拉索漏磁检测磁化器有限元分析与设计

　　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。