航母阻拦系统中钢索漏磁检测试验研究

邓文力　王悦民　耿海泉

摘要：航母阻拦系统中钢索健康状态对于航母舰载机的回收安全至关重要，为有效检测钢索损伤缺陷，保障阻拦系统安全可靠运行，对钢索进行损伤检测试验。搭建钢索检测试验平台，基于漏磁检测技术，采用永磁磁化方式，将电感元件与霍尔元件相结合制作环装阵列传感器，并制作断丝缺陷与截面积损伤缺陷，进行检测试验研究。结果表明：在搭建的检测试验平台条件下，使用所设置的传感器能够有效检测出所制作的钢索损伤缺陷，并具有较好的信噪比及可重复性，为航母阻拦系统中钢索的检测提供一种无损检测方法。

关键词：阻拦索；漏磁检测；霍尔元件；电感元件

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2018）02-0083-05

0引言

航空母舰是一种以舰载机为重要武器的大型水面舰艇，作为保障航母舰载机安全着舰的航母阻拦系统具有十分重要的作用，目前，国内外航母大多采用液压式阻拦系统。以美军航母MK7-3型阻拦系统为例，其系统结构如图1所示，航母阻拦系统中钢索由阻拦索和滑轮组索组成，其中，阻拦索位于甲板之上，在执行阻拦任务时与舰载机的尾钩直接接触并在很短距离内使其停止下来，而滑轮组索，位于甲板下面的舱室内，是连接航母阻拦索与阻拦装置的重要部件之一，负责将阻拦力传递到吸能装置。舰载机在回收时，采用“撞击式”着舰，发动机仍保持工作状态，通过阻拦系统强制对舰载机减速制动，以便钩索失败能够立即复飞。这种特殊的降落方式使钢索成为阻拦系统中最易受损的部位之一。航母舰载机的着舰是一项极其重要的任务，必须保证万无一失，航母钢索作为阻拦系统中连接各个部分的关键构件，其健康状况直接影响到整个系统的工作性能，甚至影响到舰载机和飞行员的安全。因此，对航母阻拦系统中钢索进行无损检测，并及时掌握其健康状态，对保障舰载机的使用安全和发挥航母战斗力具有重要作用和军事意义。

目前，国内外针对阻拦系统中钢索检测的相关技术研究可以公开查阅到的资料较少，而在无损检测领域中，漏磁检测技术是检测钢丝绳较为常用的方法之一，具有原理简单、设备灵活、信噪比良好等优势测，借鉴工业钢丝绳的检测经验，将该检测技术应用于航母阻拦系统中钢索的检测。

在针对钢丝绳的漏磁檢测技术研究上，康宜华等较早的对磁化方式进行了论述，研究了励磁磁路，提出了磁化器的优化设计方法；Norouzi等采用有限元分析方法，对磁化器极靴长度进行优化，使被测件内磁通分布尽可能均匀，从而获得更好的缺陷信号；鬲随甲采用永磁激励，优化励磁器结构，降低干扰磁场；Wu等开发了斜拉桥缺陷检测系统，采用磁桥路法磁化技术进行磁化，对拉索内部损伤进行了实验研究；Jomdecha等研究了钢丝绳漏磁场的空间分布，研制传感器，采用直流通电线圈磁化钢索，并采用印刷电路制作检测线圈：周郁明采用永磁铁对钢丝绳进行励磁，选择磁敏检测元件提取信号，对钢丝绳断丝缺陷进行研究分析：Maldonado等提出嵌入式数据采集系统，设计检测装置用于大直径桥梁钢索的检测，采用贴片线圈进行磁信号采集。

以上研究均是基于漏磁技术对钢丝绳进行检测。本文针对航母阻拦系统中钢索进行检测技术的研究，基于其实际工作环境的需要，设置传感器，搭建检测试验平台，制作缺陷，对航母阻拦系统中滑轮组索进行检测试验。

1检测原理

航母阻拦系统中钢索具有良好的铁磁性，钢索发生损伤时在外加磁场的作用下会导致其表面或内部磁特性产生变化，通过捕捉或检测这种变化信息并进行分析，即可判断钢索中是否存在缺陷或者损伤。

航母阻拦系统中钢索是型号特殊的钢丝绳，具有单丝数量多、结构复杂的特点，其检测技术是一个难点。由于其工作环境特殊，阻拦系统中钢索与普通工业钢丝绳的区别在于其需要频繁承受巨大的冲击力，并且在受力过程中钢索的多个部位经常处于弯折状态，这就使得钢索容易形成断丝及局部金属截面积变化等问题。舰载机的阻拦对阻拦系统各部分构件的工作性能要求都非常高，钢索的断丝或金属截面积的过度损失等均可能造成严重的后果，因此，检测的重点是钢索的断丝缺陷及金属截面积的变化。

根据工业钢丝绳的损伤类型，通常将检测方法分为两种，其一是局部缺陷型检测法，主要获取钢丝绳表面局部缺陷信号，如断丝、局部形状异常等缺陷，其基本原理如图2所示，该方法将磁敏元件贴近钢丝绳，测量断丝处漏磁信号。

另一种是金属截面损失型检测法，该方法通过检测钢丝绳磁通量的变化，获取因腐蚀、磨损、断丝等缺陷而导致的钢丝绳金属截面积变化信息，根据磁通的测量方法不同，可分为主磁通测量法和回路磁通测量法，在测量回路中增加一道辅助磁化回路，形成磁桥路，该种回路磁通测量法基本原理如图3所示，利用霍尔元件测量磁桥路中磁通量，根据磁化回路的计算得到主磁路的磁通量变化情况，从而获得钢丝绳的金属截面积变化情况。

2试验设置

2.1试验平台

检测台架如图4所示，主要由固定轨道与两端液压装置组成，将钢索放置到台架上，由两端液压装置将钢索拉紧并固定，以便于检测试验。漏磁检测装置由检测探头、数据线、仪表箱等组成。其中探头由环式永磁体、环式衔铁、环式磁敏传感器、探头体壳、手柄等构成；而仪表箱则由信号放大处理器、电源、信号显示及软件操作系统组成。

2.2检测探头设置

2.2.1磁化器设置

基于漏磁检测，在磁化方式上根据励磁磁源分为线圈磁化和永磁磁化两种，线圈磁化一般是利用电源供电使线圈产生磁场对钢丝绳进行磁化，能根据使用需求调节励磁磁场大小：永磁磁化的方式以永磁铁作为励磁源对钢丝绳进行磁化，磁化磁场的大小根据永磁体的材料及磁化回路的结构而定，不易随现场需要而调节。在磁化方式的选择上，由于阻拦索的型号固定，采用固定的永磁铁及磁化回路能够满足阻拦索的磁化需求，并且永磁磁化方式具有体积小、质量轻、无需电源等特点，使得检测探头相对方便、灵活、质量轻，适宜现场检测的实际需求。

2.2.2传感器设置

航母阻拦系统中钢索处于海洋环境，并且工作情况特殊，在使用过程中，阻拦索会受到舰载机的巨大冲击，而滑轮组索在与滑轮的相互作用中磨损剧烈，所以钢索的损伤情况较为复杂，腐蚀、断丝、绳径变细、局部变形等均可能发生。根据损伤特点，结合LF检测法及LMA检测法设置检测传感器，以便结合两种检测方式的优势，对钢索的断丝及金属截面积损失进行重点检测。

漏磁检测中磁场的采集一般有电感元件、霍尔元件、磁敏电阻等检测元件。电感元件通过线圈切割磁力线产生感应电流，测量的是磁场的相对变化量，对空间域上高频率磁场信号具有比较高的敏感性，在LF型损伤的检测上具有较好的检测效果：霍尔元件检测磁信号的原理基于霍尔效应，将通过控制电流的霍尔元件置于垂直于控制电流的磁场中即可产生霍尔电压，能够测量绝对磁场大小，常用于LMA型损伤的检测㈣。因此，将电感元件与霍尔元件两种磁敏元件组合制作环形陣列传感器，如图5所示。

2.3缺陷制作

2.3.1断丝缺陷制作

参照断丝缺陷的制作标准配置钢索断丝缺陷，在图4所示的钢索中进行试验研究，该段钢索长度约11.5m，其中除去两端固定，实际检测长度约为10.8m。在钢索上制作的缺陷有11处，如图6所示，距离所选起点位置约1.4，2.2，2.5，2.9m处分别制作单根断丝缺陷，缺口大小分别为1.5，3.0，6.0，12.0mm；在3.7，6.0，9.0m处分别制作两根断丝缺陷，缺口大小分别为1.5，3.0，6.0mm；在9.6m处制作三根断丝缺陷，断口大小为1.5mm；在4.5，5.1，7.7m处制作切痕缺陷。

2.3.2金属截面积损伤缺陷制作

另选取一段长约为60cm的钢索进行试验研究，如图7所示，第1部分为未制作缺陷的钢索；第2部分截取1根单丝，长度约为5cm；第3部分截取2根单丝，长度约为5cm；第4部分截取3根单丝，长度约为5cm。

3检测试验及结果分析

3.1断丝检测

使用该检测系统对制作的断丝缺陷进行检测试验，打开仪表箱检测开关，将检测探头安装在钢索上，从图7所示的起点位置开始沿轴向匀速移动检测探头，得到检测信号，为了考察试验的可重复性，进行3次试验，由于钢索绳股之间存在缝隙，会检测到股间信号，对缺陷的判别形成干扰，对检测信号设定阈值，滤除绳股信号，便于信号的识别，3次检测的原始信号及处理后信号如图8～图10所示。

从图中3次检测的信号可以看出，该设备具有较好的重复性，曲线为4路电感元件通道所采集到磁场信号曲线组合而成，将缺陷位置图放入信号图中与检测缺陷进行对比，所制作的缺陷均能够通过仪器检测出，并且具有良好的信噪比，但位置不能完全对应，其原因是该信号图为时间电压信号，检测位置与检测时设备移动的速度有关。

分析各缺陷所对应的检测幅值信号，如图11所示，在信号图中前4个信号为单根断丝缺陷信号，可以发现随着断丝断口长度的增加，信号的幅值有所减小：比较断丝数量不同的信号，发现断丝数量增加，信号幅值有所增加；图中第4.5，5.1，7.7m处缺陷为切痕缺陷，该种类缺陷损伤较小，其信噪比也较小，但在信号图中也能够识别出这几处缺陷。

3.2截面积损伤检测

霍尔元件能够测量静态磁场，使用该检测装置对图7中制作的损伤进行检测试验，首先将检测探头置于图示第I部分，获取磁场信息测得静态电压值，然后依次置于第II、III、Ⅳ部分进行测量，检测所得信号如图12所示。

信号图为时间电压信号，图中曲线为霍尔元件通道所采集到磁场信号曲线，图中幅值信号分为4个部分，第1段对应未制作缺陷部分，其输出幅值约为1900mV，第2段对应截取一根断丝部分，其输出幅值约为1925mV，第3段为截取两根断丝部分，其输出幅值约为1970mV，第4段为截取3根断丝部分，输出幅值约为2000mV，4个部分问的信号波动为移动检测探头产生的噪声信号。由检测结果可知，随着阻拦索断丝数量的增加，电压幅值呈增加趋势，可以反映出阻拦索金属截面积的变化。

4结束语

为了有效检测航母阻拦系统中钢索损伤缺陷，搭建检测台架，制作模拟缺陷，借鉴工业钢丝绳检测方法，基于漏磁检测技术，设置检测探头，并进行检测试验研究。从检测信号分析可以得出，该仪器具有比较好的重复性，所设置的检测探头能够检测出制作的模拟断丝缺陷及截面积变化缺陷，并具有较好的信噪比。