龍小江，李秋鋒，3，何才厚，劉志云，李　洋，陳　睿

起重機(jī)鋼梁疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

龍小江1，李秋鋒1，3，何才厚2，劉志云2，李洋1，陳睿1

（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330063；2.江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院鷹潭分院，江西鷹潭335000；3.南京大學(xué)近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210093）

起重機(jī)鋼梁作為主要承力部位關(guān)系到起重機(jī)的安全運(yùn)行，目前仍無(wú)有效手段對(duì)其疲勞特性進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)鋼梁材料Q345疲勞特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，首先通過(guò)動(dòng)態(tài)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)獲得材料疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂全過(guò)程的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)；然后提取和分析聲發(fā)射信號(hào)中的特征參數(shù)，經(jīng)過(guò)比較各參數(shù)歷程圖，發(fā)現(xiàn)在幅值和事件歷程圖中可以反映材料疲勞裂紋整體演變過(guò)程，而能量、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間這4個(gè)特征參數(shù)更能反映出裂紋變化的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此外對(duì)各個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和總結(jié)，為下一步采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)鋼梁材料損傷定量及壽命預(yù)測(cè)的研究提供參考依據(jù)。

起重機(jī)；聲發(fā)射檢測(cè)；特征參數(shù)；疲勞載荷

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.003

0　引言

起重機(jī)能夠極大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展必不可少的重要工具，廣泛應(yīng)用于物流運(yùn)輸、制造、冶金、建筑、市政建設(shè)等行業(yè)中［1-3］。但起重機(jī)在長(zhǎng)期服役中主要承力鋼梁不斷經(jīng)受重載荷等因素的反復(fù)作用，易產(chǎn)生疲勞損傷，為防止損傷給正常作業(yè)帶來(lái)影響，國(guó)家已要求加強(qiáng)對(duì)其在作業(yè)中的安全檢測(cè)［4-5］。

鋼梁制造材料Q345是低合金鋼，具有良好的低溫沖擊韌性和力學(xué)性能。目前對(duì)鋼梁的常規(guī)檢測(cè)是在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，在實(shí)際在線監(jiān)測(cè)和安全評(píng)價(jià)中無(wú)法實(shí)施［6-8］。聲發(fā)射技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中活性缺陷狀態(tài)，并可提供活性缺陷隨外變量變化的實(shí)時(shí)信息，而且對(duì)構(gòu)件材料性質(zhì)、外形不敏感，更適于材料性質(zhì)和形狀復(fù)雜的構(gòu)件，因此該方法一直是動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)的研究熱點(diǎn)［9-11］。

本文通過(guò)Q345鋼梁材料疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，探究鋼梁材料疲勞裂紋擴(kuò)展特性與聲發(fā)射信號(hào)間的內(nèi)在聯(lián)系。采用聲發(fā)射特征參數(shù)分析法對(duì)疲勞裂紋變化過(guò)程進(jìn)行分析，找出表征裂紋變化過(guò)程的特征參數(shù)，為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)對(duì)起重機(jī)的損傷定量及壽命預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

1　聲發(fā)射檢測(cè)原理

材料或結(jié)構(gòu)在受力產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，材料中局域源以彈性波的形式快速釋放出應(yīng)力應(yīng)變能的物理現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（AE），有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射［12-13］，其實(shí)質(zhì)是一種力學(xué)現(xiàn)象，是應(yīng)力波產(chǎn)生、傳播和接收的過(guò)程。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源（波源）的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)。

Kaiser觀察到鑄鐵、鋁、銅和鋼等金屬和合金在形變過(guò)程中都有聲發(fā)射現(xiàn)象，標(biāo)志著現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)的開端［14］。材料受力發(fā)生塑性變形，將產(chǎn)生局部裂紋，發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射檢測(cè)原理是聲發(fā)射源釋放出的彈性波在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)攜帶有大量結(jié)構(gòu)或材料損傷處的信息，用儀器檢測(cè)、分析聲發(fā)射信號(hào)可以對(duì)結(jié)構(gòu)或材料中的損傷進(jìn)行檢測(cè)、定位和評(píng)估。目前聲發(fā)射信號(hào)處理方法可分為兩類：1）以多個(gè)簡(jiǎn)化的波形特征參數(shù)來(lái)表示聲發(fā)射信號(hào)的特征，然后對(duì)其進(jìn)行分析和處理；2）存儲(chǔ)和記錄聲發(fā)射信號(hào)的波形，對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析。在工程實(shí)踐中，特征參數(shù)處理方法是廣泛使用的經(jīng)典聲發(fā)射信號(hào)分析方法，目前在聲發(fā)射檢測(cè)中應(yīng)用廣泛［15-16］。

圖1　聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)框圖（單通道）

圖2　高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)框圖

2　疲勞試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)測(cè)試

本文采用聲發(fā)射技術(shù)，觀測(cè)Q345鋼材料在受到循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，裂紋萌生、擴(kuò)展及斷裂的過(guò)程中特征參數(shù)變化趨勢(shì)，建立裂紋發(fā)展各階段與聲發(fā)射特征參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)械的聲發(fā)射動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

采用美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的8通道PCI-2系統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)單通道系統(tǒng)框圖如圖1所示，聲發(fā)射信號(hào)被傳感器接收后由前置放大器放大，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，最后根據(jù)系統(tǒng)軟件對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理獲得檢測(cè)結(jié)果。聲發(fā)射傳感器型號(hào)為R15αSNAT68，中心頻率為150 kHz，可接收各類金屬材料損傷發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)。材料動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)在長(zhǎng)春QBG-100型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，該設(shè)備最大交變負(fù)荷達(dá)100 kN，滿足試驗(yàn)要求。試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2所示，將試件用夾具夾好后，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，由伺服系統(tǒng)控制伺服閥通過(guò)作動(dòng)器給試件施加壓力，然后傳感器接收到壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器反饋回伺服系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制壓力大小，通過(guò)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)頻率控制疲勞周期。

在試驗(yàn)前按照尺寸300mm×35mm×20mm加工3塊相同大小的長(zhǎng)方體試塊，其材料均為起重機(jī)鋼梁材料Q345，試塊尺寸如圖3所示。為研究材料聲發(fā)射特性，在材料確定部位對(duì)裂紋的產(chǎn)生進(jìn)行導(dǎo)向，所以在每個(gè)試塊底面用線切割橫向預(yù)置了寬0.5mm，深1mm的割槽。試驗(yàn)只使用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試，所以采用線定位方式確定材料的損傷部位，然后獲得損傷部位聲發(fā)射源信號(hào)，提取和分析聲發(fā)射特征參數(shù)，并與材料損傷過(guò)程對(duì)照，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料損傷變化的表征和評(píng)估。

圖3　實(shí)驗(yàn)試塊尺寸圖（單位：mm）

試驗(yàn)前先將傳感器放置在寬35mm的無(wú)割槽面兩端，并用膠帶將耦合好的傳感器固定。然后完成系統(tǒng)自檢和參數(shù)設(shè)置工作，通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)儀器控制軟件AE win進(jìn)行自檢：1）測(cè)量試塊材料衰減，由于試塊不長(zhǎng)，衰減很小，測(cè)量靈敏度時(shí)信號(hào)幅度滿足要求；2）設(shè)定坐標(biāo)系，測(cè)量傳感器位置，輸入系統(tǒng)進(jìn)行聲速測(cè)量；3）軟件參數(shù)設(shè)置，根據(jù)試塊尺寸和傳感器距離設(shè)置相關(guān)參數(shù)；4）試驗(yàn)噪聲測(cè)試，由于是動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，需要在開機(jī)狀態(tài)下測(cè)量，且還需保證門檻值不宜過(guò)大。將試塊固定在疲勞試驗(yàn)機(jī)上，割槽面朝下，割槽于支架中間位置放好，如圖4所示。前期測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在施加靜載荷40 kN、動(dòng)載荷8 kN時(shí)，外界干擾噪聲較低，門檻值設(shè)在50dB能夠排除干擾噪聲，避免其混入檢測(cè)信號(hào)。

準(zhǔn)備工作完成后即可開始動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)。按照初步試驗(yàn)結(jié)果先在疲勞試驗(yàn)機(jī)控制界面設(shè)定疲勞實(shí)驗(yàn)參數(shù)并施加載荷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)載荷不變，由于試塊中的裂紋擴(kuò)展，靜載荷持續(xù)下降，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)約60min后，試塊幾乎完全斷裂，如圖5所示。此時(shí)實(shí)驗(yàn)控制界面上靜載荷顯示已下降到20 kN左右，實(shí)驗(yàn)前后的控制界面參數(shù)對(duì)比如圖6所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)材料斷裂全歷程的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，儀器采集到材料中裂紋從萌生到斷裂整個(gè)變化過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)。將只有一個(gè)通道接收到的信號(hào)認(rèn)為是干擾信號(hào)，而兩個(gè)通道同時(shí)采集到的信號(hào)才作為裂紋演變過(guò)程所發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理與分析。信號(hào)分析采用特征參數(shù)分析法，即對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的6個(gè)主要特征參數(shù)（能量、計(jì)數(shù)、幅值、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和事件）進(jìn)行分析。對(duì)整個(gè)演變過(guò)程進(jìn)行分析，采用經(jīng)歷圖分析法，即通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)隨時(shí)間或外變量變化的情況進(jìn)行分析，從而得到聲發(fā)射源的活動(dòng)情況和發(fā)展趨勢(shì)。如圖7～圖12所示，在損傷變化過(guò)程中，聲發(fā)射特征參數(shù)是緩慢變化的，材料損傷變形過(guò)程有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（800 s和1 300 s時(shí)刻），將彎曲損傷經(jīng)過(guò)分為3個(gè)階段。

圖4　鋼材及聲發(fā)射傳感器實(shí)物圖

圖5　實(shí)驗(yàn)中看見的裂紋

1）裂紋萌生階段（約0～800s階段）。試驗(yàn)開始階段，材料在整體上仍是在彈性形變階段，但在材料內(nèi)部存在一些局部上的微小塑性變形，因此聲發(fā)射信號(hào)很少，而且能量和幅度很微弱，此時(shí)產(chǎn)生了一些微觀裂紋，材料損傷處于裂紋萌生階段。

2）裂紋擴(kuò)展階段（約800～1300 s階段）。繼續(xù)加載，材料內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生位錯(cuò)，到800 s時(shí)積累到一定程度，開始出現(xiàn)宏觀裂紋，此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)能量很大，材料中裂紋開始擴(kuò)展，材料在整體上處于塑性變形階段，材料內(nèi)部已有宏觀損傷；而由于試塊夾具固定，材料變形和彎曲越來(lái)越厲害，致使儀器施加的疲勞靜載荷逐漸降低，但是隨著材料內(nèi)部更大位錯(cuò)的產(chǎn)生，裂紋不斷擴(kuò)展，仍將出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，但是能量不會(huì)超過(guò)800 s時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)。

圖6　疲勞實(shí)驗(yàn)前后控制界面參數(shù)對(duì)比

3）裂紋斷裂階段（約1300～1350 s階段）。疲勞載荷持續(xù)加載一定時(shí)間后，到1300 s時(shí)裂紋達(dá)到一定程度造成材料斷裂失效，此時(shí)材料發(fā)出大量高能量的聲發(fā)射信號(hào)。由于材料變形很大，疲勞靜載荷已降低一半，聲發(fā)射信號(hào)迅速降低，此時(shí)關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)完成。

通過(guò)參數(shù)經(jīng)歷圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，能量、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間4個(gè)特征參數(shù)與時(shí)間的歷程圖在疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展階段中僅表示出了裂紋變化的兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而對(duì)裂紋的演變過(guò)程并不明顯；而幅值和事件這兩個(gè)特征參數(shù)與時(shí)間的歷程圖中能明顯表現(xiàn)出裂紋演變過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的變化情況，但是并沒有很好地表現(xiàn)出第1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這說(shuō)明幅值和事件這兩個(gè)特征參數(shù)可以更好地體現(xiàn)裂紋整體演變過(guò)程，而能量、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間這4個(gè)特征參數(shù)更能反映裂紋變化的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，結(jié)合這6個(gè)參數(shù)可以更好地進(jìn)行材料疲勞裂紋的表征，進(jìn)而對(duì)材料損傷進(jìn)行定量和壽命預(yù)測(cè)。

圖7　疲勞實(shí)驗(yàn)計(jì)數(shù)與時(shí)間歷程圖

圖8　疲勞實(shí)驗(yàn)?zāi)芰颗c時(shí)間歷程圖

圖9　疲勞實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間與時(shí)間歷程圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，研究聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)起重機(jī)鋼梁材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法。通過(guò)對(duì)鋼梁材料Q345試塊進(jìn)行疲勞載荷試驗(yàn)，分析材料在受到循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，其損傷裂紋在演變過(guò)程中，材料發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律；并通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)經(jīng)歷圖發(fā)現(xiàn)了6個(gè)特征參數(shù)與材料裂紋演變過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系：幅值和事件這兩個(gè)特征參數(shù)可以更好地表現(xiàn)裂紋整體演變過(guò)程，而能量、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間這4個(gè)特征參數(shù)更能反映裂紋變化的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，結(jié)合這6個(gè)參數(shù)可以更好地進(jìn)行材料疲勞裂紋的表征。本次研究為起重機(jī)鋼梁在作業(yè)受力過(guò)程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的理論提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為下一步采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行材料損傷的定量及壽命預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

圖10　疲勞實(shí)驗(yàn)上升時(shí)間與時(shí)間歷程圖

圖11　疲勞實(shí)驗(yàn)幅值與時(shí)間歷程圖

圖12　疲勞實(shí)驗(yàn)事件與時(shí)間歷程圖

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Experimental study on the monitoring of crane steel beam fatigue characteristics w ith acoustic em ission technology

LONG Xiaojiang1，LIQiufeng1，3，HE Caihou2，LIU Zhiyun2，LI Yang1，CHEN Rui1
（1.Key Laboratory of Nondestructive Test，Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063 China；2.Yingtan Branch of Special Equipment Inspection and Research Institute of Jiangxi，Yingtan 335000，China；3.Laboratory of Modern Acoustics of MOE，Nanjing Universtiy，Nanjing 210093，China）

Steel beams，as the main load-bearing parts of cranes，are related to the safe operation of the cranes.But there is still no effective testing method designed for its online real-time monitoring.An acoustic emission technology has been applied to study the fatigue characteristics of steel beams Q345.Firstly，acoustic emission signals are obtained through dynamic bending fatigue experiment during the entire process of fatigue cracks from initiation，propagation to fracture. Secondly，the characteristic parameters of the signals are extracted and analyzed.It can be seen that the whole evolution process of fatigue cracks are reflected in process maps of amplitudes and events through comparison，while the important turning points of crack evolution are indicated in the process maps of energy，counting，rise time and duration.In addition，the causes of these signals produced at each stage are analyzed and summarized.It can provide a research basis for damage quantitative and life prediction of steel beams by using acoustic emission technology.

crane；acoustic emission testing；characteristic parameter；fatigue load

A

1674-5124（2015）09-0011-05

2015-02-10；

2015-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（11104129）；江西省自然科學(xué)基金（20122BAB201024）；國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013zjjz180）；航空科學(xué)基金（2014ZD56007）；上海航天科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（SAST201364）；研究生教育創(chuàng)新基地和江西省教育廳科技資助項(xiàng)目（GJJ14530）

龍小江（1988-），男，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槌暀z測(cè)技術(shù)。