摘 要 提出一种采用有限元法对在役桥梁拉索漏磁检测磁化器的各几何参数进行设计的方法。以PESF7-163 型平行钢丝拉索为例，通过分析磁化器各项几何参数的变化对拉索内部磁场和缺陷漏磁信号的影响，得到漏磁场轴向分量随磁化器几何尺寸的变化规律，并通过试验对按上述方法设计的磁化器进行了验证，试验结果与有限元仿真结果完全相符。
近年来，随着桥梁建设的高速发展，桥梁安全问题引起人们广泛关注。拉索是斜拉桥、悬索桥及拱形桥等大跨度桥梁的主要受力部件，国内外已发生多起因拉索锈蚀断裂引起的桥梁坍塌事件[1]。因此，对在役拉索进行定期的检查和维护是十分必要的。
目前，拉索主要是通过卷扬机拖动搭载检测设备和工作人员的小车，或利用液压升降台搭载工作人员和设备，采用人工方式进行检测[2]，施工成本高、效率低，且有较大的安全隐患。袁建明等利用漏磁检测原理设计的检测机器人能够沿拉索自主爬升并检测拉索内部缺陷，提高了拉索维护的效率和安全性[3 ～5]。但上述研究工作主要侧重于检测仪器的整体开发，关于磁化器的结构尺寸对漏磁检测的影响没有展开深入研究。同时由于拉索自身结构的特殊性，拉索漏磁检测具有大直径、大提离和电磁边界条件复杂的特点[6]，拉索的磁化十分困难，增加了磁化器设计的难度。因此，有必要研究磁化器的各项几何参数对拉索漏磁检测的影响。
笔者采用基于 ANSYS 的有限元模拟方法进行研究。首先建立了拉索漏磁检测三维有限元模型; 然后研究了磁化器各项几何参数对拉索内部磁化效果和漏磁信号的影响，为实际检测中结构尺寸的选择提供参考; 最后用试验验证了仿真结果的正确性。研究结果有助于从整体上设计磁化器，减轻检测装置重量，同时改善磁化效果，增强漏磁信号，进而为永磁磁化漏磁检测磁路的优化设计提供分析依据。
1 拉索漏磁检测装置*
漏磁法探伤的关键在于磁化器和检测传感器的设计。袁建明等采用模块化思想研制了可重构拉索磁性检测装置，不同直径的拉索使用相应数量的检测模块[3 ～5]。如图 1 所示，检测模块利用永久磁铁产生的磁力作为运动所需的压紧力，由直流电机驱动沿拉索爬升。同时，永久磁铁和衔铁组成的磁化器将铁磁性材质的索体磁化至饱和状态，索体内部缺陷会在外部空气中形成漏磁场，通过霍尔元件获取缺陷漏磁场信号轴向分量，从而实现对拉索内部断丝及腐蚀等缺陷的检测。
磁化是检测的第一步，优化设计磁化器结构可以减轻机器人重量，同时增强漏磁信号[7，8]。
如图 2 所示，拉索漏磁检测中，磁路主要由衔铁、磁铁、气隙及被测拉索等组成。磁化器的磁化能力主要由磁铁长度 L、磁铁间距 S、磁铁宽度 W、磁铁厚度 T1及衔铁厚度 T2等参数确定。由于拉索漏磁检测装置中磁化器沿拉索周向均匀分布，拉索直径在 60 ～ 190mm 之间，特选定合适的 W 尺寸，然后通过调节检测模块数量以适应不同直径的拉索。
2 磁化器有限元计算结果分析
2. 1 有限元模型简介
以 PESH7-163 型拉索为例，检测时周向布置6 个检测模块，如图 1 所示。由于 6 个磁化器沿拉索周向对称分布，同时拉索断面呈正六边形或缺角六边形排列[9]，利用结构的对称性只需建立1 /6 仿真模型。根据漏磁检测原理建立如图 3 所示的三维仿真模型，包括磁化器、被测拉索和周围空气( 图中未显示) 。选用 3D 磁场分析单元SOLID96 给磁化器和拉索建模，并在外围建立足够大的空气场代替无限远边界条件。
2. 2 磁铁长度 L 对漏磁信号的影响
图 4 显示为拉索内部轴向磁感应强度 Bz 随磁铁长度 L 的变化规律。L 分别取 40、60、80、100、120、140、160、200、240、300mm。可见，随着磁铁长度的增大，拉索内部磁场不断增强，这是由于磁铁长度增长，磁化面积增加，磁化能量增强，拉索内部磁场增强; 当拉索内部钢丝磁化饱和之后，内部磁场基本不再增加。图 5 显示为当磁铁长度变化时，相同缺陷产生漏磁信号轴向分量的峰 - 峰值 Bz-pp 变化曲线。可见漏磁信号由零增加到最大后缓慢减小，这是因为当磁铁长度较小时，磁化较弱，拉索内部磁场较弱，不能产生漏磁信号; 随着磁铁长度增加，内部磁场增强，漏磁信号增强; 当磁铁长度较大时两磁铁之间背景磁场较强，漏磁信号被压缩减小[10]。
2. 3 磁铁间距 S 对漏磁信号的影响
图 6 显示为拉索内部轴向磁感应强度 Bz 随磁铁间距 S 的变化规律。S 分别取 50、60、70、80、100、140、160、180、190、200、220、240、300mm。可见，随着磁铁间距的增大，拉索内部磁场不断减弱，这是由于被磁化拉索长度增大，磁阻增大，拉索内部磁场强度降低。图 7 显示为两磁铁间距变化时，相同缺陷产生的漏磁信号的峰 - 峰值 Bz-pp变化曲线。由图可知，漏磁信号的强度先增大后减小，这是由于当磁铁间距较小时，两磁铁间的背景磁场较大，漏磁信号被压缩减小; 背景磁场随着间距增大而减小，漏磁信号增强; 当磁铁间距增大到一定程度后，拉索内部磁场已经很小，漏磁信号减弱。
2. 4 磁铁厚度 T1对漏磁信号的影响
图 8 为拉索内部轴向磁感应强度 Bz 随磁铁厚度 T1的变化规律。图 9 为磁铁厚度 T1变化时，缺陷产生的漏磁信号峰 - 峰值 Bz-pp 变化曲线。磁铁厚度分别为 10、20、30、40、50mm。可见，漏磁信号和拉索内部磁场随 T1的变化规律相似: 拉索内部磁场和漏磁信号均是先快速增加后基本保持不变。这是因为磁铁厚度增加，磁势增强，拉索内部磁场增强，漏磁信号增强; 当拉索内部磁化饱和以后，磁场基本不再增加，漏磁信号也基本保持不变。
2. 5 衔铁厚度 T2对漏磁信号的影响
图 10 为拉索内部轴向磁感应强度 Bz 随衔铁厚度 T2的变化规律。图 11 为当衔铁厚度 T2变化时，缺陷产生的漏磁信号峰 - 峰值Bz-pp变化曲线。T2分别为 10、20、30、40、50、60mm。可见，漏磁信号和拉索内部磁场随 T2的变化规律相似: 拉
索内部磁场和漏磁信号均是先快速增加后基本保持不变。这是由于随着衔铁厚度 T2增加，衔铁截面积增加，磁导率增加，衔铁所能通过的磁通量增多，拉索内部磁场增强，漏磁信号也相应增强。当T2足够大以后，衔铁已能顺利通过所有的磁通量，并将拉索内部钢丝磁化到饱和，拉索内部磁场不再增加，漏磁信号也基本不变。
3 试验验证
通过上述仿真结果可以看出，选择合适的 T1和 T2，既能获得较好的磁化效果和漏磁信号，又能适当地减轻磁化器重量。所以在试验过程中，磁铁厚度 T1和衔铁厚度 T2均选用 30mm。试验时，在 PESH7-163 型平行钢丝拉索内部钢丝上制作 5mm 长的断丝缺陷，分别使用 3 种规格磁化器，磁铁长度和磁铁间距( L-S) 分别为 100mm-60mm( 规格 1 ) 、80mm-100mm ( 规格 2 ) 、60mm-140mm( 规格 3) 。3 种规格磁化器条件下断丝缺陷产生的漏磁信号轴向分量峰 - 峰值仿真结果分别为: 1. 87、5. 59、2. 15mT。检测过程中，用霍尔元件测量 3 种规格磁化器条件下断丝的漏磁信号如图 12 所示。由图可知，3 种规格磁化器条件下试验信号峰 - 峰值分别为 43、107、57mV。可见，规格 2 条件下漏磁信号的仿真结果和试验结果均为规格 1 和规格 3 条件下信号的 2 ～3 倍; 同时，规格 3 条件下漏磁信号的仿真结果和试验结果均稍大于规格 1 条件下的漏磁信号，仿真信号与试验信号基本吻合。
4 结论
4. 1 拉索内部磁场随磁化器磁铁长度 L 增加而增加，随磁铁间距 S 增加而减小; 漏磁信号随着 L和 S 的增加均先增大后减小。
4. 2 拉索漏磁检测中，增大磁铁厚度 T1和衔铁厚度 T2，拉索内部磁场和漏磁信号均先增加后保持不变; 选用合适的 T1和 T2，既能获得较好的磁化效果和漏磁信号，又能适当地减轻单个磁化器重量，从而减轻机器人整体重量。
4. 3 拉索漏磁检测中，当 T1、T2选定后，决定磁化效果和漏磁信号的主要是磁铁长度L 和磁铁间距S，选用合适的 L 与 S 组合，对于设计永磁磁化条件下磁化器的结构、优化漏磁信号具有重要意义。
参 考 文 献
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