矿用钢丝绳双源磁回路结构设计与仿真分析

关键词：矿用钢丝绳局部损伤；电磁无损检测；双源磁回路；主磁通；漏磁

中图分类号：TD532 文献标志码：A

0引言

钢丝绳被广泛应用于矿井提升、运输系统中[1-3]，其健康状态对于矿井提升和运输系统的安全性至关重要。然而，由于其特殊的线性挠性结构特性，矿用钢丝绳最薄弱环节决定了整体强度，所以亟须对钢丝绳局部损伤进行检测，以确保钢丝绳具有可靠的强度[4-6]。

近些年来，由于电磁无损检测方法可检测钢丝绳内外部损伤，且具有一定的精度和较高的效率，一直是重点研究方向[7-8]。基于电磁法的钢丝绳损伤检测包括横截面积损失（Loss of Metallic Area，LMA）型损伤主磁通检测方法和局部缺陷（Local Flaw，LF）型损伤漏磁检测方法[9-13]。李建辉等[14]针对钢丝绳摆动对励磁装置的影响，设计了一套矿用钢丝绳励磁装置，通过仿真分析明确了相关参数对漏磁检测的影响。Ma Yilai 等[15]采用聚磁结构将空间内漏磁场引导至传感器检测范围内，从而增加单个霍尔传感器的检测范围。Zhou Zuopu 等[16]提出了一种利用多通道信号融合原理的方法，能够从多个漏磁信号中提取出丰富的信息。Zhang Donglai 等[17]同时使用线圈和霍尔传感器检测主磁通和漏磁信号，一定程度上实现了钢丝绳损伤的多尺度检测。以上研究表明，主磁通检测方法对于分布较长的磨损、锈蚀等损伤检测具有良好的效果，但对于局部类损伤，由于受其轴向分辨率限制，检测结果是由局部损伤的值除以检测长度的值所得，导致检测结果被平均，低估了损伤的严重程度，检测精度较低；在基于漏磁的局部损伤检测过程中，漏磁场与损伤分布情况、损伤参数等多因素相关，目前定量精度仍不高。

因此，如何提高主磁通检测轴向分辨率以使其适应轴向宽度更小的损伤，并协同利用漏磁信号以提高局部损伤检测精度，逐步引起学界关注。晏小兰[13]设计了聚磁结构线圈，在线圈测量主磁通的同时利用聚磁结构收集缺陷漏磁场，一定程度上提高了主磁通轴向分辨率，但是由于未充分利用漏磁通中与损伤参数密切相关的信号特征，且未明确建立回路结构与磁化效果之间的规律，模糊了钢丝绳损伤与磁场信号之间的映射关系[18]，仍难以实现对局部损伤的精确检测。

针对上述问题，本文提出一种同时检测主磁通和漏磁的矿用钢丝绳双源磁检测方法，结合主磁通与漏磁在局部损伤检测方面的互补性，设计双源磁回路结构。提出环形筒状和独立分离2 种磁回路方案，基于有限元仿真分别验证这2 种方案的可行性并进行优选；研究磁化回路结构参数对磁化效果的影响规律，对上述结构参数进行优选，以构建高效磁化结构，最大化利用磁能，构建合理磁桥路。

1钢丝绳双源磁检测方案

钢丝绳双源磁检测方案原理如图1 所示。首先，永磁铁作为励磁源为钢丝绳磁化提供能量，其中衔铁起导通磁回路、减少回路磁阻、最大化利用磁能的作用；其次，基于霍尔传感器阵列检测漏磁通变化，并通过磁桥结构获取主磁通量变化；然后，信号处理模块对磁信号进行放大、滤波等处理，提取信号特征量，利用漏磁通特征量对磁桥路磁通特征进行补充和修正；最后，构建数据集训练多层前馈神经网络，通过误差反向传播优化模型，并利用已训练的模型对钢丝绳损伤进行识别。

2磁回路结构设计

由钢丝绳双源磁检测方案可知，对钢丝绳进行漏磁和主磁检测时，需要先将钢丝绳磁化至饱和状态，当钢丝绳出现损伤时，漏磁和主磁信号会出现一定波动，测量这一波动信号并进行反演识别即可得到损伤信息。为了实现饱和磁化，将磁力线更多地引导至钢丝绳内部，避免磁铁磁能的浪费。当前，可构造的基本构型主要有环形筒状回路结构和独立分离回路结构2 类。基于传统的励磁结构，本文提出双源磁检测环形筒状励磁回路和独立分离励磁回路方案。

2.1结构设计

1）双源磁检测环形筒状励磁回路由钢丝绳简化模型、筒状主衔铁、环形侧衔铁、环形永磁铁和空气隙组成，如图2 所示。环形永磁铁采用径向充磁，同侧的环形永磁铁充磁方向相同，上下2块半圆环状磁铁可组成整圆套在钢丝绳上，此时环形永磁铁在钢丝绳中心处的磁场相互抵消，从而避免磁铁磁力对钢丝绳产生干涉。该回路结构简单，零件个数少，但是整体体积较大，质量较大[19]。

2） 双源磁检测独立分离励磁回路由多个磁化回路组合而成，如图3 所示。单组磁回路由2 块极性相反的块状磁铁和长条状衔铁组成。多组回路中的磁铁和衔铁相对钢丝绳周向等距阵列分布，周向阵列磁铁在钢丝绳中心产生的磁场同样可相互抵消，阵列面上钢丝绳轴心处磁场强度基本为零。该回路的体积较小，质量较小[20]。

2.2仿真与对比分析

在对钢丝绳励磁器设计及磁信号分布规律研究中，有限元数值仿真方法能够模拟不同励磁结构及损伤类型与参数，直观地分析不同回路的磁化效果。因此，对2 种磁回路方案分别进行Maxwell 磁仿真，以验证漏磁检测和磁桥路检测的可行性，为方案选择提供依据[21]。

2.2.1双源磁检测环形筒状励磁回路可行性验证

1）励磁分析。环形筒状励磁回路三维仿真模型如图4（a）所示，钢丝绳尺寸为160 mm×19 mm，外部励磁源为圆环型N52 钕铁硼磁铁，充磁方向为径向充磁，磁铁的矫顽力设置为955 kA/m，剩磁设置为1.45 T，衔铁选择Steel_1008，其余部分为空气材料，材质选择Vacuum，相对磁导率默认为1，网格剖分如图4（b）所示。

钢丝绳和环形磁铁的磁感应强度云图和钢丝绳内部磁感应强度沿轴向分布如图5 所示。两端磁铁中间的钢丝绳磁化段的磁化强度达2.0 T。由图5（b）可知，环形筒状励磁回路结构能够将钢丝绳磁化至饱和状态。

2） 漏磁检测可行性分析。为验证环形筒状励磁回路方案中漏磁检测方法的可行性，在钢丝绳（模型中为圆柱体钢棒）表面制作长6 mm、宽2 mm、深5 mm 的长方体损伤，距离损伤表面3 mm 高度设置检测线，检测线上的磁通密度分布如图6 所示。可看出漏磁场的轴向和径向分量都有明显的波动，轴向分量表现为脉冲信号，径向分量表现为波峰和波谷的组合，信号形态与断口磁偶极子模型漏磁场信号形态相似。因此证明环形筒状励磁回路方案能够实现漏磁检测的正常进行。

3） 磁桥路检测有效性分析。为验证环形筒状励磁回路方案中磁桥路方法的有效性，首先探究截面损失率与环形回路磁桥路磁通密度的联系，将截面损失率从0 增加至13.85%，环形回路磁桥路磁通密度幅值变化如图7 所示。可看出磁桥路磁通密度幅值较低、变化无规律性且与截面损失率呈非线性关系，推测此时的磁桥路中磁通量是空气中弥散的磁通，而非所设计磁桥路引导的磁通。为验证猜测，将仿真模型中所构建磁桥路删除，保留检测线，重新仿真，发现磁桥路处磁通密度仍有3.3 mT 左右，因此可以判断环形回路下磁桥路检测方法是失效的。

为探究磁桥路的失效原因，查看环形筒状励磁回路结构中的磁桥路磁通密度矢量分布，如图8 所示。可看出磁桥路中的磁化强度较低，仅有顶端和底端处的磁力线能够按照所设计的预期回路一致。

环形筒状励磁回路中主衔铁的磁感应强度如图9所示。可看出主衔铁的顶端和底端处磁感应强度较大，最大磁感应强度为500 mT，而其他部位的磁化强度非常低，整体未被饱和磁化，导致顶端和底端的磁力线会向磁感应强度低的地方扩散。进一步证明了环形筒状励磁回路方案中磁桥路方法的不足，因此环形筒状励磁回路无法满足励磁要求。

理想情况下环形磁铁的辐向充磁效果如图10（a）所示，充磁方向由环状外侧各点指向圆心或由圆心指向环状外侧，理想充磁下，构建的磁回路理论上应是N 个回路，N 接近于无穷大。受限于当前的永磁铁制造技术，半圆环的实际充磁效果如图10（b）所示，这导致实际构建的磁路只有2 个回路，因此实际的磁化不均匀，表现为顶端和底端磁化强度较高，其他位置较低，同时也造成了永磁铁磁能的浪费。

由于磁桥路检测功能的失效，环形筒状励磁回路结构不适用于本文的双源检测方案。

2.2.2双源磁检测独立分离励磁回路可行性验证

1） 励磁分析。独立分离励磁回路三维仿真模型如图11（a）所示，仿真参数、损伤参数等设置均与环形筒状励磁回路仿真相同。网格剖分如图11（b）所示。

钢丝绳和块状磁铁的磁感应强度云图和钢丝绳内部磁感应强度幅值沿轴向分布情况如图12 所示。可看出两端磁铁中间部分的磁化强度可达到1.9 T 以上，说明独立分离励磁回路结构能够将钢丝绳磁化至饱和状态。

2） 漏磁检测和磁桥路检测的可行性分析。为验证独立分离励磁回路中漏磁检测和磁桥路检测的可行性，设计与环形筒状励磁回路相同的仿真实验。独立分离励磁回路方案的磁桥路磁通密度如图13所示。可看出独立分离励磁回路方案中漏磁检测方法同样具有可行性，独立分离励磁回路的磁桥路磁通密度的幅值变化与截面损失率呈现近似线性关系，验证了该方案中磁桥路检测法的可行性。

从功能性角度考虑，环形筒状励磁回路的磁桥路检测励磁效果较独立分离励磁回路差，且无法满足设计要求；从轻量化角度考虑，在具有同等励磁效果的情况下，环形筒状励磁回路需要较大的体积和质量，而独立分离励磁回路更加小型和轻量化，易于实际使用。因此选择独立分离励磁回路作为本文探测器的基本结构。

3磁回路结构参数仿真分析

通过建立仿真模型，确定具体的磁回路结构与参数，探究衔铁、磁源结构尺寸参数对磁化效果的影响规律，研究磁桥路结构与参数对磁桥路磁通密度分布的影响规律。

3.1衔铁参数选择

衔铁在磁回路中起着引导磁力线、导通磁路的作用，衔铁的结构参数不仅影响钢丝绳的磁化效果和永磁铁磁能的利用效率，同时也影响后续利用磁敏元件检测损伤磁场的难易程度，因此有必要对衔铁结构进行分析，探究衔铁参数对磁场的影响规律[20]。对衔铁结构仿真的过程中，遵循控制变量原则，限定永磁铁长度为20mm，宽度为16mm，厚度为10 mm 并保持不变。

1） 回路个数。为探究回路个数对钢丝绳磁化效果的影响， 将回路个数分别设置为1，2， 4， 8，如图14所示。钢丝绳磁化强度变化如图15 所示，可看出当回路个数成倍增加时，对应的钢丝绳磁化强度也近似成倍增加，8 个回路时钢丝绳的磁感应强度为1.907 9 T，此时钢丝绳已经磁化至饱和状态，满足检测需求。

2） 衔铁长度。为研究主衔铁长度变化对钢丝绳磁化效果的影响，设置主衔铁厚度为10 mm、宽度为15 mm， 侧衔铁高度设为30 mm。主衔铁长度从20 mm 开始，以20 mm为步长不断增加至140 mm，如图16 所示。

衔铁长度变化时钢丝绳磁化强度变化如图17 所示，可看出随着衔铁长度增加，钢丝绳磁化强度逐渐降低，近似呈现线性下降趋势。从探头轻量化角度出发，应尽量减小主衔铁长度，但考虑到主衔铁长度较小时，两侧磁铁相距过近，对背景磁场的影响较大，从而影响漏磁场的检测。

衔铁长度为20，40 mm 时，背景磁场分布情况如图18 所示。可看出衔铁长度为40 mm 时，背景磁场较均匀稳定，后续可通过合理的电路设计减小背景磁场对漏磁检测的影响。衔铁长度为20 mm 时，背景磁场较不均匀，后续信号处理难度较大。因此主衔铁长度选择40 mm 及以上，本文选择主衔铁长度为40 mm。

3）衔铁厚度。为研究主衔铁厚度变化对钢丝绳磁化效果的影响，在保证主衔铁长度为10 mm、宽度为15 mm，侧衔铁高度为30 mm 的前提下，将主衔铁厚度分别设置为4，6，8，10，12，14，16 mm，如图19 所示。

衔铁厚度改变时钢丝绳磁化强度变化情况如图20 所示。可看出主衔铁厚度从4 mm 增加至10 mm 时， 磁化强度急剧增加； 从10 mm 增加至16 mm 时，磁化强度几乎没有变化。衔铁厚度增加会使探头质量增大，因此综合考虑探头质量与上述规律，选择主衔铁厚度为10 mm。

4）侧衔铁高度。设置主衔铁长度为40 mm，厚度为10 mm，宽度为15 mm，侧衔铁高度分别为20，25，30，35，40，45，50，55，60，65 mm。钢丝绳的磁化强度变化情况如图21 所示。可看出侧衔铁高度变化时，钢丝绳磁化强度几乎不变，因此为了尽可能减小探头的体积和质量，应尽量降低衔铁高度。但是衔铁高度较小时，会使探头内部的空间较小，影响检测电路等器件的放置。因此综合考虑内部空间，选择侧衔铁高度为30 mm。

5） 衔铁宽度。采用控制变量的方法保持主衔铁长度为40 mm、厚度为10 mm， 侧衔铁高度为30 mm 不变，将衔铁宽度从8 mm 以步长2 mm 逐渐增加至20 mm。侧衔铁宽度变化时钢丝绳磁化强度变化情况如图22 所示。可看出衔铁宽度从8 mm 增加至12 mm 时，磁感应强度增大了46.31%，从12 mm增加至16 mm 时，增大了26.54%，从16 mm 增加至18 mm 时，只增加了6.28%。由于衔铁材料工业纯铁DT4 的密度较高，衔铁宽度的增加会使探头质量急剧增加，16 mm 后增加探头宽度导致质量增加的缺陷大于磁感应强度增大的收益，因此综合考虑磁化效果与探头轻量化， 确定衔铁宽度为16 mm。

3.2永磁铁参数设计

为探究永磁铁参数对钢丝绳磁化效果的影响规律，采用控制变量法设置主衔铁长度为40 mm、厚度为10 mm、宽度为16 mm， 侧衔铁高度为30mm。每次仿真只改变永磁体的某一参数。

1）永磁铁牌号。不同牌号钕铁硼永磁铁参数见表1。永磁铁牌号会影响励磁效果，因此采用单一变量法，设置永磁铁长度为20 mm，宽度为16 mm，厚度为10 mm，提离值为4 mm，仅改变永磁铁牌号。

永磁铁牌号变化时钢丝绳磁化强度变化情况如图23 所示。可看出在其他参数不变的情况下，牌号越大的永磁铁对钢丝绳的磁化强度越高，N38 以上牌号可将钢丝绳磁化至饱和状态，但为了增加其他结构参数可调整的富裕度，且考虑各牌号磁铁之间成本差异较小，选择永磁铁牌号为N52。

2）永磁铁长度。为研究永磁铁长度对钢丝绳磁化效果的影响规律，设置永磁铁牌号为N52，宽度为16 mm，厚度为10 mm，提离值为4 mm，永磁铁长度分别为16，18，20，22，24，26，28 mm。钢丝绳磁化强度变化情况如图24 所示。可看出随着永磁铁长度增加， 钢丝绳磁化强度逐渐增加； 永磁体长度由16 mm 增大到20 mm 时，钢丝绳磁感应强度增加了14%；长度由20 mm 增大到24 mm 时，磁感应强度增加了6.9%；长度由26 mm 增大到28 mm 时，只增加了3.5%。可见随着永磁铁长度的增加，对钢丝绳磁化强度增加的贡献在逐渐降低。因此，本文磁铁长度选择20 mm。

3） 永磁铁厚度。为研究永磁铁厚度对钢丝绳磁化效果的影响，设置磁铁牌号为N52，宽度为16 mm，长度为20 mm，提离值为4 mm，永磁铁厚度分别为4，6，8，10，12，14，16，18 mm。永磁铁厚度变化时钢丝绳磁化强度变化情况如图25 所示。可看出当永磁铁厚度从4 mm 增大到10 mm 时，钢丝绳磁感应强度增加了31.3%；厚度从10 mm 增大到28 mm 时，磁感应强度增加了7%。永磁铁厚度的增加对钢丝绳磁化效果增强的贡献在逐渐降低，因此磁铁厚度选择为10 mm。

4） 永磁铁提离值。为研究永磁铁提离值对钢丝绳磁化效果的影响，设置磁铁牌号为N52，宽度为16 mm，长度为20 mm，厚度为10 mm，提离值分别为3，4，5，6，7，8，9，10，12，14，16，18，20 mm。永磁铁提离值变化时钢丝绳磁化强度变化情况如图26 所示。可看出当提离值由3 mm增加到20 mm 时，钢丝绳磁化强度从2.0 T 非线性下降到约0.8 T，整体下降幅度达60%； 在提离值为3 mm 时， 磁化强度为2.0 T；在提离值为10 mm时，磁化强度降至约1.3 T，较初始值下降了35%； 当提离值继续增加到20mm 时，磁化强度进一步降至约0.8 T，相较于初始值，下降了60%。提离值的增加会显著降低钢丝绳磁化强度，说明提离值对磁化效果具有较大的影响。为了将钢丝绳磁化至深度饱和区，应尽量减小永磁铁提离值，但提离值过小会使永磁铁的装配难度增大，综合考虑将永磁铁提离值设置为4 mm。

3.3磁桥路参数选择

为探究磁桥路结构参数对磁桥路磁通密度分布的影响规律，采用控制变量法将主衔铁的长度、厚度、宽度和侧衔铁高度分别设置为40，10，16，30 mm，永磁铁长度、宽度、厚度分别限定为20，16，10 mm并保持不变。每次仿真只改变磁桥路的单一参数。

1） 磁桥路提离值对磁桥路磁场分布的影响。设置磁桥路厚度为4 mm，宽度为16 mm，空气间隙为4 mm，改变提离值为14.0，14.5，15.0，15.5，16.0，16.5，17.0，17.5，18.0 mm。磁桥路磁通密度在空气间隙中的分布结果如图27 所示。可看出随着磁桥路提离值的增加，磁桥路磁通密度先增加后降低，整体变化幅度不大。值得注意的是，当提离值由14.5 mm 降低到14.0 mm 和由17.5 mm 增加到18.0 mm 时，磁桥路磁通密度相对下降得较剧烈。当磁桥路提离值为14.0，18.0 mm 时，磁桥路磁通密度分布曲线中段发生了畸变。

提离值为14.0， 15.5， 16.0， 18.0 mm 时的磁力线分布情况如图28 所示。可看出提离值为14.0 或18.0 mm 时，磁桥路分别距离钢丝绳损伤和主衔铁较近，磁桥路磁通分别受漏磁通和主衔铁磁通的影响，导致磁通密度分布曲线产生了畸变。提离值为15.5，16.0 mm 时，磁桥路磁通受到的影响较小，因此未产生明显畸变。

综上，确定提离值时应尽量使磁桥路与主衔铁磁路保持一定距离，尽量减小其他磁路干扰对磁桥路的影响。因此，本文的磁桥路提离值选择16.0 mm。

2） 磁桥路厚度对磁桥路磁场分布的影响。设置磁桥路提离值为16 mm，宽度为16 mm，空气间隙为4 mm，厚度分别为2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 mm。磁桥路厚度变化时磁通密度如图29 所示。可看出随着磁桥路厚度的增加，磁桥路磁通密度逐渐增加，但增加速度逐渐降低。相较于磁桥路提离值，磁桥路厚度对磁桥路磁通密度的影响更大，为使磁敏元件处于线性工作区间内，应合理选择磁桥路厚度。此外，当磁桥路厚度小于等于3.0 mm时，磁桥路空气隙中的磁通密度沿轴向分布的不均匀程度较高，因此本文设计磁桥路厚度时应大于3.0 mm。考虑到磁桥路过厚会使得检测电路等其他装置的空间受到压缩，因此磁桥路厚度也不宜过大。综合考虑上述因素，本文最终选择的磁桥路厚度是4.0 mm。

3）磁桥路空气间隙对磁桥路磁场分布的影响。

设置磁桥路提离值为16 mm，宽度为16 mm，厚度为4 mm，空气间隙分别为2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0 mm。由于仿真过程中空气间隙一直在改变，为更全面地展现整个空气间隙的磁通密度分布，将检测线设置为6.1 mm，结果如图30 所示。可看出空气隙从2.0 mm增加至6.0 mm 时，磁桥路磁通密度逐渐降低， 3.5 mm 以后降速变缓，由1.2 T 下降至约0.7 T，降幅为41.7%。整体来看，磁桥路空气隙对磁桥路磁通密度分布影响较大，因此，设计磁桥路结构时应合理选择磁桥路空气隙大小，以保证磁桥路准确地识别损伤引发的磁信号变化。

4结论

1）针对当前矿用钢丝绳局部损伤检测精度低的问题，提出了一种同时检测主磁通和漏磁的双源磁检测方法，设计了环形筒状和独立分离2 种磁回路检测方案，并开展磁场仿真分析，使用Maxwell 进行磁仿真，验证漏磁检测和磁桥路检测的可行性，最终选择独立分离回路作为磁回路基本结构。

2） 研究了磁回路中的衔铁回路个数、衔铁长度、高度等参数对磁化效果的影响。结果表明，磁化幅值与回路数量呈正相关，与衔铁长度呈负相关，而衔铁高度对磁化效果影响不显著。当回路个数为8 时，磁感应强度达1.9 T，钢丝绳已磁化至饱和状态，能够满足检测需求。

3） 研究了永磁铁牌号、长度、厚度、提离值等参数对磁化效果的影响。结果表明，磁化幅值与永磁铁的牌号、长度和厚度呈正相关，而与提离值呈负相关。当提离值从3 mm 增加到20 mm 时，钢丝绳的磁化强度从2.0 T 降至0.8 T，整体下降幅度达到60%。

4） 研究了磁桥路提离值、厚度、空气间隙对磁桥路磁场分布的影响。结果表明，磁化幅值与厚度呈正相关，与空气间隙呈负相关，而提离值对磁化效果几乎无影响。其中，磁桥路的空气间隙对磁通密度分布影响较大， 当空气间隙从2 mm 增至6 mm时，磁桥路磁通密度逐渐降低，且在3.5 mm 后下降速率趋缓，从1.2 T 降至0.7 T，降幅为41.7%。