礦用鋼絲繩雙源磁回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

關(guān)鍵詞：礦用鋼絲繩局部損傷；電磁無損檢測(cè)；雙源磁回路；主磁通；漏磁

中圖分類號(hào)：TD532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

鋼絲繩被廣泛應(yīng)用于礦井提升、運(yùn)輸系統(tǒng)中[1-3]，其健康狀態(tài)對(duì)于礦井提升和運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。然而，由于其特殊的線性撓性結(jié)構(gòu)特性，礦用鋼絲繩最薄弱環(huán)節(jié)決定了整體強(qiáng)度，所以亟須對(duì)鋼絲繩局部損傷進(jìn)行檢測(cè)，以確保鋼絲繩具有可靠的強(qiáng)度[4-6]。

近些年來，由于電磁無損檢測(cè)方法可檢測(cè)鋼絲繩內(nèi)外部損傷，且具有一定的精度和較高的效率，一直是重點(diǎn)研究方向[7-8]。基于電磁法的鋼絲繩損傷檢測(cè)包括橫截面積損失（Loss of Metallic Area，LMA）型損傷主磁通檢測(cè)方法和局部缺陷（Local Flaw，LF）型損傷漏磁檢測(cè)方法[9-13]。李建輝等[14]針對(duì)鋼絲繩擺動(dòng)對(duì)勵(lì)磁裝置的影響，設(shè)計(jì)了一套礦用鋼絲繩勵(lì)磁裝置，通過仿真分析明確了相關(guān)參數(shù)對(duì)漏磁檢測(cè)的影響。Ma Yilai 等[15]采用聚磁結(jié)構(gòu)將空間內(nèi)漏磁場(chǎng)引導(dǎo)至傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)，從而增加單個(gè)霍爾傳感器的檢測(cè)范圍。Zhou Zuopu 等[16]提出了一種利用多通道信號(hào)融合原理的方法，能夠從多個(gè)漏磁信號(hào)中提取出豐富的信息。Zhang Donglai 等[17]同時(shí)使用線圈和霍爾傳感器檢測(cè)主磁通和漏磁信號(hào)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩損傷的多尺度檢測(cè)。以上研究表明，主磁通檢測(cè)方法對(duì)于分布較長(zhǎng)的磨損、銹蝕等損傷檢測(cè)具有良好的效果，但對(duì)于局部類損傷，由于受其軸向分辨率限制，檢測(cè)結(jié)果是由局部損傷的值除以檢測(cè)長(zhǎng)度的值所得，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果被平均，低估了損傷的嚴(yán)重程度，檢測(cè)精度較低；在基于漏磁的局部損傷檢測(cè)過程中，漏磁場(chǎng)與損傷分布情況、損傷參數(shù)等多因素相關(guān)，目前定量精度仍不高。

因此，如何提高主磁通檢測(cè)軸向分辨率以使其適應(yīng)軸向?qū)挾雀〉膿p傷，并協(xié)同利用漏磁信號(hào)以提高局部損傷檢測(cè)精度，逐步引起學(xué)界關(guān)注。晏小蘭[13]設(shè)計(jì)了聚磁結(jié)構(gòu)線圈，在線圈測(cè)量主磁通的同時(shí)利用聚磁結(jié)構(gòu)收集缺陷漏磁場(chǎng)，一定程度上提高了主磁通軸向分辨率，但是由于未充分利用漏磁通中與損傷參數(shù)密切相關(guān)的信號(hào)特征，且未明確建立回路結(jié)構(gòu)與磁化效果之間的規(guī)律，模糊了鋼絲繩損傷與磁場(chǎng)信號(hào)之間的映射關(guān)系[18]，仍難以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部損傷的精確檢測(cè)。

針對(duì)上述問題，本文提出一種同時(shí)檢測(cè)主磁通和漏磁的礦用鋼絲繩雙源磁檢測(cè)方法，結(jié)合主磁通與漏磁在局部損傷檢測(cè)方面的互補(bǔ)性，設(shè)計(jì)雙源磁回路結(jié)構(gòu)。提出環(huán)形筒狀和獨(dú)立分離2 種磁回路方案，基于有限元仿真分別驗(yàn)證這2 種方案的可行性并進(jìn)行優(yōu)選；研究磁化回路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁化效果的影響規(guī)律，對(duì)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以構(gòu)建高效磁化結(jié)構(gòu)，最大化利用磁能，構(gòu)建合理磁橋路。

1鋼絲繩雙源磁檢測(cè)方案

鋼絲繩雙源磁檢測(cè)方案原理如圖1 所示。首先，永磁鐵作為勵(lì)磁源為鋼絲繩磁化提供能量，其中銜鐵起導(dǎo)通磁回路、減少回路磁阻、最大化利用磁能的作用；其次，基于霍爾傳感器陣列檢測(cè)漏磁通變化，并通過磁橋結(jié)構(gòu)獲取主磁通量變化；然后，信號(hào)處理模塊對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，提取信號(hào)特征量，利用漏磁通特征量對(duì)磁橋路磁通特征進(jìn)行補(bǔ)充和修正；最后，構(gòu)建數(shù)據(jù)集訓(xùn)練多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過誤差反向傳播優(yōu)化模型，并利用已訓(xùn)練的模型對(duì)鋼絲繩損傷進(jìn)行識(shí)別。

2磁回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由鋼絲繩雙源磁檢測(cè)方案可知，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行漏磁和主磁檢測(cè)時(shí)，需要先將鋼絲繩磁化至飽和狀態(tài)，當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)損傷時(shí)，漏磁和主磁信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)，測(cè)量這一波動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行反演識(shí)別即可得到損傷信息。為了實(shí)現(xiàn)飽和磁化，將磁力線更多地引導(dǎo)至鋼絲繩內(nèi)部，避免磁鐵磁能的浪費(fèi)。當(dāng)前，可構(gòu)造的基本構(gòu)型主要有環(huán)形筒狀回路結(jié)構(gòu)和獨(dú)立分離回路結(jié)構(gòu)2 類。基于傳統(tǒng)的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，本文提出雙源磁檢測(cè)環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路和獨(dú)立分離勵(lì)磁回路方案。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）雙源磁檢測(cè)環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路由鋼絲繩簡(jiǎn)化模型、筒狀主銜鐵、環(huán)形側(cè)銜鐵、環(huán)形永磁鐵和空氣隙組成，如圖2 所示。環(huán)形永磁鐵采用徑向充磁，同側(cè)的環(huán)形永磁鐵充磁方向相同，上下2塊半圓環(huán)狀磁鐵可組成整圓套在鋼絲繩上，此時(shí)環(huán)形永磁鐵在鋼絲繩中心處的磁場(chǎng)相互抵消，從而避免磁鐵磁力對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生干涉。該回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件個(gè)數(shù)少，但是整體體積較大，質(zhì)量較大[19]。

2） 雙源磁檢測(cè)獨(dú)立分離勵(lì)磁回路由多個(gè)磁化回路組合而成，如圖3 所示。單組磁回路由2 塊極性相反的塊狀磁鐵和長(zhǎng)條狀銜鐵組成。多組回路中的磁鐵和銜鐵相對(duì)鋼絲繩周向等距陣列分布，周向陣列磁鐵在鋼絲繩中心產(chǎn)生的磁場(chǎng)同樣可相互抵消，陣列面上鋼絲繩軸心處磁場(chǎng)強(qiáng)度基本為零。該回路的體積較小，質(zhì)量較小[20]。

2.2仿真與對(duì)比分析

在對(duì)鋼絲繩勵(lì)磁器設(shè)計(jì)及磁信號(hào)分布規(guī)律研究中，有限元數(shù)值仿真方法能夠模擬不同勵(lì)磁結(jié)構(gòu)及損傷類型與參數(shù)，直觀地分析不同回路的磁化效果。因此，對(duì)2 種磁回路方案分別進(jìn)行Maxwell 磁仿真，以驗(yàn)證漏磁檢測(cè)和磁橋路檢測(cè)的可行性，為方案選擇提供依據(jù)[21]。

2.2.1雙源磁檢測(cè)環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路可行性驗(yàn)證

1）勵(lì)磁分析。環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路三維仿真模型如圖4（a）所示，鋼絲繩尺寸為160 mm×19 mm，外部勵(lì)磁源為圓環(huán)型N52 釹鐵硼磁鐵，充磁方向?yàn)閺较虺浯牛盆F的矯頑力設(shè)置為955 kA/m，剩磁設(shè)置為1.45 T，銜鐵選擇Steel_1008，其余部分為空氣材料，材質(zhì)選擇Vacuum，相對(duì)磁導(dǎo)率默認(rèn)為1，網(wǎng)格剖分如圖4（b）所示。

鋼絲繩和環(huán)形磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和鋼絲繩內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度沿軸向分布如圖5 所示。兩端磁鐵中間的鋼絲繩磁化段的磁化強(qiáng)度達(dá)2.0 T。由圖5（b）可知，環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路結(jié)構(gòu)能夠?qū)摻z繩磁化至飽和狀態(tài)。

2） 漏磁檢測(cè)可行性分析。為驗(yàn)證環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路方案中漏磁檢測(cè)方法的可行性，在鋼絲繩（模型中為圓柱體鋼棒）表面制作長(zhǎng)6 mm、寬2 mm、深5 mm 的長(zhǎng)方體損傷，距離損傷表面3 mm 高度設(shè)置檢測(cè)線，檢測(cè)線上的磁通密度分布如圖6 所示。可看出漏磁場(chǎng)的軸向和徑向分量都有明顯的波動(dòng)，軸向分量表現(xiàn)為脈沖信號(hào)，徑向分量表現(xiàn)為波峰和波谷的組合，信號(hào)形態(tài)與斷口磁偶極子模型漏磁場(chǎng)信號(hào)形態(tài)相似。因此證明環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路方案能夠?qū)崿F(xiàn)漏磁檢測(cè)的正常進(jìn)行。

3） 磁橋路檢測(cè)有效性分析。為驗(yàn)證環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路方案中磁橋路方法的有效性，首先探究截面損失率與環(huán)形回路磁橋路磁通密度的聯(lián)系，將截面損失率從0 增加至13.85%，環(huán)形回路磁橋路磁通密度幅值變化如圖7 所示。可看出磁橋路磁通密度幅值較低、變化無規(guī)律性且與截面損失率呈非線性關(guān)系，推測(cè)此時(shí)的磁橋路中磁通量是空氣中彌散的磁通，而非所設(shè)計(jì)磁橋路引導(dǎo)的磁通。為驗(yàn)證猜測(cè)，將仿真模型中所構(gòu)建磁橋路刪除，保留檢測(cè)線，重新仿真，發(fā)現(xiàn)磁橋路處磁通密度仍有3.3 mT 左右，因此可以判斷環(huán)形回路下磁橋路檢測(cè)方法是失效的。

為探究磁橋路的失效原因，查看環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路結(jié)構(gòu)中的磁橋路磁通密度矢量分布，如圖8 所示。可看出磁橋路中的磁化強(qiáng)度較低，僅有頂端和底端處的磁力線能夠按照所設(shè)計(jì)的預(yù)期回路一致。

環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路中主銜鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖9所示。可看出主銜鐵的頂端和底端處磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為500 mT，而其他部位的磁化強(qiáng)度非常低，整體未被飽和磁化，導(dǎo)致頂端和底端的磁力線會(huì)向磁感應(yīng)強(qiáng)度低的地方擴(kuò)散。進(jìn)一步證明了環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路方案中磁橋路方法的不足，因此環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路無法滿足勵(lì)磁要求。

理想情況下環(huán)形磁鐵的輻向充磁效果如圖10（a）所示，充磁方向由環(huán)狀外側(cè)各點(diǎn)指向圓心或由圓心指向環(huán)狀外側(cè)，理想充磁下，構(gòu)建的磁回路理論上應(yīng)是N 個(gè)回路，N 接近于無窮大。受限于當(dāng)前的永磁鐵制造技術(shù)，半圓環(huán)的實(shí)際充磁效果如圖10（b）所示，這導(dǎo)致實(shí)際構(gòu)建的磁路只有2 個(gè)回路，因此實(shí)際的磁化不均勻，表現(xiàn)為頂端和底端磁化強(qiáng)度較高，其他位置較低，同時(shí)也造成了永磁鐵磁能的浪費(fèi)。

由于磁橋路檢測(cè)功能的失效，環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路結(jié)構(gòu)不適用于本文的雙源檢測(cè)方案。

2.2.2雙源磁檢測(cè)獨(dú)立分離勵(lì)磁回路可行性驗(yàn)證

1） 勵(lì)磁分析。獨(dú)立分離勵(lì)磁回路三維仿真模型如圖11（a）所示，仿真參數(shù)、損傷參數(shù)等設(shè)置均與環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路仿真相同。網(wǎng)格剖分如圖11（b）所示。

鋼絲繩和塊狀磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和鋼絲繩內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值沿軸向分布情況如圖12 所示。可看出兩端磁鐵中間部分的磁化強(qiáng)度可達(dá)到1.9 T 以上，說明獨(dú)立分離勵(lì)磁回路結(jié)構(gòu)能夠?qū)摻z繩磁化至飽和狀態(tài)。

2） 漏磁檢測(cè)和磁橋路檢測(cè)的可行性分析。為驗(yàn)證獨(dú)立分離勵(lì)磁回路中漏磁檢測(cè)和磁橋路檢測(cè)的可行性，設(shè)計(jì)與環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路相同的仿真實(shí)驗(yàn)。獨(dú)立分離勵(lì)磁回路方案的磁橋路磁通密度如圖13所示。可看出獨(dú)立分離勵(lì)磁回路方案中漏磁檢測(cè)方法同樣具有可行性，獨(dú)立分離勵(lì)磁回路的磁橋路磁通密度的幅值變化與截面損失率呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，驗(yàn)證了該方案中磁橋路檢測(cè)法的可行性。

從功能性角度考慮，環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路的磁橋路檢測(cè)勵(lì)磁效果較獨(dú)立分離勵(lì)磁回路差，且無法滿足設(shè)計(jì)要求；從輕量化角度考慮，在具有同等勵(lì)磁效果的情況下，環(huán)形筒狀勵(lì)磁回路需要較大的體積和質(zhì)量，而獨(dú)立分離勵(lì)磁回路更加小型和輕量化，易于實(shí)際使用。因此選擇獨(dú)立分離勵(lì)磁回路作為本文探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)。

3磁回路結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真分析

通過建立仿真模型，確定具體的磁回路結(jié)構(gòu)與參數(shù)，探究銜鐵、磁源結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)磁化效果的影響規(guī)律，研究磁橋路結(jié)構(gòu)與參數(shù)對(duì)磁橋路磁通密度分布的影響規(guī)律。

3.1銜鐵參數(shù)選擇

銜鐵在磁回路中起著引導(dǎo)磁力線、導(dǎo)通磁路的作用，銜鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅影響鋼絲繩的磁化效果和永磁鐵磁能的利用效率，同時(shí)也影響后續(xù)利用磁敏元件檢測(cè)損傷磁場(chǎng)的難易程度，因此有必要對(duì)銜鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探究銜鐵參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)的影響規(guī)律[20]。對(duì)銜鐵結(jié)構(gòu)仿真的過程中，遵循控制變量原則，限定永磁鐵長(zhǎng)度為20mm，寬度為16mm，厚度為10 mm 并保持不變。

1） 回路個(gè)數(shù)。為探究回路個(gè)數(shù)對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響， 將回路個(gè)數(shù)分別設(shè)置為1，2， 4， 8，如圖14所示。鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化如圖15 所示，可看出當(dāng)回路個(gè)數(shù)成倍增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼絲繩磁化強(qiáng)度也近似成倍增加，8 個(gè)回路時(shí)鋼絲繩的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.907 9 T，此時(shí)鋼絲繩已經(jīng)磁化至飽和狀態(tài)，滿足檢測(cè)需求。

2） 銜鐵長(zhǎng)度。為研究主銜鐵長(zhǎng)度變化對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響，設(shè)置主銜鐵厚度為10 mm、寬度為15 mm， 側(cè)銜鐵高度設(shè)為30 mm。主銜鐵長(zhǎng)度從20 mm 開始，以20 mm為步長(zhǎng)不斷增加至140 mm，如圖16 所示。

銜鐵長(zhǎng)度變化時(shí)鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化如圖17 所示，可看出隨著銜鐵長(zhǎng)度增加，鋼絲繩磁化強(qiáng)度逐漸降低，近似呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。從探頭輕量化角度出發(fā)，應(yīng)盡量減小主銜鐵長(zhǎng)度，但考慮到主銜鐵長(zhǎng)度較小時(shí)，兩側(cè)磁鐵相距過近，對(duì)背景磁場(chǎng)的影響較大，從而影響漏磁場(chǎng)的檢測(cè)。

銜鐵長(zhǎng)度為20，40 mm 時(shí)，背景磁場(chǎng)分布情況如圖18 所示。可看出銜鐵長(zhǎng)度為40 mm 時(shí)，背景磁場(chǎng)較均勻穩(wěn)定，后續(xù)可通過合理的電路設(shè)計(jì)減小背景磁場(chǎng)對(duì)漏磁檢測(cè)的影響。銜鐵長(zhǎng)度為20 mm 時(shí)，背景磁場(chǎng)較不均勻，后續(xù)信號(hào)處理難度較大。因此主銜鐵長(zhǎng)度選擇40 mm 及以上，本文選擇主銜鐵長(zhǎng)度為40 mm。

3）銜鐵厚度。為研究主銜鐵厚度變化對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響，在保證主銜鐵長(zhǎng)度為10 mm、寬度為15 mm，側(cè)銜鐵高度為30 mm 的前提下，將主銜鐵厚度分別設(shè)置為4，6，8，10，12，14，16 mm，如圖19 所示。

銜鐵厚度改變時(shí)鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化情況如圖20 所示。可看出主銜鐵厚度從4 mm 增加至10 mm 時(shí)， 磁化強(qiáng)度急劇增加； 從10 mm 增加至16 mm 時(shí)，磁化強(qiáng)度幾乎沒有變化。銜鐵厚度增加會(huì)使探頭質(zhì)量增大，因此綜合考慮探頭質(zhì)量與上述規(guī)律，選擇主銜鐵厚度為10 mm。

4）側(cè)銜鐵高度。設(shè)置主銜鐵長(zhǎng)度為40 mm，厚度為10 mm，寬度為15 mm，側(cè)銜鐵高度分別為20，25，30，35，40，45，50，55，60，65 mm。鋼絲繩的磁化強(qiáng)度變化情況如圖21 所示。可看出側(cè)銜鐵高度變化時(shí)，鋼絲繩磁化強(qiáng)度幾乎不變，因此為了盡可能減小探頭的體積和質(zhì)量，應(yīng)盡量降低銜鐵高度。但是銜鐵高度較小時(shí)，會(huì)使探頭內(nèi)部的空間較小，影響檢測(cè)電路等器件的放置。因此綜合考慮內(nèi)部空間，選擇側(cè)銜鐵高度為30 mm。

5） 銜鐵寬度。采用控制變量的方法保持主銜鐵長(zhǎng)度為40 mm、厚度為10 mm， 側(cè)銜鐵高度為30 mm 不變，將銜鐵寬度從8 mm 以步長(zhǎng)2 mm 逐漸增加至20 mm。側(cè)銜鐵寬度變化時(shí)鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化情況如圖22 所示。可看出銜鐵寬度從8 mm 增加至12 mm 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大了46.31%，從12 mm增加至16 mm 時(shí)，增大了26.54%，從16 mm 增加至18 mm 時(shí)，只增加了6.28%。由于銜鐵材料工業(yè)純鐵DT4 的密度較高，銜鐵寬度的增加會(huì)使探頭質(zhì)量急劇增加，16 mm 后增加探頭寬度導(dǎo)致質(zhì)量增加的缺陷大于磁感應(yīng)強(qiáng)度增大的收益，因此綜合考慮磁化效果與探頭輕量化， 確定銜鐵寬度為16 mm。

3.2永磁鐵參數(shù)設(shè)計(jì)

為探究永磁鐵參數(shù)對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響規(guī)律，采用控制變量法設(shè)置主銜鐵長(zhǎng)度為40 mm、厚度為10 mm、寬度為16 mm， 側(cè)銜鐵高度為30mm。每次仿真只改變永磁體的某一參數(shù)。

1）永磁鐵牌號(hào)。不同牌號(hào)釹鐵硼永磁鐵參數(shù)見表1。永磁鐵牌號(hào)會(huì)影響勵(lì)磁效果，因此采用單一變量法，設(shè)置永磁鐵長(zhǎng)度為20 mm，寬度為16 mm，厚度為10 mm，提離值為4 mm，僅改變永磁鐵牌號(hào)。

永磁鐵牌號(hào)變化時(shí)鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化情況如圖23 所示。可看出在其他參數(shù)不變的情況下，牌號(hào)越大的永磁鐵對(duì)鋼絲繩的磁化強(qiáng)度越高，N38 以上牌號(hào)可將鋼絲繩磁化至飽和狀態(tài)，但為了增加其他結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)整的富裕度，且考慮各牌號(hào)磁鐵之間成本差異較小，選擇永磁鐵牌號(hào)為N52。

2）永磁鐵長(zhǎng)度。為研究永磁鐵長(zhǎng)度對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響規(guī)律，設(shè)置永磁鐵牌號(hào)為N52，寬度為16 mm，厚度為10 mm，提離值為4 mm，永磁鐵長(zhǎng)度分別為16，18，20，22，24，26，28 mm。鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化情況如圖24 所示。可看出隨著永磁鐵長(zhǎng)度增加， 鋼絲繩磁化強(qiáng)度逐漸增加； 永磁體長(zhǎng)度由16 mm 增大到20 mm 時(shí)，鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度增加了14%；長(zhǎng)度由20 mm 增大到24 mm 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加了6.9%；長(zhǎng)度由26 mm 增大到28 mm 時(shí)，只增加了3.5%。可見隨著永磁鐵長(zhǎng)度的增加，對(duì)鋼絲繩磁化強(qiáng)度增加的貢獻(xiàn)在逐漸降低。因此，本文磁鐵長(zhǎng)度選擇20 mm。

3） 永磁鐵厚度。為研究永磁鐵厚度對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響，設(shè)置磁鐵牌號(hào)為N52，寬度為16 mm，長(zhǎng)度為20 mm，提離值為4 mm，永磁鐵厚度分別為4，6，8，10，12，14，16，18 mm。永磁鐵厚度變化時(shí)鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化情況如圖25 所示。可看出當(dāng)永磁鐵厚度從4 mm 增大到10 mm 時(shí)，鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度增加了31.3%；厚度從10 mm 增大到28 mm 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加了7%。永磁鐵厚度的增加對(duì)鋼絲繩磁化效果增強(qiáng)的貢獻(xiàn)在逐漸降低，因此磁鐵厚度選擇為10 mm。

4） 永磁鐵提離值。為研究永磁鐵提離值對(duì)鋼絲繩磁化效果的影響，設(shè)置磁鐵牌號(hào)為N52，寬度為16 mm，長(zhǎng)度為20 mm，厚度為10 mm，提離值分別為3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18，20 mm。永磁鐵提離值變化時(shí)鋼絲繩磁化強(qiáng)度變化情況如圖26 所示。可看出當(dāng)提離值由3 mm增加到20 mm 時(shí)，鋼絲繩磁化強(qiáng)度從2.0 T 非線性下降到約0.8 T，整體下降幅度達(dá)60%； 在提離值為3 mm 時(shí)， 磁化強(qiáng)度為2.0 T；在提離值為10 mm時(shí)，磁化強(qiáng)度降至約1.3 T，較初始值下降了35%； 當(dāng)提離值繼續(xù)增加到20mm 時(shí)，磁化強(qiáng)度進(jìn)一步降至約0.8 T，相較于初始值，下降了60%。提離值的增加會(huì)顯著降低鋼絲繩磁化強(qiáng)度，說明提離值對(duì)磁化效果具有較大的影響。為了將鋼絲繩磁化至深度飽和區(qū)，應(yīng)盡量減小永磁鐵提離值，但提離值過小會(huì)使永磁鐵的裝配難度增大，綜合考慮將永磁鐵提離值設(shè)置為4 mm。

3.3磁橋路參數(shù)選擇

為探究磁橋路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磁橋路磁通密度分布的影響規(guī)律，采用控制變量法將主銜鐵的長(zhǎng)度、厚度、寬度和側(cè)銜鐵高度分別設(shè)置為40，10，16，30 mm，永磁鐵長(zhǎng)度、寬度、厚度分別限定為20，16，10 mm并保持不變。每次仿真只改變磁橋路的單一參數(shù)。

1） 磁橋路提離值對(duì)磁橋路磁場(chǎng)分布的影響。設(shè)置磁橋路厚度為4 mm，寬度為16 mm，空氣間隙為4 mm，改變提離值為14.0，14.5，15.0，15.5，16.0，16.5，17.0，17.5，18.0 mm。磁橋路磁通密度在空氣間隙中的分布結(jié)果如圖27 所示。可看出隨著磁橋路提離值的增加，磁橋路磁通密度先增加后降低，整體變化幅度不大。值得注意的是，當(dāng)提離值由14.5 mm 降低到14.0 mm 和由17.5 mm 增加到18.0 mm 時(shí)，磁橋路磁通密度相對(duì)下降得較劇烈。當(dāng)磁橋路提離值為14.0，18.0 mm 時(shí)，磁橋路磁通密度分布曲線中段發(fā)生了畸變。

提離值為14.0， 15.5， 16.0， 18.0 mm 時(shí)的磁力線分布情況如圖28 所示。可看出提離值為14.0 或18.0 mm 時(shí)，磁橋路分別距離鋼絲繩損傷和主銜鐵較近，磁橋路磁通分別受漏磁通和主銜鐵磁通的影響，導(dǎo)致磁通密度分布曲線產(chǎn)生了畸變。提離值為15.5，16.0 mm 時(shí)，磁橋路磁通受到的影響較小，因此未產(chǎn)生明顯畸變。

綜上，確定提離值時(shí)應(yīng)盡量使磁橋路與主銜鐵磁路保持一定距離，盡量減小其他磁路干擾對(duì)磁橋路的影響。因此，本文的磁橋路提離值選擇16.0 mm。

2） 磁橋路厚度對(duì)磁橋路磁場(chǎng)分布的影響。設(shè)置磁橋路提離值為16 mm，寬度為16 mm，空氣間隙為4 mm，厚度分別為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 mm。磁橋路厚度變化時(shí)磁通密度如圖29 所示。可看出隨著磁橋路厚度的增加，磁橋路磁通密度逐漸增加，但增加速度逐漸降低。相較于磁橋路提離值，磁橋路厚度對(duì)磁橋路磁通密度的影響更大，為使磁敏元件處于線性工作區(qū)間內(nèi)，應(yīng)合理選擇磁橋路厚度。此外，當(dāng)磁橋路厚度小于等于3.0 mm時(shí)，磁橋路空氣隙中的磁通密度沿軸向分布的不均勻程度較高，因此本文設(shè)計(jì)磁橋路厚度時(shí)應(yīng)大于3.0 mm。考慮到磁橋路過厚會(huì)使得檢測(cè)電路等其他裝置的空間受到壓縮，因此磁橋路厚度也不宜過大。綜合考慮上述因素，本文最終選擇的磁橋路厚度是4.0 mm。

3）磁橋路空氣間隙對(duì)磁橋路磁場(chǎng)分布的影響。

設(shè)置磁橋路提離值為16 mm，寬度為16 mm，厚度為4 mm，空氣間隙分別為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 mm。由于仿真過程中空氣間隙一直在改變，為更全面地展現(xiàn)整個(gè)空氣間隙的磁通密度分布，將檢測(cè)線設(shè)置為6.1 mm，結(jié)果如圖30 所示。可看出空氣隙從2.0 mm增加至6.0 mm 時(shí)，磁橋路磁通密度逐漸降低， 3.5 mm 以后降速變緩，由1.2 T 下降至約0.7 T，降幅為41.7%。整體來看，磁橋路空氣隙對(duì)磁橋路磁通密度分布影響較大，因此，設(shè)計(jì)磁橋路結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)合理選擇磁橋路空氣隙大小，以保證磁橋路準(zhǔn)確地識(shí)別損傷引發(fā)的磁信號(hào)變化。

4結(jié)論

1）針對(duì)當(dāng)前礦用鋼絲繩局部損傷檢測(cè)精度低的問題，提出了一種同時(shí)檢測(cè)主磁通和漏磁的雙源磁檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了環(huán)形筒狀和獨(dú)立分離2 種磁回路檢測(cè)方案，并開展磁場(chǎng)仿真分析，使用Maxwell 進(jìn)行磁仿真，驗(yàn)證漏磁檢測(cè)和磁橋路檢測(cè)的可行性，最終選擇獨(dú)立分離回路作為磁回路基本結(jié)構(gòu)。

2） 研究了磁回路中的銜鐵回路個(gè)數(shù)、銜鐵長(zhǎng)度、高度等參數(shù)對(duì)磁化效果的影響。結(jié)果表明，磁化幅值與回路數(shù)量呈正相關(guān)，與銜鐵長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，而銜鐵高度對(duì)磁化效果影響不顯著。當(dāng)回路個(gè)數(shù)為8 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.9 T，鋼絲繩已磁化至飽和狀態(tài)，能夠滿足檢測(cè)需求。

3） 研究了永磁鐵牌號(hào)、長(zhǎng)度、厚度、提離值等參數(shù)對(duì)磁化效果的影響。結(jié)果表明，磁化幅值與永磁鐵的牌號(hào)、長(zhǎng)度和厚度呈正相關(guān)，而與提離值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)提離值從3 mm 增加到20 mm 時(shí)，鋼絲繩的磁化強(qiáng)度從2.0 T 降至0.8 T，整體下降幅度達(dá)到60%。

4） 研究了磁橋路提離值、厚度、空氣間隙對(duì)磁橋路磁場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明，磁化幅值與厚度呈正相關(guān)，與空氣間隙呈負(fù)相關(guān)，而提離值對(duì)磁化效果幾乎無影響。其中，磁橋路的空氣間隙對(duì)磁通密度分布影響較大， 當(dāng)空氣間隙從2 mm 增至6 mm時(shí)，磁橋路磁通密度逐漸降低，且在3.5 mm 后下降速率趨緩，從1.2 T 降至0.7 T，降幅為41.7%。