王柏然,童仁園,李 青,金 英,金衛(wèi)良,林 正

(1.中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,浙江 杭州 310020)

滑索承載索是強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)的特種鋼絲繩,長時(shí)間運(yùn)行滑索鋼絲繩會(huì)出現(xiàn)一定損傷,急需一種檢測裝置對(duì)其進(jìn)行探傷檢測,以確保其在安全范圍內(nèi)工作,保證游客人身財(cái)產(chǎn)安全,以及避免定期更換滑索鋼絲繩造成的資源浪費(fèi)。目前鋼絲繩無損檢測有多種,曹青松[1]、于小杰[2]等推進(jìn)了鋼絲繩電渦流檢測方法,檢測速度快、靈敏度高,但由于集膚效應(yīng),該方法仍然存在無法有效檢測鋼絲繩內(nèi)部斷絲的問題。張燦[3]運(yùn)用X光無損檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩缺陷檢測,其探傷能力強(qiáng),可以直接得到X光圖樣,但是X光具有輻射性以及設(shè)備體積較大無法便攜是目前存在的問題。竇毓堂[4]提出空間磁場矢量合成原理,極大推動(dòng)了鋼絲繩弱磁檢測研究的進(jìn)步,但是弱磁探傷能力不強(qiáng)。田青山[5]利用激光檢測技術(shù)有效測量鋼絲繩徑縮變化量,但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較大的問題。聶林[6]運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)有效檢測鋼絲繩內(nèi)部缺陷,但是傳感器需要接觸鋼絲繩,不適合實(shí)際應(yīng)用。本文采用永磁勵(lì)磁,圓周陣列霍爾元件的漏磁檢測法,結(jié)構(gòu)簡單便攜,所需能源小,探傷能力強(qiáng),適合高空檢測。

1 磁路理論設(shè)計(jì)及ANSYS Maxwell磁路仿真

1.1 磁路理論分析

探傷裝置需運(yùn)行在懸空滑索鋼絲繩上,無法攜帶大型電池進(jìn)行勵(lì)磁,所以采用永磁勵(lì)磁法。采用環(huán)形徑向充磁的釹鐵硼永磁鐵,其具有很高的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和很高的剩余磁化強(qiáng)度,可以在氣隙中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場,對(duì)滑索具有穩(wěn)定、持久的磁化能力。裝置示意圖如圖1,其等效磁路如圖2。

圖1 裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of installation

圖2 等效磁路Figure 2 Equivalent magnetic circuit

由磁路歐姆定律:

(1)

(2)

可知,雙磁環(huán)回路磁通量會(huì)多于單磁環(huán)磁通量。在不考慮漏磁即閉合磁路中磁通量不變的情況下,有公式:

(3)

式(3)中:B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;Φ為磁通量,Wb;S為垂直于磁場方向的面積,m2。

可得

(4)

式(4)中:SM是磁環(huán)內(nèi)環(huán)表面積,m2;SR是鋼絲繩徑向截面積,m2;BR1是單磁環(huán)鋼絲繩中磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;BM是磁環(huán)內(nèi)環(huán)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;N是倍數(shù)。

容易得知滑索鋼絲繩中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁環(huán)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的N倍,當(dāng)在滑索鋼絲繩另一端加一個(gè)磁性相反的磁環(huán)時(shí),構(gòu)成閉合磁路,磁通量增加1～2倍,滑索鋼絲繩中的磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)?/p>

BR2=sNBM。

(5)

式(5)中,s為雙磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù),s∈(1,2)。

上述分析可以得知:可以通過控制磁環(huán)內(nèi)環(huán)表面積SM來控制鋼絲繩中的磁感應(yīng)強(qiáng)度BR2。當(dāng)磁環(huán)內(nèi)徑、厚度不變時(shí)可以通過加寬磁環(huán)寬度或加大磁環(huán)厚度來增大滑索鋼絲繩中的磁感應(yīng)強(qiáng)度BR2。以使滑索鋼絲繩被充分磁化至飽和。

1.2 Maxwell磁路仿真

本裝置采用的N38燒結(jié)釹鐵硼永磁環(huán),徑向充磁,可以使滑索鋼絲繩被磁化后的內(nèi)部磁場均勻分布?；麂摻z繩采用Φ16,6×36WS+IWR的鍍鋅鋼絲繩,材料為鋼絲繩碳素鋼。銜鐵材料是電工純鐵,相對(duì)磁導(dǎo)率高,磁路漏磁少。設(shè)定提離值為5.25 mm,磁環(huán)外環(huán)半徑17.25 mm,內(nèi)環(huán)半徑13.25 mm,寬度20 mm。圖3是形狀大小相同磁場強(qiáng)度不同的永磁鐵勵(lì)磁情況下的滑索鋼絲繩表面軸向磁感應(yīng)分布。

圖3 滑索鋼絲繩表面軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Figure 3 Distribution of axial magnetic induction intensity on the surface of strop

由圖3可以看出,不同磁場強(qiáng)度的永磁鐵對(duì)滑索鋼絲繩進(jìn)行磁化,滑索鋼絲繩表面磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎相同,通過自制感應(yīng)線圈對(duì)磁路中鋼絲繩進(jìn)行磁場檢測,與仿真結(jié)果基本吻合,說明滑索鋼絲繩已經(jīng)達(dá)到磁飽和狀態(tài)。

2 檢測原理與硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測原理及傳感器分布

滑索鋼絲繩為鐵磁物質(zhì),處于磁回路中時(shí)起到導(dǎo)磁作用,大量磁感線被約束在滑索鋼絲及氣隙之中,當(dāng)滑索表面出現(xiàn)損傷時(shí),完好的磁回路被破壞,滑索表面會(huì)出現(xiàn)漏磁場,垂直于磁感線方向放置的霍爾傳感器通過漏磁場時(shí),輸出端的電勢差會(huì)發(fā)生變化。如圖1,一對(duì)傳感器(傳感器1、傳感器2),沿著滑索鋼絲繩軸向方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)遇到漏磁信號(hào)時(shí),傳感器2輸出端電壓U2會(huì)升高,傳感器1的輸出端電壓U1不變,為初始狀態(tài)值,ΔU=U2-U1,ΔU>0;當(dāng)傳感器由空心位置運(yùn)動(dòng)到實(shí)心位置時(shí),傳感器2已經(jīng)檢測不到漏磁場,輸出端電壓恢復(fù)初始值,傳感器1有漏磁場穿過,輸出端電壓升高,此時(shí)ΔU<0。通過檢測ΔU的變化,可以得漏磁場的分布情況。本裝置采用12組霍爾傳感器,如圖4,圓周陣列于滑索周圍,確保不漏失損傷漏磁信號(hào)。

圖4 傳感器分布圖Figure 4 Sensor distribution

2.2 檢測電路設(shè)計(jì)

霍爾傳感器的輸出電壓作為后續(xù)檢測電路的輸入,通過濾波、差分放大進(jìn)行處理,可以抑制由于裝置震動(dòng)或者滑索鋼絲繩晃動(dòng)引起的共模干擾,傳感器對(duì)之間的距離為滑索鋼絲繩的一個(gè)股距,可以很好的抑制股波[7]的影響。但是由于滑索鋼絲繩相鄰股距并不是嚴(yán)格的相等以及傳感器間距實(shí)際的誤差,測量得到的波形仍然是波浪形狀,斷絲的漏磁信號(hào)都是疊加在股波之中,股波信號(hào)是不能完全去除的。由于每個(gè)傳感器之間具有差異性,靜態(tài)輸出電壓不同,為了使差分放大的倍數(shù)足夠大,本文設(shè)計(jì)了傳感器輸出等電位調(diào)節(jié)電路,使得傳感器靜態(tài)輸出電壓差幾乎為0,微弱的漏磁信號(hào)會(huì)得到有效的放大。通過十二通道AD采集傳輸至MCU,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器以便分析,圖5為單通道采集電路框圖。

圖5 單通道采集電路框圖Figure 5 Block diagram of single channel acquisition circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

本文采用旋轉(zhuǎn)編碼器輸出高電平觸發(fā)MCU外部中斷進(jìn)行AD采集的方法。旋轉(zhuǎn)編碼器與滑輪軸相聯(lián),滑輪通過壓緊力壓在鋼絲繩上,不會(huì)打滑,裝置每行走1 mm,編碼器輸出一次高電平,MCU采集一組數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到外部大容量存儲(chǔ)器中,可以通過功能選擇,將數(shù)據(jù)讀出發(fā)送至上位機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和損傷分析。此方法解決了因裝置行走的速度不勻?qū)е聰?shù)據(jù)漏采的問題。圖6為程序設(shè)計(jì)流程。

圖6 程序流程圖Figure 6 Program flow chart

4 斷絲損傷判斷算法及誤差分析

對(duì)于滑索鋼絲繩來說,最典型的局部缺陷類損傷就是斷絲,由于滑索鋼絲繩表面鍍鋅,防銹效果好,所以銹蝕斑點(diǎn)這類損傷較少,本裝置主要針對(duì)斷絲缺陷。

4.1 實(shí)驗(yàn)檢測斷絲結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測量中傳感器與斷絲缺陷的位置關(guān)系有兩種,一種是傳感器位于斷絲缺陷與滑索軸心連線的延長線上,稱為正對(duì)位置,如圖7實(shí)心圓位置;另一種是斷絲缺陷位于兩個(gè)相鄰傳感器與滑索軸心連線形成的夾角平分線上,稱為錯(cuò)對(duì)位置,如圖7空心圓位置。

圖7 缺陷位置Figure 7 Location of defect

4.1.1 正對(duì)位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8為正對(duì)位置斷絲漏磁信號(hào)經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)化后的電壓值曲線圖?？梢钥闯鰯嘟z信號(hào)的形式為上下起伏的形式,由于斷口的形狀差異,以及斷絲翹起的程度,都會(huì)造成斷口處漏磁場的分布會(huì)有所不同,這樣經(jīng)過霍爾傳感器轉(zhuǎn)化來的電壓波形也會(huì)有所差異,斷口越寬,斷絲數(shù)越多,電壓峰峰值越大?？紤]放大電路的放大倍數(shù)以及霍爾傳感器的靈敏度,可以計(jì)算得出單根斷絲的漏磁場強(qiáng)度在2～7 mT之間。

圖8 正對(duì)位置斷絲信號(hào)波形Figure 8 Signal waveform of wire breakage at right position

圖9是1 mm、8 mm斷口寬度斷絲信號(hào)曲線圖,可以看到1 mm斷口寬度的斷絲信號(hào)會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)波峰。這是由于1 mm斷口產(chǎn)生的漏磁場范圍很小,小于股距,而傳感器對(duì)是按股距來布置的,當(dāng)先行傳感器走過1 mm斷口漏磁場時(shí),后行傳感器還有一段距離到1 mm斷口漏磁場,這之間就會(huì)像沒有斷口時(shí)將股波信號(hào)采集進(jìn)來,從而形成這種波形;當(dāng)后行傳感器到達(dá)1 mm漏磁場時(shí),電壓波形就會(huì)下降,形成波谷。隨著斷口寬度的變大,所產(chǎn)生漏磁場的范圍就會(huì)變大,這樣的第二波峰就會(huì)消除掉,如8 mm斷口寬度斷絲信號(hào)一樣。斷絲斷口寬度可以根據(jù)波谷波形的寬度來判別。

圖9 1 mm、8 mm斷口寬度斷絲信號(hào)曲線圖Figure 9 1 mm、8 mm fracture width broken wire signal curve

圖10是集中處兩根斷絲與單根斷絲的信號(hào)曲線圖。對(duì)比兩根斷絲與一根斷絲峰峰值的大小,兩根斷絲的峰峰值可達(dá)到300 mV,斷口寬度大于1 mm時(shí),將超過300 mV,大量實(shí)驗(yàn)得出單根斷絲的信號(hào)峰峰值由190～290 mV之間,根據(jù)這一特點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)斷絲根數(shù)的定量檢測。

圖10 1 mm斷口寬度集中兩根斷絲、一根斷絲曲線圖Figure 10 Fracture width of 1 mm concentrated two broken wires and one broken wire curve

4.1.2 錯(cuò)對(duì)位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中將斷口寬度5 mm的單根斷絲位于兩個(gè)相鄰傳感器之間,裝置勻速滑過后得到相鄰傳感器的輸出電壓信號(hào)波形,如圖11。A、B通道放大倍數(shù)相同,峰峰值不同是由于斷口與兩個(gè)傳感器的距離不同,距離越近,峰峰值越大。從圖11中可以看出,當(dāng)相鄰傳感器之間出現(xiàn)斷絲缺陷時(shí),兩個(gè)傳感器均能捕捉到漏磁場,當(dāng)斷絲定性判斷兩個(gè)相鄰?fù)ǖ罃嘟z位置相同時(shí),認(rèn)為該斷絲處為可疑點(diǎn),進(jìn)一步觀察可疑點(diǎn)相鄰兩傳感器的電壓信號(hào)波形的趨勢,可判定是否為同一個(gè)處斷絲。由于實(shí)際滑索斷絲缺陷具有很大的差異性,即使滑索同一個(gè)徑向橫截面上存在兩個(gè)斷絲處,然而斷口的形狀、寬度、斷絲的翹起程度及翹起方向等都不會(huì)完全相同,這就導(dǎo)致了不同的斷絲缺陷會(huì)有不同分布的漏磁場,采集到的電壓信號(hào)波形也是不同的,如果相鄰傳感器輸出波形形狀、趨勢幾乎相同,可以判定存在錯(cuò)對(duì)位置斷絲。

圖11 錯(cuò)對(duì)位置相鄰傳感器輸出信號(hào)波形Figure 11 Stagger position adjacent sensor output signal wave

4.2 斷絲定量檢測判定算法

4.2.1 斷絲損傷的定性判斷

斷絲信號(hào)在整個(gè)檢測信號(hào)中屬于異常信號(hào),特征明顯,會(huì)有一對(duì)較大波峰波谷出現(xiàn),通過這一特征來實(shí)現(xiàn)斷絲損傷的定性判斷。首先要進(jìn)行斷絲閾值UT的設(shè)定,取一段與待測鋼絲繩相同型號(hào)完好無損的鋼絲繩,裝置在其上檢測100個(gè)股距的距離,分別計(jì)算每個(gè)股距距離中檢測到的電壓值的最大差值即股波峰峰值,再對(duì)100個(gè)股距計(jì)算得到的股波峰峰值取最大值,再乘以一個(gè)斷絲判定系數(shù)μ,將這個(gè)值設(shè)定為斷絲閾值,公式如下:

Ui=Max{|Uim-Uij|},m≠j。

(6)

式(6)中:Ui表示第i個(gè)股距的股波峰峰值,V;Uim、Uij分別為第i個(gè)股距采集到的第m、j個(gè)電壓值,V;m與j的取值范圍由裝置運(yùn)行速度和滑索鋼絲繩的股距確定;UT為斷絲閾值,V。

UT=μMax{Ui}。

(7)

式(7)中,μ為斷絲判定系數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定,對(duì)于斷絲的定性判別,一般取2左右,不可過小,以免造成誤判。當(dāng)采集到的某一股距中的電壓最大差值超過斷絲閾值UT,即可判斷為斷絲損傷。

4.2.2 斷絲損傷的定量判斷

由圖10可知,兩根斷絲與單根斷絲電壓信號(hào)的峰峰值是不同的,所以可以通過設(shè)置不同的斷絲根數(shù)閾值UST,來判斷斷絲的根數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)檢測不同斷口寬度多根斷絲采集電壓波形確定判定系數(shù)μ的取值范圍,如表1。

表1 斷絲判定系數(shù)取值范圍

斷絲根數(shù)判定公式:

UST=μUT,

(8)

Us=Max{|Usn-Usz|},n≠z。

(9)

式(9)中:Us表示實(shí)測滑索鋼絲繩的第s個(gè)股距的股波峰峰值,V;Usn、Usz分別為第s個(gè)股距采集到的第n、z個(gè)電壓值,V;n與z的取值范圍由裝置運(yùn)行速度和滑索鋼絲繩的股距確定;s由滑索鋼絲繩的長度確定。

UST(μ=t)≤US≤UST(μ=t+1),t=0,1,2,3。

(10)

必須指出,當(dāng)斷絲處位于錯(cuò)隊(duì)位置時(shí),其電壓信號(hào)波形會(huì)相對(duì)于正對(duì)位置的電壓信號(hào)波形有所衰減,最大約減少20%。對(duì)于錯(cuò)對(duì)位置的斷絲定量判斷,可以將判定系數(shù)乘以20%再進(jìn)行判斷。

4.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中使用的滑索鋼絲繩規(guī)格是Φ16,6×36WS+IWR的鍍鋅鋼絲繩,對(duì)其不同位置,制作不同的斷絲損傷狀態(tài),如不同的斷絲位置、集中斷絲處的根數(shù)等。通過設(shè)定實(shí)驗(yàn)積累的斷絲閾值經(jīng)驗(yàn)值來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)不同斷絲情況的鋼絲繩進(jìn)行了20次檢測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 斷絲判定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2可知,本文設(shè)計(jì)的探傷裝置的斷絲檢測準(zhǔn)確率可以達(dá)到97%,可以有效檢測滑索鋼絲繩的斷絲缺陷。

5 總 結(jié)

本裝置利用漏磁檢測的方法,可以對(duì)滑索鋼絲繩斷絲損傷進(jìn)行有效定量檢測,斷絲損傷檢測準(zhǔn)確率可達(dá)97%,從而填補(bǔ)滑索鋼絲繩不能檢測的技術(shù)空白。裝置的不足體現(xiàn)在:1)斷絲缺陷的形態(tài)多種多樣,目前不能準(zhǔn)確分析出斷口的形態(tài),需要積累大量的現(xiàn)場滑索鋼絲繩的損傷形態(tài);2)斷絲判定的算法有待優(yōu)化,對(duì)集中多根斷絲處容易誤判;3)本裝置檢測主要針對(duì)載重的滑索承載索,牽引索沒有檢測。目前滑索鋼絲繩仍然是定期更換,對(duì)滑索鋼絲繩有效的檢測,可以減少大量的資源浪費(fèi),這也是本裝置的價(jià)值所在,因此具有一定應(yīng)用前景。本裝置與同課題組其他研究人員研發(fā)的索道機(jī)器人配合使用。