役用拉索金属截面积测量系统关键技术优化

通常，钢丝绳、钢管等的磁性检测系统主要包括磁化装置、磁信号测量装置、信号采集及处理装置、测量结果分析处理软件等。拉索在役检测的工况特点，决定了拉索金属截面积磁性测量系统除了同样应包括上述几部分之外，还要求有能携带测量仪器沿拉索爬升对拉索进行扫描式探测的爬行装置。磁化是实现磁性检测的第一步，将影响检测的性能特征和检测装置的结构特征，拉索的结构特征决定了对其磁化将有别于对钢丝绳、钢管等构件的磁化，同时为便于在役拉索金属截面积测量工作的实施，应尽可能地减小磁化装置的体积和质量。因此，磁化技术及爬行技术将是影响在役拉索金属截面积测量系统工程化应用的两项关键技术。

大直径、厚保护层的结构特征，决定了在役拉索难以被磁化，同时在役检测的工况特点要求磁化装置应具有小的体积和质量、低的磁化能量输入，因此有必要对拉索的有效磁化方法进行深入研究，满足在役磁性测量的需要。

对长度、宽度或厚度等尺寸较大的铁磁性构件进行磁性检测时，可以利用局部磁化方法对构件进行磁化。对拉索进行局部磁化可采取如图6-48a所示的多回路永磁磁化、图6-48b或图6-48c所示的直流线圈磁化等方式。

图6-47 拉索钢丝束内外部不同位置多根钢丝同时损失

a）钢丝束截面示意图 b）模型计算及实验测试对比

图6-48 拉索三种局部磁化方式

a）多回路永磁磁化 b）无回路直流线圈磁化 c）多回路直流线圈磁化

下面应用有限元软件进行数值仿真计算，分析直流线圈的长径比、厚度（层数）等参数对磁场分布的影响规律，为拉索磁化线圈的优化设计提供依据。

根据线圈结构的轴对称性特征，仿真计算采用二维有限元模型，取线圈的长度2L=200mm，半径R=10mm，线圈厚度t=1mm，线圈匝数N=200，通过线圈的电流I=1A，线圈产生的磁场强度在其轴线上分布是以线圈轴向中截面为对称面左右对称的，图6-49所示为单层线圈轴线上右半部分的磁场分布。

图6-49 单层线圈轴线上右半部分的磁场分布

从图6-49可以看出，线圈轴线上轴向磁场强度H_a在线圈中心点处具有最大值，约为H_a（0）=NI/L=nI=1000A/m；接近无限长线圈轴线上的磁场强度，在轴向距离线圈中心点±70mm长度内磁场强度分布均匀；再向线圈两端延伸，超过±70mm处磁场强度迅速降低，在线圈两端中点处磁场强度降低约为线圈中心点处的一半，当超过线圈外50mm处时磁场强度降至几乎等于0。

记x=εL，λ=L/R，可得

单层直流线圈轴线上的磁场分布是与线圈的几何尺寸即线圈的长度L和半径R相关的，影响直流线圈轴线上磁场分布的是其长径比λ。

图6-50a所示为不同长径比λ线圈轴线上磁场分布特性的有限元仿真计算结果。仿真计算时，固定线圈半径R=100mm不变，只改变线圈长度2L，模拟不同长径比L/R的线圈。计算时采用线圈厚度t=1mm，单位长度线圈匝数n=1000，通过线圈的电流I=1A。从图中可以看出随着线圈长度2L的增大，即线圈长径比λ的增大，线圈轴线中心点处磁场强度逐渐增大。但轴线磁场分布的均匀性随着长径比λ的增大先变差后变好。

图6-50b所示为线圈中截面径线上的轴向磁场强度分布，从图中可以看出，当线圈的长径比λ较大时，整个径线上的轴向磁场强度几乎相等，但随着长径比λ的减小，径线上的轴向磁场强度分布变得不均匀，磁场强度分布随着离开中心距离的增大而增大，接近线圈内壁处最大，并且线圈半径相对越大该规律越明显。

通常为提高线圈的磁化能力，可通过提高磁化电流I或增大单位长度线圈匝数n来实现，由于线圈发热量与其通过的电流I的平方成正比，若试图提高磁化电流来提高线圈的磁化能力，则会导致线圈发热量剧增，因此磁化电流不应无限制地增大，否则会烧坏线圈。对于采用一定线径的导线绕制的线圈，其轴向最大单位长度线圈匝数是一定的，因此若想增大单位长度线圈匝数n来提高线圈的磁化能力，只能通过增加线圈的径向匝数，即增加绕线层数来增大单位长度线圈匝数，这种由多层导线绕制的线圈即为多层直流线圈。下面通过有限元计算来分析线圈层数的增加对线圈的磁场大小和均匀性产生的影响。

图6-51a和b所示分别为多层线圈轴线上及中截面径线上的磁场分布特性的有限元仿真计算结果。仿真计算时，固定线圈内半径R₁=100mm及线圈长度2L=1000mm不变，只改变线圈外半径R₂，模拟不同层数的线圈。计算时采用每增加一层外线圈则半径R₂增大1mm，线圈轴向单位长度线圈匝数n₁=1000，线圈径向单位长度线圈匝数n₂=1000，通过线圈的电流I=1A。从图中可以看出随着线圈层数的增多，线圈轴线中心点处磁场强度基本与线圈层数成正比增大。

图6-50 不同长径比λ线圈的磁场分布

a）轴线上的轴向磁场分布 b）中截面径线上的轴向磁场分布

图6-51 多层线圈的磁场分布

a）轴线上的轴向磁场分布 b）中截面径线上的轴向磁场分布

表6-3为不同层数m但长径比均为λ′=L/R₁=5的线圈的磁场分布特性，包括线圈中心点处磁场强度H_a（0），轴线上不均匀度α=0.05对应的ε_0.05及轴线上不均匀度α=0.1对应的ε_0.1，径线上不均匀度α′=0.02对应的ε′_0.02及径线上不均匀度α′=0.05对应的ε′_0.05，其中ε′=y/R₁。从表6-3中可以看出中轴线轴向磁场强度分布的均匀性及中截面上径线轴向磁场强度分布的均匀性基本不受层数变化的影响。

表6-3 长径比λ′=5的多层线圈的磁场分布特性

下面分别设置长径比为λ′=1及λ′=0.2的多层线圈，表6-4及表6-5所列分别是有限元仿真计算结果，仿真计算时，长径比为λ′=1的多层线圈其线圈内半径R₁=100mm，线圈长度2L=200mm，长径比为λ′=0.2的多层线圈其线圈内半径R₁=100mm，线圈长度2L=40mm。图6-52所示为长径比λ′分别为5、1及0.2的三种多层线圈的线圈轴线中心点处磁场强度与线圈层数的关系曲线。

表6-4 长径比λ′=1的多层线圈的磁场分布特性

表6-5 长径比λ′=0.2的多层线圈的磁场分布特性

图6-52 不同长径比λ′的多层线圈中心点处轴向磁场分布比较

比较表6-3、表6-4、表6-5及图6-52可以看出，长径比λ′分别为5、1及0.2的三种多层线圈的磁场分布规律一致，即随着线圈层数的增多，线圈轴线中心点处的磁场强度几乎与线圈层数成正比增大；线圈中轴线轴向磁场强度分布的均匀性及中截面上径线轴向磁场强度分布的均匀性不受层数变化的影响。即线圈层数的变化只改变磁场的大小，对磁场均匀性不产生影响。根据上述分析结论，人们研制了如图6-53所示的多层直流磁化线圈，为方便实际应用时的安装，线圈设计成剖分开合式。

图6-53 剖分开合式多层直流线圈

由于退磁场的存在，无论对于整体磁化还是局部磁化，都使磁化拉索变得困难。欲提高拉索的磁化效果，应减小退磁场的作用。对于一定直径拉索的局部磁化而言，从前述分析可知，可通过增大磁化线圈的长度（增大两磁极的间距）来实现，但增大线圈长度必然增大磁化器的体积和质量，对拉索的检测不利。减小退磁场的另一个途径就是减小产生退磁场的磁极强度。

图6-54所示的主路磁化、旁路磁化及无回路磁化三种磁化方式均可以用于拉索的磁化。在主路磁化和旁路磁化方式中，通过沿拉索圆周均匀设置四个衔铁，使整个磁路形成一个闭合的环形回路，这将有效地减小退磁场，提高磁化效果。两种磁化方式所采用的衔铁完全一致，所不同的是主路磁化方式采用直流线圈环绕拉索，而旁路磁化方式采用直流线圈环绕衔铁。下面通过磁路计算及有限元仿真计算分析比较三种磁化方式的优劣。

图6-54 三种磁化方式结构示意图

a）主路磁化方式 b）旁路磁化方式 c）无回路磁化方式

对于主路磁化和旁路磁化，如果两种方式中衔铁完全一致，制作线圈所使用的材料以及线圈中通电电流大小也完全一致，那么哪一种方式的磁化效果更好呢？采用有限元仿真计算比较三种磁化方式的优劣，仿真计算的参数为：拉索长度为0.5m，拉索等效直径为0.1m，线圈长度为0.1m，线圈内径为0.06m，线圈外径为0.07m，线圈安匝数为1000，衔铁尺寸为0.24m（长）×0.04m（宽）×0.07m（高），衔铁凹槽长度为0.16m，拉索相对磁导率为1000，衔铁相对磁导率为1000。

图6-55所示为三种磁化方式拉索轴向磁感应强度分布和拉索中截面径向磁感应强度分布的主路磁化方式和旁路磁化方式的仿真计算结果，由于主路磁化方式和旁路磁化方式设置了衔铁，减少了退磁场的作用，其磁化效果比未设置衔铁的无回路磁化方式的磁化效果好很多。

上述分析中未考虑泄漏至拉索和衔铁之外空气中的磁通量，下面对该问题进行分析。旁路磁化方法中采用线圈先磁化衔铁，衔铁中产生的磁通量再经过两者之间的空气隙进入拉索形成磁回路，而磁通量在进入拉索前会出现泄漏，如图6-56a所示，即衔铁中的磁通量是拉索中的磁通量和泄漏至空气中的磁通量之和。因此，进入拉索的磁通量会比衔铁中的磁通量少，随着空气隙的增大，磁通量泄漏得越多，进入拉索的磁通量越少，拉索越不易被磁化至饱和。如果衔铁截面积不足，则衔铁在拉索之前被磁化至饱和。主路磁化方法中采用线圈直接环绕拉索磁化，线圈先磁化拉索，拉索中产生的磁通量再经过两者之间的空气隙进入衔铁形成磁回路。同样，磁通量在进入衔铁前会出现泄漏，如图6-56b所示，即拉索中的磁通量是衔铁中的磁通量和泄漏至空气中的磁通量之和。因此，在线圈提供的磁能量相同的情况下，主路磁化方法中磁化能量能更有效地集中于拉索，拉索更容易被磁化。综上所述，为提高拉索的磁化效果应优先采用主路磁化方式。

图6-55 三种磁化方式拉索磁感应强度分布

a）拉索轴向磁感应强度分布 b）拉索中截面径向磁感应强度分布

图6-56 考虑磁通量泄漏的两种磁化方式(www.xing528.com)

a）旁路磁化方式 b）主路磁化方式

测量在役拉索金属截面积变化时，测量仪器需沿拉索进行扫描式探测，为方便测量工作的实施，提高效率，节省成本，有必要研制一种能携带测量仪器自行沿拉索爬升的爬行器。

斜拉桥拉索的结构形状有圆形、平行六棱柱形和螺旋六棱柱形等几种形式，以螺旋六棱柱形拉索最为常见。如图6-57所示，螺旋六棱柱形拉索的钢丝束断面呈正六边形或缺角六边形紧密排列，经左旋扭绞2°～4°而成，钢丝束外面沿索体连续缠绕右旋的细钢丝，也可缠绕纤维增强聚酯带，然后外挤5～12mm厚的热挤聚乙烯护套，拉索的外形呈螺旋六棱柱形。拉索直径为51～200mm，通常每座斜拉桥都要用到十几种不同直径的拉索，直径差达到50mm以上，拉索长度可大于300m，标高可大于150m，倾斜度最大为90°。一座斜拉桥至少有上百根拉索，且需进行100%检测。斜拉桥拉索所处的环境很特殊，空旷河面上的大风以及驶过桥的车辆都会引起拉索的随机振动。

图6-57 拉索及截面形状示意图

从上述对拉索结构特征和在役使用环境分析可知，测量爬行器系统应满足以下技术特征：

1）由于一座桥梁待检的拉索数量众多，因此测量爬行器系统应具有安装、拆卸快捷方便的特点，从而提高检测效率。

2）测量爬行器应具有较高的沿拉索爬升运动速度，以提高检测效率。

3）由于磁化装置及测量装置等的质量较大，特别是应用于直径较大的拉索时，因此测量爬行器应具有足够大的承载能力以携带测量设备。

4）由于一座桥梁待检的拉索直径规格众多，测量爬行器应对不同直径的拉索具有较好的适应性及通用性，尽可能以较少的检测仪器规格适应所有直径范围的拉索，从而减少制造成本、增加携带运输的方便性。

5）由于制造误差会导致同一根拉索的不同轴向位置的直径大小不一致，另外拉索由于自重悬垂会呈现悬垂曲线状态，因此测量爬行器在爬升时应能克服这些不利因素的影响，避免出现打滑或卡死现象。

6）测量爬行器应能克服拉索振动和高处大风等不利因素的影响，避免出现从高空突然滑落。

7）测量爬行器在沿拉索爬升过程中，应不对拉索表面及内部结构造成损伤。

8）应设置安全防护装置，当发生意外情况时，测量爬行器能顺利可控地返回地面。

要使测量爬行器能沿有较大倾斜度（甚至为90°倾斜角）的拉索爬升，首先测量爬行器必须能附着于拉索表面，即测量爬行器必须对拉索表面有较大的正压力，以保证与拉索之间产生的摩擦力能足以克服自重、负载及风力等外界环境的影响而不下落或打滑，即

Fμ_f＞Gsinα （6-41）

式中，F为测量爬行器对拉索的正压力；μ_f为测量爬行器和拉索接触面的摩擦因数；G为测量爬行器及所携带检测设备的总重力；α为拉索的倾斜角。

分析式（6-41）可知：所需的正压力F与测量爬行器总重力G和拉索的倾斜角α成正比，与摩擦因数μ_f成反比。由于拉索的表面涂有防止聚乙烯护套老化的防护漆，过大的正压力将会损坏防护漆并且使拉索产生变形，对拉索造成伤害，同时要产生的正压力越大，测量爬行器的结构将越复杂，因此在满足式（6-41）的条件下，测量爬行器对拉索的正压力应尽可能地小。为达到上述目的，首先应选择与拉索表面有较大摩擦因数的材料作为测量爬行器与拉索的接触面，以增大μ_f值；其次应尽可能使测量爬行器自重尽可能地小，以减小G值。

通常，可采用弹簧压紧、气压或液压压紧、永磁或电磁吸附等方式来产生正压力，可保证既能提供一定的正压力，同时又对接触面具有较好的适应性。弹簧压紧方式或永磁吸附方式由于不需要外界的动力源，其产生的正压力较为可靠，而气压、液压或电磁吸附等方式虽可较灵活地控制其产生的正压力，但一旦失去气力、液力或电力源，其产生的正压力也随即消失，可靠性较差。

移动测量爬行器的行走方式一般有车轮、履带等连续行走式或步行、蠕动等间歇行走式。车轮式较履带式结构简单、体积小，较步行、蠕动等间歇式的行走速度大，控制简单。对于拉索的螺旋六棱柱形表面，较适合采用车轮式连续爬行方式，这样可以降低测量爬行器的复杂程度，并能获得较快的爬升速度，以提高检测效率。

常用移动测量爬行器的动力源有电动、气动及液压驱动等方式。使用气压或液压驱动都需要在检测现场建立压缩站或液压站，通过管道将压缩空气或液体送到驱动体上。由于拉索的标高较大、长度较大，地面气动或液压驱动都难以满足所需的升程压力，并且难以传输；另外，由于气缸或液压缸的行程所限，只能实现脉动式前进。以气缸行程为循环周期，每次起动都有干扰信号产生，此信号与损伤信号极为相似，易引起损伤误判。爬行装置在动力选择上，需要实现检测传感器的平稳、连续运动，以电动机驱动为最佳。

采用分离式拉索测量爬行器的测量系统，分为测量爬行器和检测装置两个完全独立的部分。检测装置上设置有无动力的滚轮，可沿拉索轴向运行，对拉索进行扫描式检测，但检测装置无自行沿拉索爬升的功能。测量爬行器上设置有多组由电动机驱动的滚轮，可自主并携带检测装置沿拉索爬升。测量爬行器采用弹簧压紧方式使滚轮紧贴拉索表面，在滚轮和拉索表面间产生一定大小的正压力，实现滚轮与拉索表面之间的摩擦驱动。测量爬行器可采取三滚轮或六滚轮两种方式，分别如图6-58和图6-59所示。

三滚轮测量爬行器的基本组成结构示意图如图6-58所示。工作时，支架与下滚轮架通过螺栓固接，上滚轮架和支架通过两个可以相对滑动的套筒套接，套筒内放置弹簧，上、下两组滚轮共三个V形轮，将整个测量爬行器卡在拉索上，通过调节螺母螺杆压紧弹簧，使上、下两组滚轮紧贴拉索表面。减速电动机通过齿轮组传动，同时驱动下滚轮组的两个滚轮，下滚轮组的滚轮与拉索表面产生的摩擦力驱使爬升装置沿拉索做轴向运动。滚轮采用橡胶材料制作，橡胶和聚乙烯（拉索表面材料）的摩擦因数较大，有利于增大驱动摩擦力。由于拉索形状近似为圆柱形，因此橡胶轮的形状采用V形有利于防止测量爬行器从拉索上脱落。将测量爬行器在拉索上拆装时，只需拆卸或安装连接支架与下滚轮架的螺栓即可。

图6-58 三滚轮测量爬行器结构示意图

六滚轮测量爬行器的基本组成结构示意图如图6-59所示。六滚轮测量爬行器具有三组相同结构的滚轮组，三组滚轮组均匀分布安装在框架上，将拉索环抱在三组滚轮组中间。每个滚轮组均包括两个滚轮、减速电动机、轮架，轮架和框架通过两个可以相对滑动的套筒套接，套筒内放置弹簧。工作时，通过调节三组滚轮组各自的螺母螺杆压紧弹簧，使三组滚轮组紧贴拉索表面，减速电动机通过链传动驱动各滚轮组的两个滚轮，六个滚轮与拉索表面产生的摩擦力驱使测量爬行器沿拉索轴向运动。滚轮采用橡胶材料制作，形状采用V形。框架为剖分式结构，测量爬行器从拉索拆卸时，只需将框架从剖分处打开；将测量爬行器安装至拉索上时，首先合上框架，然后再调节三组滚轮组防止偏心。

图6-59 六滚轮测量爬行器结构示意图

三滚轮测量爬行器和六滚轮测量爬行器对不同拉索直径大小的适应性均很好，只需调节螺母螺杆就可适应不同直径的拉索。三滚轮测量爬行器的结构较简单，但由于正压力只由三个滚轮承担，滚轮对拉索产生的集中力过大，容易损伤拉索表面及内部结构。六滚轮测量爬行器由六个滚轮承担正压力，滚轮对拉索产生的集中力较小，但该测量爬行器的结构较复杂，体积庞大，且三组滚轮组的对心调节颇费时间。

图6-60所示为分离式拉索测量爬行器分别在实验室和广州某大桥进行爬升实验的照片，该分离式拉索测量爬行器为三滚轮测量爬行器。

图6-60 分离式拉索测量爬行器爬升实验照片

为了使上述两种分离式测量爬行器具有足够的承载能力，以克服测量爬行器自重及检测装置自重，均需通过压缩弹簧以产生足够大的正压力，这对测量爬行器的结构强度有较高的要求，导致测量爬行器体积大、质量大，安装、拆卸较困难，需配备辅助装置，这降低了拉索检测的效率，并且过大的正压力还可能对拉索造成损伤。虽然分离式测量爬行器存在上述不足，但在因拉索保护套厚度过大而不能采用磁吸附方式的情况下，却是一个很好的选择。

如前所述，分离式拉索测量爬行器存在的体积大、质量大，安装、拆卸较困难等问题。解决这些问题的最好办法是让测量仪器具有自主爬升能力，而不需要额外的爬升装置，将测量和爬升功能合二为一，这样将使测量系统的体积和质量极大地减小。利用测量励磁场对拉索内部钢丝束产生的磁场力作为自主爬升所必需的附着力，为测量仪器具备自主爬升能力提供了有利条件。

通常一套磁性检测仪器只能对应检测一定直径范围的钢丝束类对象，而对于斜拉索较大的直径变化，用一套固定的检测仪器来检测所有直径的拉索是不可行的，但使用多个检测仪器必然会增加成本。采用模块化可重构技术，使每一个模块都具备测量、爬升以及控制功能，根据不同的拉索直径，选用不同数量的模块进行重构以形成对应的测量爬行器，可实现只用一个测量爬行器就能测量同一座斜拉桥上所有直径的拉索。

如图6-61所示，在测量系统中直流线圈励磁回路形成的磁场将使处于磁场中的拉索内部钢丝束和衔铁间作用有磁场力，磁场力大小为

式中，B_g为气隙中的磁通密度；S_g为气隙的面积。

F＜0说明拉索内部钢丝束和衔铁间产生吸力。单元模块爬升能力分析如图6-61所示。

综合式（6-41）和式（6-42），只要增大气隙的磁通密度和面积，总能使式（6-41）成立，在配有一定的驱动装置下，测量爬行器单元模块将能实现沿有较大倾斜度的拉索爬升，对拉索进行扫描测量。另外，通常条件下，拉索与模块间的磁场力始终存在，测量爬行器在高空不会出现类似弹簧压紧装置因故障失效后的快速滑落，安全可靠。

在每个单元模块两端各安装一个滚轮，用直流电动机通过同步带传动作为驱动装置，同时驱动两个滚轮，可实现单元模块沿拉索的自主爬升。测量传感器衔铁与拉索表面间留有一定的间隙，以消除传感器相对拉索移动时的摩擦阻力。为增大滚轮沿拉索爬升时的附着力，应选择摩擦因数较大的材料制作滚轮。每个模块都具有一个独立的控制单元，包括测量信号的采集，驱动、制动装置的控制等。

根据拉索直径大小不同，选用不同数量的模块进行重构形成对应的测量爬行器，尽量达到将拉索圆周面100%覆盖，以减少测量误差。可重构测量爬行器示意图如图6-62所示。

选用密度较小、强度较大的铝合金材料制作一个剖分的框架，为尽可能地减轻重量，框架由两个铝合金圆盘和连接两圆盘的8根铝合金圆柱棒组成，铝合金圆盘上安装有标准的可与模块配合的接口，为了便于快速拆装时的准确定位，接口应做成槽形滑道，模块可在槽形滑道内沿拉索径向滑动，以适应不同直径的拉索，且可以防止由于拉索直径不规则导致的卡死现象发生。接口的相对位置可变，以使多个模块在框架上沿拉索圆周均匀分布。拉索直径范围和所需模块个数见表6-6。

图6-61 单元模块爬升能力分析图

图6-62 可重构测量爬行器示意图

表6-6 拉索直径范围和所需模块个数对应表

采用60W的直流减速电动机，通过同步带传动驱动人造胶摩擦轮，制作了具有测量和爬升功能的单元模块，并配作了硬铝合金框架，制作了拉索测量爬行器样机，在试验架上进行了多次实验。测量爬行器的爬升效果良好，多次实验都未对拉索造成损伤，模块间配合良好。该样机的单个模块质量为8kg，框架质量为10kg，整机最大质量为90kg，体积为ϕ460mm×600mm，承载能力大于150kg，爬行速度为2～8m/min。实验室爬升实验如图6-63所示。

图6-63 可重构拉索测量爬行器样机爬升实验