架空乘人裝置鋼絲繩檢測磁場仿真與算法設(shè)計

倪亞軍， 劉敏強

（1.山西司馬煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047105；2.太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

煤礦生產(chǎn)中，架空乘人裝置正常運轉(zhuǎn)保證井下運輸工作順利進行。由于井下環(huán)境多塵，氣體成分復(fù)雜，外加乘人裝置長期運行，鋼絲繩易發(fā)生疲勞、損傷、腐蝕、斷線等[1]，存在極大的安全隱患，所以要定期對鋼絲繩進行檢測。傳統(tǒng)鋼絲繩檢測工作人員利用卡尺測量、手部觸摸等方法檢查鋼絲繩，該方法存在誤差大、可靠性低、依賴工作人員經(jīng)驗等缺點，很難檢查鋼絲繩內(nèi)部缺陷。隨著自動化技術(shù)發(fā)展，例如超聲波、電渦流、X 射線、光學(xué)、固體、空氣及漏磁檢測法等[2]新的檢測技術(shù)產(chǎn)生，但上述大部分檢測方法成本較高，無法應(yīng)用于實際的生產(chǎn)中。漏磁檢測法相比于其他檢測方法成本低、獲得的數(shù)據(jù)容易記錄，適用于導(dǎo)磁性良好的鋼絲繩，而且不易受到外部信號干擾，解決了傳統(tǒng)檢測方法效率低精度差的問題。國外一些公司以永磁體為勵磁裝置，利用GMR 傳感器陣列檢測索道鋼絲繩，此外國內(nèi)也出現(xiàn)了如上海且華MTC 和洛陽TCK 便攜型探傷儀等不同型號的無損探傷儀器。漏磁檢測雖廣泛使用，但其檢測結(jié)果會被磁化裝置幾何形狀和物理參數(shù)、工作環(huán)境等因素干擾[3]，而且裝置不能通過相關(guān)參數(shù)預(yù)測鋼絲繩是否受損。本文對漏磁檢測原理進行分析，確定檢測裝置結(jié)構(gòu)，對勵磁磁場分布進行分析，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對相關(guān)特征進行訓(xùn)練，推斷出同類型的鋼絲繩損傷情況。

1 建立鋼絲繩模型

針對架空乘人裝置實際應(yīng)用情況選擇型號為6×19S 的鋼絲繩。鋼絲繩的直徑為20 mm，鋼絲繩長度截取150 mm[4]。對鋼絲繩進行電磁仿真時，取鋼絲繩單股進行分析表征鋼絲繩整體的勵磁狀態(tài)。為節(jié)省時間，本文取模型的1/6，即19 股鋼絲進行仿真。

2 檢測裝置模型與仿真

2.1 勵磁磁場仿真

漏磁檢測的勵磁過程采用勵磁裝置將鋼絲繩磁化到飽和狀態(tài)，以求獲得信噪比高、信號強度較強的缺陷信號。由于鋼絲繩整體磁化難度大、成本高，漏磁檢測過程多采用局部磁化。檢測裝置勵磁一般采用電流勵磁法和永磁體勵磁法。勵磁方式選擇永磁體勵磁，優(yōu)點是磁能高、勵磁裝置體積小、重量輕[5]。永磁體的材料為NdFe35，徑向充磁，如圖1 所示。考慮到元件檢測范圍有限，為了使永磁體勵磁磁場完全覆蓋整個鋼絲繩外表面檢測區(qū)域，對所需勵磁裝置個數(shù)N進行計算：

圖1 漏磁檢測原理圖

式中：d 為鋼絲繩的直徑；l 為元件的檢測范圍。

為了測得檢測點位置不同時檢測點處的磁場強度，在仿真之前，添加5 個點在不同的位置上。在建模時添加變量，用來調(diào)整斷絲位置鋼絲之間距離，并且設(shè)置計算域為包含整個模型的矩形真空域。經(jīng)過仿真可得檢測點處磁場強度如下頁圖2 所示。

圖2 不同檢測位置下漏磁場強度

2.2 仿真結(jié)果分析

當l=3.5 mm 和l=4.0 mm 時，磁場強度隨斷口間距變化劇烈波動，且當斷口間距為2 ～3 mm 時，檢測點處的磁場強度與沒有斷絲時的磁場強度差別不明顯。當檢測點位于4.5～5.5 mm 時，斷絲位置處的磁場強度變化明顯，由式（2）計算可得檢測點與鋼絲繩之間的最佳距離為1.2～2.2 mm 之間。

為了確定霍爾元件在鋼絲繩軸向安裝位置，利用Maxwell 對檢測對象受損周邊磁場分布仿真，觀察鋼絲繩磁化后的磁場強度云圖，分析其磁場分布，如圖3 所示。采用自適應(yīng)網(wǎng)格，為了使在鋼絲繩上劃分的網(wǎng)格更加均勻規(guī)則，將鋼絲繩截面的圓形鋼絲簡化為24 邊近似圓形鋼絲。通過圖中顏色可以清晰看到鋼絲繩位于勵磁裝置中心部分磁場強度最大，所以漏磁檢測裝置安裝在勵磁裝置中心處距離鋼絲繩1.5～2.2 mm 處，保證檢測裝置靈敏度。

圖3 磁場分布云圖

3 利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對損傷情況進行預(yù)測

經(jīng)過傳感器收集到的損傷信號往往混雜著干擾信號，需要進行降噪處理才能得出清晰的損傷信號。經(jīng)過降噪后損傷信號的參數(shù)特征可以在一定程度呈現(xiàn)鋼絲繩損傷分布情況：斷絲信號附近存在局部峰值；峰峰值降低信號基準線波動的干擾，提高檢測結(jié)果的可靠性；波寬是判別斷口寬度的指標，與其他參數(shù)結(jié)合可以大體判斷出斷口的形狀與大小，是定量檢測中不可缺少的特征量之一；波形下面積的變化反映了波動信號時間空間兩個維度上的信息。利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測鋼絲繩損傷情況流程如圖4。

圖4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練流程圖

對現(xiàn)有的鋼絲繩樣品進行檢測獲得損傷信號，將損傷信號相關(guān)參數(shù)代入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓(xùn)練得出鋼絲繩的損傷情況。訓(xùn)練集與測試集部分參數(shù)如表1、表 2 所示。

表1 鋼絲繩訓(xùn)練集部分參數(shù)

表2 鋼絲繩測試集部分參數(shù)

通過將訓(xùn)練集代入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓(xùn)練，得到架空乘人裝置鋼絲繩受損模型。利用測試集對所得模型進行檢驗，該模型的預(yù)測精準度高達94.5%。

4 結(jié)語

本文利用永磁體對鋼絲繩測量部位進行局部磁化，對鋼絲繩單股的勵磁情況進行分析。對磁場進行測量提取出缺陷信號并對其進行降噪處理，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行處理，可推斷出鋼絲繩的損傷情況。漏磁檢測代替人工方法檢測鋼絲繩，減少了人工成本，提高檢測效率，極大降低鋼絲繩使用過程中存在的安全隱患。