路正雄，郭 衛(wèi)，張傳偉，趙栓峰，王 淵

(西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

鋼絲繩由若干鋼絲捻制而成，具有高抗拉強度等特點[1]，在礦井提升[2]、斜拉橋[3]、海上油氣工業(yè)[4]、起重機吊裝[5]和電梯提升[6]等行業(yè)廣泛應用，并且不同應用領域，鋼絲繩的規(guī)格和特性也不同。鋼絲繩在服役過程中，常常處于動載荷或過載荷的狀態(tài)，并隨時間的推移不斷磨損或者腐蝕而不斷劣化，最終導致鋼絲繩產(chǎn)生局部的金屬缺失甚至斷絲[7]。這些缺陷將導致鋼絲繩的機械強度、載荷分擔能力以及使用壽命逐漸喪失。然而，各應用領域?qū)︿摻z繩使用的安全性要求很高[8]。因此，需要定期有效地檢查鋼絲繩的健康狀況，以避免災難性事故發(fā)生。

現(xiàn)有的鋼絲繩無損監(jiān)測方法有漏磁(MFL)檢測方法[9]、聲發(fā)射檢測方法[10]、渦流檢測法[11]、X-射線彈測法[12]等。在上述檢測方法中，MFL檢測方法是目前最為有效的鋼絲繩無損檢測方法。該方法利用永磁體將鋼絲繩磁化使其達到磁飽和狀態(tài)，此時由于鋼絲繩的損傷缺陷使磁通泄露到周圍的環(huán)境中去，即漏磁。這種漏磁現(xiàn)象被霍爾傳感器[13]感應線圈[14]、磁通量閘門傳感器[15]等一些磁傳感器檢測到。

傳統(tǒng)的基于MFL法的鋼絲繩測試儀由2個完整的圓環(huán)形永磁體組成，每個環(huán)形永磁體由4個半環(huán)磁鐵組成，并分別安裝在空心鐵磁圓柱體軛的兩端，然后使用非金屬襯套將被檢測的鋼絲繩密封起來，以此來保護磁鐵和檢測電路?，F(xiàn)有的鋼絲繩檢測儀均采用4個徑向磁化半環(huán)磁鐵[16]。所有的徑向磁化環(huán)形磁鐵只在固定的幾個國家制造，這對徑向磁化環(huán)形磁鐵的使用帶來極大的不便，而且增加了檢測儀的成本。徑向磁化環(huán)形磁鐵很難實現(xiàn)理想的徑向磁化，因為它需要2 500 kA/m量級的高磁化場，峰值磁化電流大約為30 kA[17]。然而，與徑向磁化相比平行磁化磁體容易實現(xiàn)而且價格很低，因此，平行磁化磁體比徑向磁化磁體更具有利用優(yōu)勢。

針對目前鋼絲繩檢測儀采用的徑向磁化半環(huán)磁鐵磁化難度高造成的檢測儀成本高以及鋼絲繩缺陷檢測的靈敏度低等問題。采用平行磁化(NdFeB)永磁體代替徑向磁化半環(huán)磁體，基于MFL原理提出一種利用平行磁化永磁體段構建鋼絲繩測試儀的新方法，設計了漏磁信號檢測系統(tǒng)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對平行磁化NdFeB永磁體構建的鋼絲繩無損檢測儀的斷絲檢測精度進行提升。該方法有效地解決了徑向磁化技術的不足，降低了技術難度和生產(chǎn)成本，提升了鋼絲繩缺陷的監(jiān)測精度。

1 新型鋼絲繩無損檢測儀原理

Foster模型是漏磁檢測的理論模型[18]，氣隙中的磁場強度Hg為均勻分布，磁場強度與到氣隙的距離成反比。漏磁通H可以分別表示為

(1)

(2)

式中Hg為磁場強度，T；Hy為氣隙在軸向的漏磁通量，Wb；Hx為氣隙在徑向的漏磁通量，Wb；Lg為氣隙的面積,mm2。如果x=0，漏磁通的值為

(3)

由式(3)可知，漏磁通的值與y成反比，與Hg和Lg的乘積成正比。因此，如果保持Hg恒定，漏磁通的值會隨著氣隙的增大而增大。

由式(3)可知，以下的等式可表示為

(4)

在這種情況下，漏磁通傳感器的靈敏度與y2成反比。基于上述漏磁(MFL)原理設計基于平行磁化NdFeB磁體的鋼絲繩缺陷檢測儀結構，原理如圖1所示，其中LF代表鋼絲繩局部斷絲區(qū)域，LMA代表鋼絲繩局部材料缺失區(qū)域。該鋼絲繩無損檢測儀由2個安裝在鐵磁軛中的永磁體環(huán)組成，當磁化的鋼絲繩插入測試儀時，檢測儀會形成包括磁鐵、鋼絲繩、鐵磁軛以及磁鐵與鋼絲繩間隙的磁回路。被永磁體磁化到飽和狀態(tài)的鋼絲繩，會在缺陷位置處發(fā)生磁通量泄漏，泄漏的磁通量可以由霍爾傳感器等檢測到，進而實現(xiàn)鋼絲繩缺陷的診斷。

圖1 基于MFL的鋼絲繩測試儀原理Fig.1 MFL-based wire rope tester

2 平行磁化NdFeB鋼絲繩無損檢測儀設計與實現(xiàn)

2.1 平行磁化NdFeB磁體裝配

平行磁化NdFeB磁體鋼絲繩測試儀采用稀土永磁體。首先，用電火花線切割機將未磁化的環(huán)形NdFeB磁體切割成16個等弧段；然后，使用磁化器對NdFeB的每個弧段進行平行磁化，其中NdFeB磁體的平行磁化是指使磁體的外表面具有統(tǒng)一極性，內(nèi)表面具有相反極性，如圖2所示。

圖2 平行磁化NdFeB磁體段Fig.2 Parallely magnetized NdFeB magnet segments

平行磁化NdFeB磁體段有2種類型：類型Ⅰ為北極位于外表面，南極位于內(nèi)表面(如圖2(a)所示)；類型Ⅱ為南極位于外表面，北極位于內(nèi)表面(如圖2(b)所示)。最后，將這些平行磁化的磁鐵段組裝成如圖3所示的圓形環(huán)永磁體。在這32個磁鐵段中，16個磁鐵屬于Ⅰ型，其余16個為Ⅱ型。將16塊Ⅰ型磁鐵段組裝成圓環(huán)形磁鐵1，如圖3(a)所示，其他16個Ⅱ型磁鐵組裝成圓環(huán)形磁鐵2，如圖3(b)所示。將上述2個圓環(huán)形磁鐵作為相反的偶極子安裝在圓柱形軛兩端，使檢測儀在鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生大約1.8 T的磁通密度。

圖3 16個平行磁化磁體段組合的徑向磁化圓環(huán)Fig.3 Radially magnetized circular rings with 16 parallely-magnetized magnet segments

鋼絲繩無損檢測儀由32個相同的NdFeB磁體段組裝而成，且每16個NdFeB磁體段組成一個圓形磁環(huán)。組裝過程中，各磁鐵段的兩極之間存在很強的磁力，很難將相鄰磁體段組裝成環(huán)狀，而且極易造成磁鐵的損壞。若采用手工組裝，平行磁化NdFeB磁鐵段很容易相互碰撞損壞磁體甚至對人造成傷害。因此，文中設計了一套能夠提供磁鐵進入磁軛路徑的工裝夾具，并運用夾具實現(xiàn)了磁體的一體化裝配，如圖4所示。

圖4 磁體裝配Fig.4 A complete result to assemble arc magnets

2.2 新型鋼絲繩無損檢測儀功能驗證

鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)[19]主要由計算機、工作臺、采集卡、鋼絲繩測試儀、霍爾效應傳感器、Labview軟件等組成，如圖5所示。

圖5 鋼絲繩無損檢測系統(tǒng)Fig.5 Experimental test-rig to test wire rope tester

數(shù)據(jù)采集卡NI-6024E以每秒30組數(shù)據(jù)的采樣頻率，將霍爾效應傳感器檢測到的模擬信號經(jīng)PCI接口輸入到計算機中，然后通過Labview程序?qū)?shù)據(jù)進行分析。用低碳鋼直鋼絲做鋼絲束，人為制作鋼絲缺陷并置于試樣外層。在檢測儀中由于鋼絲存在缺陷，磁通會發(fā)生泄漏，泄漏的磁通包含3個分矢量分別為鋼絲束徑向、切向和軸向。其中，局部故障信息包含在漏磁的徑向分量中，金屬區(qū)域的損耗信息包含在漏磁的軸向分量中。因此，可以通過適當改變鋼絲繩檢測儀中霍爾傳感器的方向，來獲得LF和LMA信號。

采用靈敏度為-90 mV/mT，量程為0～10 mT的霍爾傳感器A采集LF信號。當表面斷絲缺陷明顯的鋼絲繩通過監(jiān)測儀時，檢測信號的時間響應曲線，如圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)：當缺陷明顯的鋼絲束通過霍爾傳感器下方時，信號的幅值上升，缺陷處的最小、最大霍爾電壓分別為-80和170 mV，峰值到峰值之間的幅值之差為250 mV。

圖6 基于霍爾傳感器的LF檢測信號Fig.6 LF signal using hall sensor corresponding to broken strand

采用靈敏度為45 mV/mT，量程為0～20 mT的霍爾傳感器B采集LMA信號。當有缺陷的鋼絲繩通過監(jiān)測儀時，檢測信號的時間響應曲線，如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)：當含缺陷鋼絲束通過霍爾傳感器下方時，漏磁信號軸向分量的幅度增大，出現(xiàn)缺陷的最大霍爾電壓為-90 mV，偏移電壓為-10 mV，相應于缺陷的幅值為80 mV。實驗分析表明，新型鋼絲繩無損檢測儀能夠有效的檢測鋼絲繩的缺陷部位，受損處鋼絲繩的漏磁信號幅值變化劇烈，證明該檢測儀器的有效性。

圖7 基于霍爾傳感器的LMA檢測信號Fig.7 LMA signal using hall sensor corresponding to broken strand

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的缺陷鋼絲繩檢測效果對比分析

采用小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡，分析新型鋼絲繩無損檢測儀獲取的缺陷鋼絲繩漏磁信號，即首先利用小波變換的方法來獲得信號特征值，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡來建立損傷識別模型，來完成原始系統(tǒng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)中鋼絲繩缺陷檢測精度的對比分析。

3.1 鋼絲繩缺陷信號小波分析

小波分析作為一種信號處理方法，能夠有效分析信號的細節(jié)，是在時域和頻域內(nèi)分析畸變信號的理論基礎[20-22]。設鋼絲繩缺陷信號的一個離散樣本系列為：f(n)，n=1，2，…，N.令c0(n)=f(n)，則鋼絲繩缺陷信號的二進值小波變換為

(5)

式中cj(k)為尺度系數(shù)；dj(k)為小波系數(shù)；hk-2n為高通濾波器系數(shù)；gk-2n為低通濾波器系數(shù)。

如果令Hn，k=hk-2n且Gn，k=gk-2n，矩陣H和G滿足關系式：H=(Hn，k)和G=(Gn，k)，式(5)表示為

(6)

式中H，G分別為高通和低通濾波器的n次插值，n為正整數(shù)。

通過關系式(6)可得

cj(k)=H*cj+1+G*dj+1

(7)

式中H*和G*分別是H和G的關聯(lián)矩陣。

通過式(7)對獲取的原始鋼絲繩缺陷信號進行小波重建，用于鋼絲繩損傷的定量識別。

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的鋼絲繩斷絲檢測模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型由3個部分組成，分別為輸入層、隱含層、輸出層，每層含有不同數(shù)量的神經(jīng)元[23-25]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型通過比較期望輸出值和實際輸出值，計算誤差值e的標準差σ，當σ小于誤差閾值ξ時，輸入層與隱含層之間的權重值達到要求，停止訓練并得到最終的BP神經(jīng)網(wǎng)絡權值參數(shù)。首先在鋼絲繩疲勞試驗機上制備有效長度為500 mm的25根具有不同斷絲缺陷的6×7IWS鋼絲繩實驗試樣，然后運用本研究提出的無損檢測儀，任意選取20根含斷絲缺陷的鋼絲繩進行檢測，獲取缺陷檢測數(shù)據(jù)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的訓練，剩余5根鋼絲繩用于獲取對比分析數(shù)據(jù)。

經(jīng)小波重建后的原始鋼絲繩缺陷信號作為輸入，設輸入層的輸入矢量為X=[x1，x2，…，xn]，輸入層與輸出層的之間的權值為W=[w1，w2，…，wp]，隱含層輸出為O=[o1，o2，…，on]，選擇激活函數(shù)為

(8)

隱含層輸出計算公式如下

令隱含層輸出O中的元素計算公式為

oi=f(wi×xj+bi)

(9)

令B=[b1，b2，…，bp]，隱含層輸出矩陣I計算公式為

O=f(W′×X+B′)

(10)

令輸出層權值為Q，Q=[q1，q2，…，qp]，則輸出層Y誤差E的計算公式為

Y=Q×O

(11)

E=D-Y

(12)

令隱含層與輸出層之間的局部梯度G=[g1，g2，…，gn]，輸入層與隱含層之間的局部梯度L=(lij)，則權值更新計算公式為

(13)

3.3 實驗結果與對比分析

運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對剩余5根待檢測的含缺陷鋼絲繩進行分析。設學習速度系數(shù)為0.05，預期的誤差為10-6，實驗結果見表1。符號*表示斷絲的實際數(shù)量是1，但損傷處的漏磁信號太弱而無法被檢測識別，斜體加粗表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法獲得的損傷識別結果，具體實驗結果對比見表1。

分析表1發(fā)現(xiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法檢測的斷絲數(shù)量相對平均誤差為31.5%，斷絲位置識別平均誤差為22.4%；傳統(tǒng)系統(tǒng)的斷絲數(shù)量相對平均誤差為16.7%，斷絲位置識別平均誤差為10.5%；BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法檢測精度較傳統(tǒng)檢測方法提升了13.35%。當斷絲數(shù)量較少時2種方法的檢測精度都較低，隨著同一斷面附近斷絲數(shù)量的增加斷絲根數(shù)和位置檢測值越準確。但比較2種方法的檢測性能發(fā)現(xiàn)，本研究提出的無損檢測方法能夠在少量斷絲情況下更好的識別破損情況。

表1 實驗數(shù)據(jù)對比

4 結 論

1)提出一種基于平行磁化NdFeB磁體段的鋼絲繩無損檢測儀，并驗證了其功能的有效性。

2)新型鋼絲繩無損檢測儀采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，比傳統(tǒng)設備的檢測算法性能更優(yōu)。

3)當鋼絲繩存在少量斷絲時，本檢測儀具有更高的診斷精度。