系統結構如圖1所示，航母阻攔系統中鋼索由阻攔索和滑輪組索組成，其中，阻攔索位于甲板之上，在執行阻攔任務時與艦載機的尾鉤直接接觸并在很短距離內使其停止下來，而滑輪組索，位于甲板下面的艙室內，是連接航母阻攔索與阻攔裝置的重要部件之一，負責將阻攔力傳遞到吸能裝置。艦載機在回收時，采用“撞擊式”著艦，發動機仍保持工作狀態，通過阻攔系統強制對艦載機減速制動，以便鉤索失敗能夠立即復飛。這種特殊的降落方式使鋼索成為阻攔系統中最易受損的部位之一。航母艦載機的著艦是一項極其重要的任務，必須保證萬無一失，航母鋼索作為阻攔系統中連接各個部分的關鍵構件，其健康狀況直接影響到整個系統的工作性能，甚至影響到艦載機和飛行員的安全。因此，對航母阻攔系統中鋼索進行無損檢測，并及時掌握其健康狀態，對保障艦載機的使用安全和發揮航母戰斗力具有重要作用和軍事意義。

目前，國內外針對阻攔系統中鋼索檢測的相關技術研究可以公開查閱到的資料較少，而在無損檢測領域中，漏磁檢測技術是檢測鋼絲繩較為常用的方法之一，具有原理簡單、設備靈活、信噪比良好等優勢測，借鑒工業鋼絲繩的檢測經驗，將該檢測技術應用于航母阻攔系統中鋼索的檢測。

在針對鋼絲繩的漏磁檢測技術研究上，康宜華等較早的對磁化方式進行了論述，研究了勵磁磁路，提出了磁化器的優化設計方法；Norouzi等采用有限元分析方法，對磁化器極靴長度進行優化，使被測件內磁通分布盡可能均勻，從而獲得更好的缺陷信號；鬲隨甲采用永磁激勵，優化勵磁器結構，降低干擾磁場；Wu等開發了斜拉橋缺陷檢測系統，采用磁橋路法磁化技術進行磁化，對拉索內部損傷進行了實驗研究；Jomdecha等研究了鋼絲繩漏磁場的空間分布，研制傳感器，采用直流通電線圈磁化鋼索，并采用印刷電路制作檢測線圈：周郁明采用永磁鐵對鋼絲繩進行勵磁，選擇磁敏檢測元件提取信號，對鋼絲繩斷絲缺陷進行研究分析：Maldonado等提出嵌入式數據采集系統，設計檢測裝置用于大直徑橋梁鋼索的檢測，采用貼片線圈進行磁信號采集。

以上研究均是基于漏磁技術對鋼絲繩進行檢測。本文針對航母阻攔系統中鋼索進行檢測技術的研究，基于其實際工作環境的需要，設置傳感器，搭建檢測試驗平臺，制作缺陷，對航母阻攔系統中滑輪組索進行檢測試驗。

1檢測原理

航母阻攔系統中鋼索具有良好的鐵磁性，鋼索發生損傷時在外加磁場的作用下會導致其表面或內部磁特性產生變化，通過捕捉或檢測這種變化信息并進行分析，即可判斷鋼索中是否存在缺陷或者損傷。

航母阻攔系統中鋼索是型號特殊的鋼絲繩，具有單絲數量多、結構復雜的特點，其檢測技術是一個難點。由于其工作環境特殊，阻攔系統中鋼索與普通工業鋼絲繩的區別在于其需要頻繁承受巨大的沖擊力，并且在受力過程中鋼索的多個部位經常處于彎折狀態，這就使得鋼索容易形成斷絲及局部金屬截面積變化等問題。艦載機的阻攔對阻攔系統各部分構件的工作性能要求都非常高，鋼索的斷絲或金屬截面積的過度損失等均可能造成嚴重的后果，因此，檢測的重點是鋼索的斷絲缺陷及金屬截面積的變化。

根據工業鋼絲繩的損傷類型，通常將檢測方法分為兩種，其一是局部缺陷型檢測法，主要獲取鋼絲繩表面局部缺陷信號，如斷絲、局部形狀異常等缺陷，其基本原理如圖2所示，該方法將磁敏元件貼近鋼絲繩，測量斷絲處漏磁信號。

另一種是金屬截面損失型檢測法，該方法通過檢測鋼絲繩磁通量的變化，獲取因腐蝕、磨損、斷絲等缺陷而導致的鋼絲繩金屬截面積變化信息，根據磁通的測量方法不同，可分為主磁通測量法和回路磁通測量法，在測量回路中增加一道輔助磁化回路，形成磁橋路，該種回路磁通測量法基本原理如圖3所示，利用霍爾元件測量磁橋路中磁通量，根據磁化回路的計算得到主磁路的磁通量變化情況，從而獲得鋼絲繩的金屬截面積變化情況。

2試驗設置

2.1試驗平臺

檢測臺架如圖4所示，主要由固定軌道與兩端液壓裝置組成，將鋼索放置到臺架上，由兩端液壓裝置將鋼索拉緊并固定，以便于檢測試驗。漏磁檢測裝置由檢測探頭、數據線、儀表箱等組成。其中探頭由環式永磁體、環式銜鐵、環式磁敏傳感器、探頭體殼、手柄等構成；而儀表箱則由信號放大處理器、電源、信號顯示及軟件操作系統組成。

2.2檢測探頭設置

2.2.1磁化器設置

基于漏磁檢測，在磁化方式上根據勵磁磁源分為線圈磁化和永磁磁化兩種，線圈磁化一般是利用電源供電使線圈產生磁場對鋼絲繩進行磁化，能根據使用需求調節勵磁磁場大小：永磁磁化的方式以永磁鐵作為勵磁源對鋼絲繩進行磁化，磁化磁場的大小根據永磁體的材料及磁化回路的結構而定，不易隨現場需要而調節。在磁化方式的選擇上，由于阻攔索的型號固定，采用固定的永磁鐵及磁化回路能夠滿足阻攔索的磁化需求，并且永磁磁化方式具有體積小、質量輕、無需電源等特點，使得檢測探頭相對方便、靈活、質量輕，適宜現場檢測的實際需求。

2.2.2傳感器設置

航母阻攔系統中鋼索處于海洋環境，并且工作情況特殊，在使用過程中，阻攔索會受到艦載機的巨大沖擊，而滑輪組索在與滑輪的相互作用中磨損劇烈，所以鋼索的損傷情況較為復雜，腐蝕、斷絲、繩徑變細、局部變形等均可能發生。根據損傷特點，結合LF檢測法及LMA檢測法設置檢測傳感器，以便結合兩種檢測方式的優勢，對鋼索的斷絲及金屬截面積損失進行重點檢測。

漏磁檢測中磁場的采集一般有電感元件、霍爾元件、磁敏電阻等檢測元件。電感元件通過線圈切割磁力線產生感應電流，測量的是磁場的相對變化量，對空間域上高頻率磁場信號具有比較高的敏感性，在LF型損傷的檢測上具有較好的檢測效果：霍爾元件檢測磁信號的原理基于霍爾效應，將通過控制電流的霍爾元件置于垂直于控制電流的磁場中即可產生霍爾電壓，能夠測量絕對磁場大小，常用于LMA型損傷的檢測㈣。因此，將電感元件與霍爾元件兩種磁敏元件組合制作環形陣列傳感器，如圖5所示。

2.3缺陷制作

2.3.1斷絲缺陷制作

參照斷絲缺陷的制作標準配置鋼索斷絲缺陷，在圖4所示的鋼索中進行試驗研究，該段鋼索長度約11.5m，其中除去兩端固定，實際檢測長度約為10.8m。在鋼索上制作的缺陷有11處，如圖6所示，距離所選起點位置約1.4，2.2，2.5，2.9m處分別制作單根斷絲缺陷，缺口大小分別為1.5，3.0，6.0，12.0mm；在3.7，6.0，9.0m處分別制作兩根斷絲缺陷，缺口大小分別為1.5，3.0，6.0mm；在9.6m處制作三根斷絲缺陷，斷口大小為1.5mm；在4.5，5.1，7.7m處制作切痕缺陷。

2.3.2金屬截面積損傷缺陷制作

另選取一段長約為60cm的鋼索進行試驗研究，如圖7所示，第1部分為未制作缺陷的鋼索；第2部分截取1根單絲，長度約為5cm；第3部分截取2根單絲，長度約為5cm；第4部分截取3根單絲，長度約為5cm。

3檢測試驗及結果分析

3.1斷絲檢測

使用該檢測系統對制作的斷絲缺陷進行檢測試驗，打開儀表箱檢測開關，將檢測探頭安裝在鋼索上，從圖7所示的起點位置開始沿軸向勻速移動檢測探頭，得到檢測信號，為了考察試驗的可重復性，進行3次試驗，由于鋼索繩股之間存在縫隙，會檢測到股間信號，對缺陷的判別形成干擾，對檢測信號設定閾值，濾除繩股信號，便于信號的識別，3次檢測的原始信號及處理后信號如圖8～圖10所示。

從圖中3次檢測的信號可以看出，該設備具有較好的重復性，曲線為4路電感元件通道所采集到磁場信號曲線組合而成，將缺陷位置圖放入信號圖中與檢測缺陷進行對比，所制作的缺陷均能夠通過儀器檢測出，并且具有良好的信噪比，但位置不能完全對應，其原因是該信號圖為時間電壓信號，檢測位置與檢測時設備移動的速度有關。

分析各缺陷所對應的檢測幅值信號，如圖11所示，在信號圖中前4個信號為單根斷絲缺陷信號，可以發現隨著斷絲斷口長度的增加，信號的幅值有所減小：比較斷絲數量不同的信號，發現斷絲數量增加，信號幅值有所增加；圖中第4.5，5.1，7.7m處缺陷為切痕缺陷，該種類缺陷損傷較小，其信噪比也較小，但在信號圖中也能夠識別出這幾處缺陷。

3.2截面積損傷檢測

霍爾元件能夠測量靜態磁場，使用該檢測裝置對圖7中制作的損傷進行檢測試驗，首先將檢測探頭置于圖示第I部分，獲取磁場信息測得靜態電壓值，然后依次置于第II、III、Ⅳ部分進行測量，檢測所得信號如圖12所示。

信號圖為時間電壓信號，圖中曲線為霍爾元件通道所采集到磁場信號曲線，圖中幅值信號分為4個部分，第1段對應未制作缺陷部分，其輸出幅值約為1900mV，第2段對應截取一根斷絲部分，其輸出幅值約為1925mV，第3段為截取兩根斷絲部分，其輸出幅值約為1970mV，第4段為截取3根斷絲部分，輸出幅值約為2000mV，4個部分問的信號波動為移動檢測探頭產生的噪聲信號。由檢測結果可知，隨著阻攔索斷絲數量的增加，電壓幅值呈增加趨勢，可以反映出阻攔索金屬截面積的變化。

4結束語

為了有效檢測航母阻攔系統中鋼索損傷缺陷，搭建檢測臺架，制作模擬缺陷，借鑒工業鋼絲繩檢測方法，基于漏磁檢測技術，設置檢測探頭，并進行檢測試驗研究。從檢測信號分析可以得出，該儀器具有比較好的重復性，所設置的檢測探頭能夠檢測出制作的模擬斷絲缺陷及截面積變化缺陷，并具有較好的信噪比。