趙 娜，吳 斌，劉秀成，丁克勤，劉飛鵬

(1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

世界經(jīng)濟(jì)全球化促進(jìn)了國際貿(mào)易的迅速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)90%以上的國際貿(mào)易量是通過水路運(yùn)輸完成的，而集裝箱運(yùn)輸已成為海洋運(yùn)輸?shù)闹髁?。隨著集裝箱吞吐量的不斷增長，岸邊集裝箱起重機(jī)(簡稱岸橋)正朝著高速化和大型化方向發(fā)展[1]。岸橋的前拉桿對(duì)大梁起支撐作用，直接影響著岸橋能否正常工作。前拉桿的應(yīng)力釋放孔邊緣在循環(huán)載荷作用下容易產(chǎn)生微裂紋，由于前拉桿處于高空位置，檢查比較困難，一旦細(xì)小的裂紋沒檢查到，就可能日積月累造成延展開裂甚至斷裂，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。目前常用的檢測(cè)手段包括目測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等[2-3]，檢測(cè)效率較低，且需要在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，不能對(duì)岸橋的運(yùn)行情況做到實(shí)時(shí)掌握，因此本文擬對(duì)前拉桿關(guān)鍵部位損傷狀態(tài)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。

針對(duì)岸橋前拉桿關(guān)鍵部位的裂紋，可采用聲發(fā)射技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射是材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，可監(jiān)測(cè)裂紋萌生或擴(kuò)展的過程，當(dāng)裂紋狀態(tài)穩(wěn)定(即裂紋不擴(kuò)展)時(shí)不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)[4-5]。該技術(shù)的缺點(diǎn)是容易受機(jī)電噪聲的干擾，裂紋擴(kuò)展信號(hào)可能淹沒在岸橋的大車/小車移動(dòng)、起升/下降制動(dòng)、結(jié)構(gòu)摩擦等噪聲中。超聲導(dǎo)波具有沿傳播路徑衰減小、對(duì)缺陷識(shí)別能力高等優(yōu)點(diǎn)，適合在岸橋運(yùn)行工況下對(duì)前拉桿等不可達(dá)區(qū)域的損傷監(jiān)測(cè)。板結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波包括Lamb波和SH波，Lamb波分為對(duì)稱模態(tài)和非對(duì)稱模態(tài)，缺點(diǎn)是模態(tài)復(fù)雜，頻散嚴(yán)重，數(shù)據(jù)處理難度大[6]。而SH波的模態(tài)比較簡單，且零階模態(tài)SH0是非頻散的，更利于進(jìn)行信號(hào)處理和缺陷識(shí)別。因此本文開展基于SH波的岸橋前拉桿關(guān)鍵部位裂紋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。

在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生SH波的方法主要有壓電超聲和電磁超聲2種[7]。文獻(xiàn)[8]提出了一種水平剪切(SH)波壓電換能器，通過在兩個(gè)極化相反的半圓環(huán)上施加環(huán)向電場，激勵(lì)各向同性的非頻散水平剪切波SH0，但目前該換能器只能在較低頻率范圍內(nèi)激發(fā)純SH0波。電磁超聲SH波檢測(cè)方面，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)激發(fā)機(jī)理以及檢測(cè)應(yīng)用做了大量研究。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了基于洛倫茲力機(jī)理的電磁超聲傳感器，采用周期性永磁體提供靜態(tài)磁場，線圈產(chǎn)生感應(yīng)渦流，在鋁板中激發(fā)了SH0模式導(dǎo)波。 文獻(xiàn)[10]使用2個(gè)EMAT探頭(一發(fā)一收)，同時(shí)激發(fā)SH0和SH1模式對(duì)管道腐蝕進(jìn)行檢測(cè)。 文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了由2個(gè)磁鐵和4個(gè)繞組逆轉(zhuǎn)交替線圈組成的電磁超聲傳感器，在鋁板中激發(fā)出了SH0模式。上述電磁換能器需要線圈和磁鐵產(chǎn)生磁場，能量轉(zhuǎn)換效率低，體積龐大，不適用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。磁致伸縮SH波檢測(cè)方面， 文獻(xiàn)[12-13]設(shè)計(jì)了磁致伸縮SH波傳感器，使用鐵鈷合金帶材和線圈，基于魏德曼效應(yīng)激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波。 文獻(xiàn)[14]在鐵鈷合金帶材上通過交流線圈和直流線圈交叉，開發(fā)高能量扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器。 文獻(xiàn)[15]利用電磁線圈陣列和高性能帶材在管中激勵(lì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波，實(shí)現(xiàn)管中缺陷的檢測(cè)。磁致伸縮傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)，適用于板結(jié)構(gòu)和管結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測(cè)。

本文采用磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)岸橋前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究環(huán)境溫度變化對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響，基于此提出環(huán)境溫度補(bǔ)償算法。分析監(jiān)測(cè)信號(hào)隨裂紋演化的變化特點(diǎn)，研究不同環(huán)境溫度下監(jiān)測(cè)信號(hào)隨裂紋演化的變化趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前拉桿關(guān)鍵部位的健康監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)原理

本文采用磁致伸縮傳感器激勵(lì)和接收SH超聲導(dǎo)波，實(shí)現(xiàn)對(duì)前拉桿關(guān)鍵部位的健康監(jiān)測(cè)。磁致伸縮傳感器是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)工作的，磁致伸縮效應(yīng)是指在外加磁場作用下，鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇偏轉(zhuǎn)引起磁化方向上材料的幾何尺寸發(fā)生變化[16]。磁致伸縮傳感器由磁致伸縮帶材和感應(yīng)線圈組成，如圖1所示。對(duì)磁致伸縮帶材進(jìn)行磁化以提供偏置磁場，當(dāng)感應(yīng)線圈中通入脈沖交流信號(hào)后，線圈內(nèi)部形成的動(dòng)磁場與磁致伸縮帶材中的靜態(tài)偏置磁場相耦合，由魏德曼效應(yīng)可知[17]，磁致伸縮帶材中將產(chǎn)生剪切變形，經(jīng)環(huán)氧樹脂傳遞至被測(cè)對(duì)象后，沿與傳感器垂直方向傳播形成扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波[18]。感應(yīng)線圈同時(shí)作為接收線圈，將超聲導(dǎo)波傳播引起的動(dòng)磁場變化，依據(jù)楞次定律以電壓形式輸出至信號(hào)采集系統(tǒng)。

圖1 磁致伸縮傳感器原理圖

本文對(duì)16mm厚的岸橋前拉桿進(jìn)行裂紋演化監(jiān)測(cè)，采用Disperse軟件繪制16 mm厚Q235鋼板SH波的頻散曲線，如圖2所示。本文擬采用頻率分別為128 kHz和250 kHz的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)前拉桿裂紋進(jìn)行磁致伸縮超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。由圖2可知，在激勵(lì)頻率為128 kHz時(shí)存在SH0和SH12種模態(tài)，在250 kHz時(shí)存在SH0、SH1和SH23種模態(tài)。

(a)相速度頻散曲線

(b)群速度頻散曲線圖2 16 mm厚鋼板SH波頻散曲線

2 磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感器的溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

超聲導(dǎo)波在板結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)受到很多因素的影響，其中環(huán)境溫度對(duì)超聲導(dǎo)波的傳播速度及能量衰減影響較大。為了實(shí)現(xiàn)磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)在岸橋運(yùn)行過程中對(duì)前拉桿關(guān)鍵部位的長期監(jiān)測(cè)，得到環(huán)境溫度變化對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響規(guī)律非常重要。本文對(duì)上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)的岸橋前拉桿試件開展實(shí)驗(yàn)研究，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由磁致伸縮傳感器、UT-350激勵(lì)接收器、溫度計(jì)和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，如圖3所示。在前拉桿距離應(yīng)力釋放孔800 mm的位置布置一個(gè)磁致伸縮傳感器，采用中心頻率分別為128、250 kHz、電壓為300 V、經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦波信號(hào)對(duì)傳感器進(jìn)行激勵(lì)，使用溫度計(jì)記錄環(huán)境溫度。在2019年10月到12月采集不同環(huán)境溫度(-3.3～20 ℃)下的監(jiān)測(cè)信號(hào)，每次采集5組數(shù)據(jù)，共采集92次。

(a)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

(b)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖圖3 前拉桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

傳感器到應(yīng)力釋放孔的距離為800 mm，到右端面的距離為300 mm，因此傳感器首先接收到端面反射信號(hào)。由于右端面反射信號(hào)僅受環(huán)境溫度變化的影響，因此本文分析環(huán)境溫度變化對(duì)右端面反射信號(hào)的影響。對(duì)92次端面反射信號(hào)的峰峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示?？梢钥闯?，隨著環(huán)境溫度的上升，右端面反射信號(hào)的幅值呈上升趨勢(shì)，因此為了使監(jiān)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，需消除環(huán)境溫度變化對(duì)裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響。

(a)激勵(lì)頻率128 kHz時(shí)的峰峰值變化圖

(b)激勵(lì)頻率250 kHz時(shí)的峰峰值變化圖圖4 端面反射信號(hào)峰峰值隨環(huán)境溫度變化的趨勢(shì)圖

3 前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

采集前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋長度和深度變化的監(jiān)測(cè)信號(hào)，分析裂紋擴(kuò)展對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及傳感器布置如圖3所示。使用切割機(jī)在應(yīng)力釋放孔邊緣切割矩形槽模擬裂紋，槽的長度和深度逐漸增加，模擬裂紋隨循環(huán)載荷的變化趨勢(shì)。裂紋趨勢(shì)變化分為12個(gè)等級(jí)，其中前6個(gè)等級(jí)裂紋的長度和深度較小，模擬裂紋的產(chǎn)生和緩慢擴(kuò)展；后6個(gè)等級(jí)的裂紋長度和深度均變化較大，模擬裂紋的快速擴(kuò)展。分別對(duì)12個(gè)等級(jí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，每個(gè)等級(jí)采集不同環(huán)境溫度下的5組監(jiān)測(cè)信號(hào)，共采集2個(gè)激勵(lì)頻率下不同裂紋等級(jí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)120組。

3.1 不同等級(jí)裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)比分析

對(duì)2種激勵(lì)頻率下的無損信號(hào)和裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。為了避免環(huán)境溫度變化的影響，選取環(huán)境溫度相同或相近時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。圖5為激勵(lì)頻率分別為128 kHz和250 kHz時(shí)，無損信號(hào)和第11等級(jí)裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)的對(duì)比圖。根據(jù)SH波頻散曲線(圖2)可知，在16 mm厚的板結(jié)構(gòu)中，激勵(lì)頻率為128 kHz時(shí)存在SH0和SH12種模態(tài)，激勵(lì)頻率為256 kHz時(shí)存在SH0、SH1和SH23種模態(tài)。分別計(jì)算2種頻率下的界面反射、缺陷反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間(表1)，缺陷反射信號(hào)到達(dá)時(shí)間為0.52～0.8 ms。由圖5可知，激勵(lì)頻率為128 kHz時(shí)的裂紋反射信號(hào)變化不明顯，而激勵(lì)頻率為250 kHz時(shí)的裂紋反射信號(hào)變化較顯著，分析原因?yàn)楫?dāng)激勵(lì)頻率增大時(shí)波長減小，小的波長對(duì)缺陷更敏感。因此本文重點(diǎn)分析激勵(lì)頻率為250 kHz時(shí)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。

選取無損，第3、6、9、11等級(jí)的裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)，分析在時(shí)域和時(shí)頻域上的變化情況，如圖6所示?？梢钥闯?，隨著裂紋長度和深度的增加，在時(shí)域上裂紋反射信號(hào)的多個(gè)波包幅值及能量逐漸增大。多個(gè)波包映射SH波的多個(gè)模態(tài)，說明隨著裂紋等級(jí)的增加，SH波的多個(gè)模態(tài)信號(hào)幅值均增大，體現(xiàn)了多模態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。因此監(jiān)測(cè)信號(hào)能反映裂紋演化情況。

(a)激勵(lì)頻率128 kHz

(b)激勵(lì)頻率250 kHz圖5 應(yīng)力釋放孔邊裂紋監(jiān)測(cè)波形對(duì)比圖

表1 不同模態(tài)SH波的到達(dá)時(shí)間(理論計(jì)算)

(a)時(shí)域信號(hào) (b)時(shí)頻域信號(hào)圖6 監(jiān)測(cè)信號(hào)隨裂紋等級(jí)增大的信號(hào)圖

對(duì)無損和不同等級(jí)的裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，選取圖6中變化比較明顯的波包(時(shí)間段為0.71～0.74 ms)進(jìn)行傅里葉變換，如圖7所示?？梢钥闯鲭S著裂紋等級(jí)的增大，頻域信號(hào)的幅值有顯著增加。因此從監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻域上也可以很好地反映裂紋的演化趨勢(shì)。

圖7 不同等級(jí)裂紋的信號(hào)頻譜圖

3.2 基于溫度補(bǔ)償方法的裂紋監(jiān)測(cè)趨勢(shì)分析

由3.1節(jié)分析可知當(dāng)環(huán)境溫度接近時(shí)，裂紋等級(jí)越大，反射信號(hào)的幅值越大。然而在實(shí)際工程監(jiān)測(cè)中，對(duì)岸橋前拉桿的裂紋監(jiān)測(cè)往往需要持續(xù)一年甚至幾年，環(huán)境溫度跨度較大，由第2節(jié)分析可知，環(huán)境溫度對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值影響較大。如果不考慮環(huán)境溫度對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響，會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷趨勢(shì)分析不準(zhǔn)確。因此本節(jié)研究消除環(huán)境溫度變化影響的前拉桿裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)補(bǔ)償方法?？紤]到前拉桿右界面反射信號(hào)僅隨環(huán)境溫度變化，因此將缺陷反射信號(hào)的特征量(峰峰值、能量)與右界面反射信號(hào)的特征量相比，從而消除環(huán)境溫度變化對(duì)裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響。計(jì)算60組不同裂紋等級(jí)監(jiān)測(cè)信號(hào)的特征比值(裂紋反射特征量/右界面反射特征量)，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，當(dāng)采集次數(shù)小于40時(shí)，對(duì)應(yīng)孔邊裂紋的無損到第7等級(jí)(模擬裂紋萌生和緩慢增長)，峰峰比值和能量比值緩慢增大；當(dāng)采集次數(shù)從40增長到65時(shí)，對(duì)應(yīng)孔邊裂紋第7等級(jí)到第12等級(jí)(裂紋快速增大)，峰峰比值和能量比值呈快速增大的趨勢(shì)。因此消除環(huán)境溫度影響后，監(jiān)測(cè)信號(hào)特征量與裂紋等級(jí)變化趨勢(shì)基本一致，能很好地反映裂紋的演化趨勢(shì)。

(a)峰峰比值隨裂紋的變化圖

(b)能量比值隨裂紋的變化圖圖8 不同環(huán)境溫度下的特征比值隨裂紋變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)束語

(1)磁致伸縮超聲導(dǎo)波傳感技術(shù)及傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)受環(huán)境溫度變化影響較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的升高，監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值呈增大的趨勢(shì)。

(2)采用磁致伸縮傳感器自激自收的方式對(duì)岸橋前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從裂紋監(jiān)測(cè)信號(hào)和無損信號(hào)的時(shí)域、時(shí)頻域和頻域?qū)Ρ确治錾暇煽闯觯S著裂紋等級(jí)的增大，裂紋反射信號(hào)的幅值和能量增大。因此可采用峰峰值、能量等特征量表征裂紋的演化趨勢(shì)。

(3)提出環(huán)境溫度補(bǔ)償算法，將前拉桿裂紋反射信號(hào)特征量與右端面反射信號(hào)的特征量取比值，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，該方法消除了環(huán)境溫度變化對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，能準(zhǔn)確反映裂紋的演化趨勢(shì)。

(4)磁致伸縮超聲導(dǎo)波技術(shù)及傳感器可實(shí)現(xiàn)岸橋前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)，為岸橋前拉桿的長期健康監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。