基于Comsol的电梯钢丝绳漏磁检测仿真分析与研究

摘 要：针对传统检测信号易受干扰等问题，本文对常见的钢丝绳漏磁检测方法进行了优化设计。首先采用Comsol建立了钢丝绳漏磁检测的有限元模型，进行磁场信号仿真，确定合适的磁化方式及参数。再模拟钢丝绳动态检测过程，对损伤处的漏磁场特征进行仿真分析，得到最优的检测参数。为了降低测量过程中的震动等干扰，增加了聚磁装置。通过仿真结果表明，检测元件的提离值变大，降低干扰的同时也保证了漏磁信号检测分辨率。

关键词：Comsol;电梯钢丝绳;漏磁检测;聚磁装置;

电梯曳引钢丝绳用于悬挂轿厢和对重，利用曳引轮与钢丝绳之间的摩擦力驱动轿厢和对重运行。钢丝绳通常暴露在电梯井道中，工作环境较为恶劣，长时间运行易出现断丝、磨损等情况，给电梯运行带来了很大的安全隐患，故钢丝绳的定期检测极其重要。目前钢丝绳检测通常采用电磁无损检测技术，其中应用最多的是漏磁检测法，即通过测量钢丝绳损伤处周围的漏磁场来判断损伤程度[1]。虽然漏磁检测法应用较为广泛，但是其依然存在一些不容忽视的缺点，如不易分辨损伤类别、漏磁信号不明显、易受干扰，特别是动态测量时的振动以及相邻钢丝绳对损伤处的漏磁信号易产生干扰。

本文通过COMSOL有限元仿真分析软件，建立电梯钢丝绳检测模型，模拟电梯钢丝绳损伤动态检测过程，对常见的钢丝绳漏磁检测方法进行了优化设计，确定漏磁检测中的关键参数，提高漏磁信号检测的分辨率。

1 漏磁检测基本分析

1.1 检测对象分析

本研究的检测对象为乘客电梯所用的钢丝绳，常用的规格一般为8×19S+FC-13mm, 其直径为13mm。电梯钢丝绳主要由股芯、绳芯、内外层钢丝组成[2],其中内外钢丝缠绕股芯构成绳股，多根绳股围绕绳芯呈螺旋状捻制成钢丝绳。电梯钢丝绳的主要材质为钢丝，通常采用导磁性能良好的碳素钢制成[3]。电梯钢丝绳常见的损伤主要有断丝、钢丝的蚀坑、较深的钢丝磨损等[4]。

1.2 漏磁检测原理

漏磁检测是利用铁磁性材料被磁化之后，检测外围是否存在可被分辨的漏磁场信号，从而辨别是否存在裂纹等损伤情况。如图1所示，在钢丝绳外围的磁源及导磁连接体提供了磁场，沿主磁路方向磁化钢丝绳，在其表面几乎没有磁场。当钢丝绳表面出现断丝等缺陷时，由于断口间气隙的磁导率很小，断丝处磁阻增大，部分磁力线沿着断口处到气隙中形成漏磁场[5],通过检测漏磁信号的有无及强度等参数来辨别钢丝绳是否存在损伤及损伤位置。

图1 漏磁检测示意图 

2 电梯钢丝绳漏磁检测仿真分析

2.1 仿真模型建立

本文利用Comsol建立钢丝绳漏磁检测模型进行仿真分析，为了节省计算时间，建立二维平面的检测模型，如图2所示。模型中采用圆柱钢棒模拟钢丝绳，其参数设置如下：直径130mm, 长度500mm, 其材料选用45#碳钢。钢丝绳的磁化使用的是永磁磁化方式[6],故在钢丝绳两侧对称分布了4个磁极，磁极尺寸为：宽度15mm, 长度20mm, 一侧2个磁极通过磁轭连接，与钢丝绳形成封闭的磁回路。其中磁轭是用于引导两磁极产生磁场，减小磁阻，需要采用高导磁率材料，故选用相对磁导率为4000的衔铁，其尺寸为：长度100mm, 宽度12mm。此外在钢丝绳外侧还设置了宽度300mm, 长度1000mm的空气域，相对磁导率为1,真实模拟实际检测效果。

图2 钢丝绳漏磁检测模型 

2.2 磁化参数的确定

根据漏磁检测的原理可知，磁饱和是实现检测的首要步骤，所以需要确定磁化参数，如永磁体的磁极位置排布、磁场强度等。本次检测对象钢丝绳为45#碳钢，为非线性磁性材料，其B-H曲线如图3所示。当周围磁场强度达到近20000A/m时，钢丝绳的饱和磁感应强度约为 1.9T,钢丝绳被磁化。

图3 电梯钢丝绳(45#碳钢)B-H磁化曲线 

如图2所示，本次采用的是两侧对称分布的4个磁极，2个磁轭的方式来为钢丝绳提供磁场。首先需要确定4个磁极摆放方式，为了保证最大限度的磁感应线穿过钢丝绳的内部，通过COMSOL将S-N-N-S和S-N-S-N两种磁极摆放方式进行仿真计算出钢丝绳内部磁场情况。如图4所示，很明显看出S-N-S-N摆放方式中钢丝绳内部磁感应线密度最大，钢丝绳更容易被磁化。

图4 两种摆放方式下钢丝绳芯部磁场分布 

确定好N-S-N-S对称摆放方式后，接着设置永磁体的磁场强度参数值H在5×105 A/m～2×106A/m之间，永磁体距离钢丝绳的距离D在3mm～8mm之间，通过COMSOL参数化扫描对钢丝绳内部绳芯处的磁场强度分布进行计算求解，得到如图 5 所示的钢丝绳内部磁感应强度分布。由图5(a)可知，在相同的磁场强度下，永磁体距离钢丝绳越近，内部磁感应强度越大，但是相差不太大，且基本是一致达到磁饱和。故选择在距离钢丝绳5mm处放置永磁体。不同磁场强度作用下的钢丝绳芯部磁感应强度如图5(b)所示，钢丝绳内部居中处磁感应强度高，两端磁感应强度低。在1.8×106A/m～2×106A/m时，20mm～80mm中间区域的钢丝绳绳芯均能达到饱和磁感应强度约为1.9T,因此可设置永磁体的磁场强度1.95×106A/m, 能够保证被100mm磁轭作用下的钢丝绳绝大部分都被磁化。

2.3 检测参数确定

根据漏磁检测原理，在钢丝绳达到磁饱和之后，如何在损伤处检测到有效的漏磁信号是最为关键的。首先要确定检测元件，由于漏磁信号比较弱，需要选灵敏度比较高的磁传感器，如霍尔元件稳定性、温度特性等均较好，在磁场测量中得到广泛应用。还需要确定检测元件的具体放置位置，包括水平放置位置和垂直放置位置。

图5 不同距离及磁场强度下钢丝绳芯部磁感应强度 

根据断丝、磨损等损伤特征，在钢丝绳模型的上表面模拟出2个大小不一样的损伤：一个处于水平位置120mm处的2mm×2mm的损伤、另一个在水平位置150mm处的0.5mm×0.5mm的损伤。如图6 所示，在损伤周围可以明显看出磁感应强度增大且损伤几何尺寸越大，漏磁场越大，更容易被检测出来。

图6 钢丝绳外围的漏磁感应强度分布 

下面通过放置探针来模拟实际应用中的霍尔元件检测漏磁场大小，确定放置位置。首先确定水平放置位置，在100mm的磁轭范围内，距离钢丝绳表面3mm处，水平相对磁轭距离20mm、50mm、60mm处放置了3个探针，通过COMSOL设置磁体、磁轭及探针整体从水平位置10mm～200mm进行移动来模拟动态检测过程，对3个探针处的磁感应强度分布进行计算求解结果如图7所示，可看出水平相对磁轭距离50mm的探针所测结果能够准确找到2个损伤位置，且水平位置120mm处的损伤尺寸较大，漏磁感应强度大。而其余2个探针所检测的值不能够准确地反映损伤位置，特别是越靠近磁轭两端的探针所测磁感应强度受到磁极本身磁场的干扰，不适宜放置检测元件。所以分析以上仿真结果可知，检测元件应水平放置相对于磁轭居中的位置，这样能够最大程度避免两端磁极对漏磁场的测量影响。

图7 不同水平位置放置的检测探针所测钢丝绳外围的漏磁感应强度 

接下来确定垂直放置位置，就是检测元件离钢丝绳的距离，也叫做提离值。在钢丝绳上端相对于磁轭居中放置检测探针，提离值由2mm递增到7mm, 所测得的漏磁曲线如图8所示，由此可知，使漏磁信号最明显的提离值为2mm, 随着提离值的增大，漏磁信号越来越小。尤其当提离值大于4mm时，对于水平位置150mm处的细小损伤检测不出来，信号与未作损伤无异。考虑霍尔元件YS3503量程±900mT以及灵敏度1.35mV/1GS,故提离值可设为2mm～3mm, 漏磁信号峰值在霍尔元件量程范围内，且漏磁信号波峰与波谷有较高的区分度。

根据以上分析，霍尔元件相对于磁轭居中放置在距离钢丝绳2mm～3mm的位置。考虑到钢丝绳两侧对称分布磁场，所以霍尔元件也对称放置进行检测。而在实际使用中，就需要按照以上位置信息围绕钢丝绳一圈放置霍尔元件，成圆周阵列型进行检测，才能保证全方位到漏磁信号。

图8 不同提离值下的漏磁信号曲线 

4 漏磁检测优化设计

根据以上仿真结果分析可知，提离值在2mm～3mm时，漏磁信号较好，但霍尔元件距离钢丝绳很近，在实际测量过程中霍尔元件容易与钢丝绳表面发生摩擦、震动、抖动等给检测值带来干扰。为了解决检测元件提离值较小的问题，对以上仿真模型进行优化设计，在保证漏磁信号强度的同时，增大提离值。

4.1 聚磁装置

由于钢丝绳损伤处的漏磁场在空气中比较发散，为了使霍尔元件尽可能检测到更多的漏磁场，本文在原先的结构上相对磁轭居中的位置对称放置聚磁装置如图9(a)所示。聚磁装置结构如图9(b)所示，聚磁材料选择未退火的铸铁，其相对磁导率为240,远大于空气的相对磁导率1,这样能够有效将钢丝绳损伤处空气中的漏磁吸引过去。而霍尔元件居中放置在2个聚磁材料的缺口处，便于检测聚磁后的漏磁场。

图9 聚磁优化设计 

4.2 优化仿真结果对比分析

通过COMSOL对增加聚磁装置优化后的漏磁仿真模型进行计算，检测探针提离值由3mm递增到8mm, 所测得优化后的漏磁曲线如图10 所示。由此可知，随着提离值由3mm到5mm时，漏磁信号变小，但到6mm、7mm时，漏磁信号开始变大，最后到8mm时，漏磁信号回落。这是因为提离值为6mm、7mm时，检测探针正处于聚磁装置的缺口附近，在聚磁装置的作用下原本钢丝绳损伤处的漏磁信号被吸引过去了。特别是提离值为7mm时，检测探针正处在缺口居中位置，故其漏磁信号最为明显。所以通过增加该漏磁装置，可以将提离值设为7mm, 此时漏磁信号波峰与波谷有较高的区分度，并且在霍尔元件量程±900mT范围内。

图10 增加聚磁装置不同提离值下的漏磁信号曲线 

5 结论

本研究通过COMSOL建立电梯钢丝绳漏磁检测模型，进行有限元仿真计算分析。首先通过对钢丝绳模型磁化仿真，确定永磁体N-S-N-S对称磁化方式及磁场强度为1.95×106A/m保证钢丝绳被磁化。然后模拟动态测量仿真，通过检测探针记录带有损伤的钢丝绳外围的漏磁信号，分析确定了水平相对于磁轭居中，提离值2mm～3mm为最优检测参数。最后针对提离值过小的问题，通过增加聚磁装置将提离值提高到7mm, 降低了测量过程的震动等干扰，也保证了漏磁信号检测分辨率。

参考文献

[1] 钟小勇，刘志辉，张小红.基于STM32的钢丝绳缺陷定量检测系统设计[J].自动化与仪表，2019,34(5):56-59.

[2] 高勇，井德强，寇彦飞.涡流检测在电梯钢丝绳断丝检测中的应用[J].中国电梯，2020,31(19):10-12.

[3] 谢菲，孙燕华，姜宵园，等.矿井提升钢丝绳在线漏磁无损检测装置[J].无损探伤，2019,43(1):34-36.

[4] 吴澎，花虎跃.钢丝绳无损检测中存在问题的探讨[J].无损检测，2017,39(6):65-68.

[5] 代理勇.基于漏磁原理的电梯钢丝绳断丝检测方法研究[D].重庆：重庆理工大学，2022.

[6] 王博思，黄子恒，赵雅，等.基于漏磁检测的电梯钢丝绳断丝检测实验研究[J].自动化与仪器仪表，2020(8):29-32.

文章来源无损探伤. 2023,47(05)