0.   引言

钢丝绳具有强度高、柔韧性好等优点，被广泛应用于煤矿生产现场的人员升降、物料升降及混合提升^[1]。然而，煤矿现场工况复杂，容易导致钢丝绳受损，煤矿企业不得不面临钢丝绳更换和报废的问题^[2]。根据《煤矿安全规程》规定，对于达到使用年限的钢丝绳，只要其损伤未超过规定限度，仍可以继续使用^[3]。然而，目前大多数煤矿企业仍采用定期更换钢丝绳的方式。调查表明，被定期更换下来的钢丝绳中有相当一部分仍满足继续使用的要求，直接报废会造成人力、物力的极大浪费，因此对钢丝绳进行损伤检测尤为重要^[4-5] 。

漏磁检测作为一种有效的钢丝绳损伤检测方法^[6]，其励磁装置设计的合理性至关重要。窦连城^[7]仿真分析了磁极间距、磁铁内径、气隙等参数变化对励磁效果和钢丝绳漏磁场的影响，并在此基础上设计了励磁装置。张义清等^[8]分析了永久磁铁的位置、励磁回路对励磁效果的影响，设计了用于直径36 mm钢丝绳的励磁装置的结构尺寸，并通过理论计算和仿真分析证明了励磁装置的励磁效果。路正雄等^[9]提出了一种由多个磁体段装配而成的钢丝绳励磁装置，实验结果表明该装置在钢丝绳受损处能检测到幅值剧烈变化的漏磁信号。然而以上研究主要侧重于实验室环境下钢丝绳相对稳定状态的分析，未考虑工程应用背景下钢丝绳摆动对励磁装置的影响^[10-12]，导致检测效果不理想。

本文设计了一套基于漏磁检测的矿用钢丝绳励磁装置。首先，分析了工程应用中影响钢丝绳漏磁检测效果的关键因素；然后，在考虑工程应用背景的条件下，通过仿真研究了励磁装置参数变化对励磁效果的影响，并在此基础上确定了励磁装置最优参数；最后，通过动态仿真和实验验证了励磁装置的励磁效果。

1.   工程应用中的钢丝绳漏磁检测分析

1.1   漏磁检测原理

钢丝绳由铁磁材料构成，具有较好的导磁性能^[13-15]。基于这一特性，对钢丝绳施加外部磁场，使钢丝绳达到磁化饱和状态。在这种状态下，损伤钢丝绳的漏磁场产生变化。使用霍尔传感器可以捕捉钢丝绳漏磁，通过分析漏磁信号能够判断钢丝绳损伤位置及损伤程度。漏磁检测原理如图1所示。

图  1  漏磁检测原理

Figure  1.  Principle of magnetic flux leakage detection

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霍尔传感器是一种基于霍尔效应原理制成的磁敏传感器，常被应用于漏磁检测^[16-17]。霍尔效应原理如图2所示。平面有恒定电流通过，当外界磁场的分量方向与平面的法向量方向一致时，在洛伦兹力的作用下会在平面两侧产生电势差，即霍尔电压^[18-20]。

图  2  霍尔效应原理

Figure  2.  Principle of Hall effect

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式中：V_h为霍尔电压；K_h为霍尔系数；I_c为恒定电流；B为磁感应强度；θ为磁感应强度B的方向与霍尔传感器平面法向量n之间的夹角。

由式（1）可知，在其他参数不变的情况下，增大磁感应强度B可使霍尔电压V_h增大，进而提高漏磁检测效果。

1.2   漏磁场分析

钢丝绳表面的漏磁场由励磁装置将钢丝绳磁化至饱和状态后产生。励磁装置参数如图3所示。h_b为衔铁厚度；δ为气隙；l_m为永磁体长度；L_m为永磁体磁极间距；h_m为永磁体厚度；d为提离值（霍尔传感器距钢丝绳表面的距离^[21]）。

图  3  励磁装置参数

Figure  3.  Excitation device parameters

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在工程应用中，为避免矿用钢丝绳上的油污和钢丝绳摆动对励磁装置上的霍尔传感器造成影响和破坏，需要在励磁装置中心装备衬套。因此，在工程应用背景下，钢丝绳励磁装置的气隙和提离值不宜过小。

为研究气隙和提离值对钢丝绳漏磁检测效果的影响，本文采用螺旋缠绕的钢绞线代替钢丝绳，建立钢丝绳励磁仿真模型，如图4所示。通过钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值描述钢丝绳漏磁场状况，其中钢丝绳损伤漏磁由钢丝绳表面漏磁减去背景漏磁得到。

图  4  钢丝绳励磁仿真模型

Figure  4.  Simulation model of steel wire rope excitation

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实验1：固定提离值为1 mm，设置气隙变化范围为0～12 mm，变化步长为3 mm，仿真分析不同气隙下钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值，结果见表1。可看出随着气隙增大，钢丝绳损伤漏磁峰值下降后趋于稳定，且在气隙较小时降幅较大；钢丝绳无损伤漏磁谷值随着气隙增大呈下降趋势，且降幅基本稳定。

表  1  气隙对钢丝绳漏磁场的影响

Table  1.  Influence of air gap on magnetic flux leakage field of steel wire rope

气隙/mm	钢丝绳损伤漏磁峰值/mT	钢丝绳无损伤漏磁谷值/mT
0	3.947 0	19.214 6
3	3.418 2	17.827 0
6	2.849 4	17.135 2
9	2.806 3	15.941 1
12	2.804 6	14.912 0

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实验2：固定气隙为6 mm，设置提离值变化范围1～9 mm，变化步长为2 mm，仿真分析不同提离值下钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值，结果见表2。可看出随着提离值增大，钢丝绳损伤漏磁峰值呈下降趋势，且在提离值较小时降幅较大；钢丝绳无损伤漏磁谷值随着提离值增大也呈下降趋势，且降幅基本稳定。

表  2  提离值对钢丝绳漏磁场的影响

Table  2.  Influence of lift off value on magnetic flux leakage field of steel wire rope

提离值/mm	钢丝绳损伤漏磁峰值/mT	钢丝绳无损伤漏磁谷值/mT
1	2.497 7	17.237 9
3	0.830 9	15.234 9
5	0.433 7	13.439 9
7	0.274 2	11.791 4
9	0.176 1	10.289 6

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仿真结果表明：保持其他参数不变的情况下，增大气隙或提离值都会降低钢丝绳漏磁场，且在气隙或提离值较小时，钢丝绳漏磁场降幅明显。

2.   钢丝绳励磁装置参数确定

在工程应用中，气隙与提离值难以减小，会削弱钢丝绳漏磁场，导致霍尔电压减弱，进而影响漏磁检测效果。为提高工程应用中钢丝绳励磁装置的检测效果，将气隙和提离值分别设为适宜工程应用的6 mm和5 mm，研究钢丝绳励磁装置其他磁路参数（永磁体厚度、永磁体长度、磁极间距、衔铁厚度）对钢丝绳漏磁场的影响，从而为确定励磁装置参数提供依据。

2.1   不同磁路参数对钢丝绳漏磁场的影响

2.1.1   永磁体厚度对钢丝绳漏磁场的影响

设置永磁体厚度变化范围为5～25 mm，变化步长为5 mm，仿真分析不同永磁体厚度下钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值，结果见表3。可看出随着永磁体厚度增加，钢丝绳损伤漏磁峰值和钢丝绳无损伤漏磁谷值均呈增大趋势，但增幅略微减小。这表明永磁体厚度增加对钢丝绳漏磁场增强效果明显，但随着永磁体厚度增加，磁路内阻也会增加，永磁体厚度并非越大越有利。

表  3  永磁体厚度对钢丝绳漏磁场的影响

Table  3.  Influence of permanent magnet thickness on magnetic flux leakage field of steel wire rope

永磁体厚度/mm	钢丝绳损伤漏磁峰值 /mT	钢丝绳无损伤漏磁谷值/mT
5	0.282 4	4.956 6
10	0.436 3	11.887 4
15	0.587 6	17.819 7
20	0.682 2	23.260 1
25	0.771 3	27.396 7

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2.1.2   永磁体长度对钢丝绳漏磁场的影响

设置永磁体长度变化范围为20～60 mm，变化步长为10 mm，仿真分析不同永磁体长度下钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值，结果见表4。可看出随着永磁体长度增加，钢丝绳损伤漏磁峰值和钢丝绳无损伤漏磁谷值均呈增大趋势，且增幅略微增大。这表明永磁体长度增加对钢丝绳漏磁场增强效果明显，且随着永磁体长度增加，磁路内阻降低，对钢丝绳漏磁场的增强效果更佳。

表  4  永磁体长度对钢丝绳漏磁场的影响

Table  4.  Influence of permanent magnet length on magnetic flux leakage field of steel wire rope

永磁体长度/mm	钢丝绳损伤漏磁峰值/mT	钢丝绳无损伤漏磁谷值/mT
20	0.337 5	7.108 7
30	0.378 1	11.860 6
40	0.430 3	15.761 7
50	0.519 6	16.953 8
60	0.692 1	22.258 6

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2.1.3   磁极间距对钢丝绳漏磁场的影响

设置磁极间距变化范围为160～240 mm，变化步长为20 mm，仿真分析不同磁极间距下钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值，结果见表5。可看出随着磁极间距增加，钢丝绳损伤漏磁峰值呈先上升后下降的趋势，但变化幅度不大，而钢丝绳无损伤漏磁谷值呈下降趋势，且下降幅度逐渐变大。磁极间距的减小虽然能够引起钢丝绳无损伤漏磁谷值的下降，但对钢丝绳漏磁场影响不明显。

表  5  磁极间距对钢丝绳漏磁场的影响

Table  5.  Influence of magnetic pole spacing on magnetic flux leakage field of steel wire rope

磁极间距/mm	钢丝绳损伤漏磁峰值/mT	钢丝绳无损伤漏磁谷值/mT
160	0.361 6	13.643 6
180	0.379 0	13.077 4
200	0.373 5	11.472 5
220	0.367 2	9.597 6
240	0.360 9	8.004 6

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2.1.4   衔铁厚度对钢丝绳漏磁场的影响

设置衔铁厚度变化范围为5～25 mm，变化步长为5 mm，仿真分析不同衔铁厚度下钢丝绳损伤漏磁峰值和无损伤漏磁谷值，结果见表6。可看出随着衔铁厚度增加，钢丝绳损伤漏磁峰值整体变化幅度较小；钢丝绳无损伤漏磁谷值在衔铁厚度为5～20 mm时无明显增长或减少趋势，但在衔铁厚度为25 mm时显著下降，这说明衔铁厚度增加并不能显著增强钢丝绳漏磁场。

表  6  衔铁厚度对钢丝绳漏磁场的影响

Table  6.  Influence of armature thickness on magnetic flux leakage field of steel wire rope

衔铁厚度/mm	钢丝绳损伤漏磁峰值/mT	钢丝绳无损伤漏磁谷值/mT
5	0.447 0	12.574 5
10	0.441 3	13.123 0
15	0.466 6	13.010 5
20	0.445 5	12.907 2
25	0.486 7	6.186 8

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2.2   钢丝绳励磁装置参数确定

由表3−表6可知，增加永磁体厚度和永磁体长度对钢丝绳漏磁场的增强效果最明显，磁极间距对钢丝绳漏磁场的影响不明显，衔铁厚度对钢丝绳漏磁场几乎没有影响。另外，工程应用中不能一味追求较高的漏磁场，需要综合考虑钢丝绳励磁装置的经济性与便携性。因此，本文设置钢丝绳励磁装置参数：永磁体厚度为10 mm、永磁体长度为30 mm、磁极间距为180 mm、衔铁厚度为10 mm。根据励磁装置参数完成励磁装置结构设计，如图5所示。

图  5  钢丝绳励磁装置结构

Figure  5.  Structure of steel wire rope excitation device

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3.   仿真验证

为验证钢丝绳励磁装置的可行性，通过动态仿真模拟损伤钢丝绳与钢丝绳励磁装置的相对运动，并观察运动过程中霍尔传感器安装位置处磁感应强度变化情况。

设置钢丝绳直径为28 mm、长度为350 mm，损伤位于钢丝绳中间位置的外表面，保持钢丝绳励磁装置轴线与钢丝绳轴线重合。运动轨迹设定：钢丝绳沿励磁装置轴线运动，从励磁装置轴线中点左侧25 mm处移动到右侧25 mm处，总运动距离为50 mm，整个运动过程共50 s，每0.1 s为1个步长。

磁感应强度变化仿真曲线如图6所示。可看出钢丝绳相对励磁装置移动过程中，磁感应强度波形变化明显，且峰峰值可达0.9 mT。这说明该励磁装置能够保证损伤处产生较高的漏磁，达到增强检测效果的目的。

图  6  磁感应强度变化仿真曲线

Figure  6.  Simulation curve of magnetic induction intensity change

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4.   实验验证

搭建钢丝绳检测实验台（图7）进行钢丝绳励磁装置实验验证。

图  7  钢丝绳检测实验台

Figure  7.  Steel wire rope detection experiment platform

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实验采用结构为6×34WS+FC、直径为28 mm、长度为5.6 m的矿用钢丝绳。在钢丝绳上制作6处断丝损伤，如图8所示，断丝数量依次为1~6根，断丝损伤之间相距65 cm。

图  8  钢丝绳损伤

Figure  8.  Steel wire rope damage

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通过实验台的拉紧装置对钢丝绳进行拉紧，沿实验台轨道移动钢丝绳励磁装置对钢丝绳进行检测。检测过程中，钢丝绳漏磁经霍尔传感器转换为电信号，然后通过前置放大电路板进行放大处理。放大后的电信号经线缆传输至采集板卡，并被转换为数字信号。数字信号传输至上位机存储为钢丝绳漏磁信号。钢丝绳漏磁信号经低通滤波处理（截止频率为25 Hz）后，结果如图9所示。可看出在钢丝绳不同断丝损伤处，漏磁信号均出现了明显波动，说明钢丝绳损伤处漏磁强烈，励磁装置励磁效果良好，可准确检出钢丝绳断丝损伤。

图  9  钢丝绳漏磁信号

Figure  9.  Magnetic flux leakage signal of steel wire rope

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5.   结论

1） 考虑钢丝绳励磁装置工程应用背景，气隙和提离值较大会降低钢丝绳漏磁场，影响钢丝绳漏磁检测效果。

2） 永磁体厚度、永磁体长度对钢丝绳漏磁场影响最大；磁极间距对钢丝绳漏磁场的影响较小；衔铁厚度对钢丝绳漏磁场的影响可忽略不计。

3） 在适宜工程应用的气隙6 mm、提离值5 mm条件下，确定了钢丝绳励磁装置参数：永磁体厚度为10 mm、永磁体长度为30 mm、磁极间距为180 mm、衔铁厚度为10 mm。

4） 仿真和实验结果表明，钢丝绳励磁装置具有良好的励磁效果，可有效检测出钢丝绳断丝损伤。