起重機鋼梁疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測實驗研究

龍小江，李秋鋒，3，何才厚，劉志云，李　洋，陳　睿

起重機鋼梁疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測實驗研究

龍小江1，李秋鋒1，3，何才厚2，劉志云2，李洋1，陳睿1

（1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西南昌330063；2.江西省特種設備檢驗檢測研究院鷹潭分院，江西鷹潭335000；3.南京大學近代聲學教育部重點實驗室，江蘇南京210093）

起重機鋼梁作為主要承力部位關系到起重機的安全運行，目前仍無有效手段對其疲勞特性進行在線實時監(jiān)測。采用聲發(fā)射技術對鋼梁材料Q345疲勞特性進行實驗研究，首先通過動態(tài)彎曲疲勞實驗獲得材料疲勞裂紋萌生、擴展和斷裂全過程的聲發(fā)射檢測信號；然后提取和分析聲發(fā)射信號中的特征參數，經過比較各參數歷程圖，發(fā)現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程，而能量、計數、上升時間和持續(xù)時間這4個特征參數更能反映出裂紋變化的重要轉折點。此外對各個階段聲發(fā)射信號產生的原因進行分析和總結，為下一步采用聲發(fā)射技術對鋼梁材料損傷定量及壽命預測的研究提供參考依據。

起重機；聲發(fā)射檢測；特征參數；疲勞載荷

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.003

0　引言

起重機能夠極大減輕勞動強度，提高生產效率，已成為現代工業(yè)發(fā)展必不可少的重要工具，廣泛應用于物流運輸、制造、冶金、建筑、市政建設等行業(yè)中［1-3］。但起重機在長期服役中主要承力鋼梁不斷經受重載荷等因素的反復作用，易產生疲勞損傷，為防止損傷給正常作業(yè)帶來影響，國家已要求加強對其在作業(yè)中的安全檢測［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性能。目前對鋼梁的常規(guī)檢測是在停機狀態(tài)下進行，在實際在線監(jiān)測和安全評價中無法實施［6-8］。聲發(fā)射技術是一種動態(tài)無損檢測技術，能評價整個結構中活性缺陷狀態(tài)，并可提供活性缺陷隨外變量變化的實時信息，而且對構件材料性質、外形不敏感，更適于材料性質和形狀復雜的構件，因此該方法一直是動態(tài)無損檢測的研究熱點［9-11］。

本文通過Q345鋼梁材料疲勞特性聲發(fā)射監(jiān)測實驗，探究鋼梁材料疲勞裂紋擴展特性與聲發(fā)射信號間的內在聯系。采用聲發(fā)射特征參數分析法對疲勞裂紋變化過程進行分析，找出表征裂紋變化過程的特征參數，為聲發(fā)射監(jiān)測技術提供實驗依據，也為實現聲發(fā)射技術對起重機的損傷定量及壽命預測提供參考依據。

1　聲發(fā)射檢測原理

材料或結構在受力產生變形或斷裂時，材料中局域源以彈性波的形式快速釋放出應力應變能的物理現象稱為聲發(fā)射（AE），有時也稱為應力波發(fā)射［12-13］，其實質是一種力學現象，是應力波產生、傳播和接收的過程。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源（波源）的技術稱為聲發(fā)射技術。

Kaiser觀察到鑄鐵、鋁、銅和鋼等金屬和合金在形變過程中都有聲發(fā)射現象，標志著現代聲發(fā)射技術的開端［14］。材料受力發(fā)生塑性變形，將產生局部裂紋，發(fā)出聲發(fā)射信號。聲發(fā)射檢測原理是聲發(fā)射源釋放出的彈性波在結構中傳播時攜帶有大量結構或材料損傷處的信息，用儀器檢測、分析聲發(fā)射信號可以對結構或材料中的損傷進行檢測、定位和評估。目前聲發(fā)射信號處理方法可分為兩類：1）以多個簡化的波形特征參數來表示聲發(fā)射信號的特征，然后對其進行分析和處理；2）存儲和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進行頻譜分析。在工程實踐中，特征參數處理方法是廣泛使用的經典聲發(fā)射信號分析方法，目前在聲發(fā)射檢測中應用廣泛［15-16］。

圖1　聲發(fā)射檢測系統(tǒng)框圖（單通道）

圖2　高頻疲勞試驗機系統(tǒng)框圖

2　疲勞試驗研究

2.1試驗測試

本文采用聲發(fā)射技術，觀測Q345鋼材料在受到循環(huán)載荷的反復作用下，裂紋萌生、擴展及斷裂的過程中特征參數變化趨勢，建立裂紋發(fā)展各階段與聲發(fā)射特征參數間的內在聯系，進而可實現對起重機械的聲發(fā)射動態(tài)監(jiān)測。

采用美國PAC公司生產的8通道PCI-2系統(tǒng)聲發(fā)射檢測設備進行試驗信號檢測，檢測單通道系統(tǒng)框圖如圖1所示，聲發(fā)射信號被傳感器接收后由前置放大器放大，然后通過數據采集卡轉換成數字信號存儲在計算機中，最后根據系統(tǒng)軟件對檢測信號進行處理獲得檢測結果。聲發(fā)射傳感器型號為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。材料動態(tài)疲勞試驗在長春QBG-100型高頻疲勞試驗機上完成，該設備最大交變負荷達100 kN，滿足試驗要求。試驗機系統(tǒng)框圖如圖2所示，將試件用夾具夾好后，啟動試驗機，由伺服系統(tǒng)控制伺服閥通過作動器給試件施加壓力，然后傳感器接收到壓力信號經過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，通過控制信號發(fā)生器產生的信號頻率控制疲勞周期。

在試驗前按照尺寸300mm×35mm×20mm加工3塊相同大小的長方體試塊，其材料均為起重機鋼梁材料Q345，試塊尺寸如圖3所示。為研究材料聲發(fā)射特性，在材料確定部位對裂紋的產生進行導向，所以在每個試塊底面用線切割橫向預置了寬0.5mm，深1mm的割槽。試驗只使用聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的兩個通道進行測試，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，提取和分析聲發(fā)射特征參數，并與材料損傷過程對照，即可實現對材料損傷變化的表征和評估。

圖3　實驗試塊尺寸圖（單位：mm）

試驗前先將傳感器放置在寬35mm的無割槽面兩端，并用膠帶將耦合好的傳感器固定。然后完成系統(tǒng)自檢和參數設置工作，通過聲發(fā)射檢測儀器控制軟件AE win進行自檢：1）測量試塊材料衰減，由于試塊不長，衰減很小，測量靈敏度時信號幅度滿足要求；2）設定坐標系，測量傳感器位置，輸入系統(tǒng)進行聲速測量；3）軟件參數設置，根據試塊尺寸和傳感器距離設置相關參數；4）試驗噪聲測試，由于是動態(tài)疲勞試驗，需要在開機狀態(tài)下測量，且還需保證門檻值不宜過大。將試塊固定在疲勞試驗機上，割槽面朝下，割槽于支架中間位置放好，如圖4所示。前期測試發(fā)現，在施加靜載荷40 kN、動載荷8 kN時，外界干擾噪聲較低，門檻值設在50dB能夠排除干擾噪聲，避免其混入檢測信號。

準備工作完成后即可開始動態(tài)疲勞實驗。按照初步試驗結果先在疲勞試驗機控制界面設定疲勞實驗參數并施加載荷。實驗過程中，動載荷不變，由于試塊中的裂紋擴展，靜載荷持續(xù)下降，整個實驗持續(xù)約60min后，試塊幾乎完全斷裂，如圖5所示。此時實驗控制界面上靜載荷顯示已下降到20 kN左右，實驗前后的控制界面參數對比如圖6所示。

2.2試驗結果分析

經過材料斷裂全歷程的動態(tài)疲勞試驗，儀器采集到材料中裂紋從萌生到斷裂整個變化過程的聲發(fā)射信號。將只有一個通道接收到的信號認為是干擾信號，而兩個通道同時采集到的信號才作為裂紋演變過程所發(fā)出的聲發(fā)射信號，對其進行信號處理與分析。信號分析采用特征參數分析法，即對聲發(fā)射信號的6個主要特征參數（能量、計數、幅值、上升時間、持續(xù)時間和事件）進行分析。對整個演變過程進行分析，采用經歷圖分析法，即通過對聲發(fā)射信號參數隨時間或外變量變化的情況進行分析，從而得到聲發(fā)射源的活動情況和發(fā)展趨勢。如圖7～圖12所示，在損傷變化過程中，聲發(fā)射特征參數是緩慢變化的，材料損傷變形過程有兩個轉折點（800 s和1 300 s時刻），將彎曲損傷經過分為3個階段。

圖4　鋼材及聲發(fā)射傳感器實物圖

圖5　實驗中看見的裂紋

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

2）裂紋擴展階段（約800～1300 s階段）。繼續(xù)加載，材料內部繼續(xù)發(fā)生位錯，到800 s時積累到一定程度，開始出現宏觀裂紋，此時聲發(fā)射信號能量很大，材料中裂紋開始擴展，材料在整體上處于塑性變形階段，材料內部已有宏觀損傷；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，但是隨著材料內部更大位錯的產生，裂紋不斷擴展，仍將出現聲發(fā)射信號，但是能量不會超過800 s時的聲發(fā)射信號。

圖6　疲勞實驗前后控制界面參數對比

3）裂紋斷裂階段（約1300～1350 s階段）。疲勞載荷持續(xù)加載一定時間后，到1300 s時裂紋達到一定程度造成材料斷裂失效，此時材料發(fā)出大量高能量的聲發(fā)射信號。由于材料變形很大，疲勞靜載荷已降低一半，聲發(fā)射信號迅速降低，此時關閉試驗機，試驗完成。

通過參數經歷圖對比發(fā)現，能量、計數、上升時間、持續(xù)時間4個特征參數與時間的歷程圖在疲勞裂紋萌生和擴展階段中僅表示出了裂紋變化的兩個轉折點，而對裂紋的演變過程并不明顯；而幅值和事件這兩個特征參數與時間的歷程圖中能明顯表現出裂紋演變過程中聲發(fā)射信號的變化情況，但是并沒有很好地表現出第1個轉折點。這說明幅值和事件這兩個特征參數可以更好地體現裂紋整體演變過程，而能量、計數、上升時間和持續(xù)時間這4個特征參數更能反映裂紋變化的重要轉折點，結合這6個參數可以更好地進行材料疲勞裂紋的表征，進而對材料損傷進行定量和壽命預測。

圖7　疲勞實驗計數與時間歷程圖

圖8　疲勞實驗能量與時間歷程圖

圖9　疲勞實驗持續(xù)時間與時間歷程圖

3　結束語

本文通過動態(tài)疲勞試驗，研究聲發(fā)射檢測技術對起重機鋼梁材料進行動態(tài)監(jiān)測的方法。通過對鋼梁材料Q345試塊進行疲勞載荷試驗，分析材料在受到循環(huán)載荷的反復作用下，其損傷裂紋在演變過程中，材料發(fā)出聲發(fā)射信號的變化規(guī)律；并通過聲發(fā)射信號特征參數經歷圖發(fā)現了6個特征參數與材料裂紋演變過程的內在聯系：幅值和事件這兩個特征參數可以更好地表現裂紋整體演變過程，而能量、計數、上升時間和持續(xù)時間這4個特征參數更能反映裂紋變化的重要轉折點，結合這6個參數可以更好地進行材料疲勞裂紋的表征。本次研究為起重機鋼梁在作業(yè)受力過程中產生聲發(fā)射信號的理論提供實驗依據，為下一步采用聲發(fā)射技術進行材料損傷的定量及壽命預測提供參考依據。

圖10　疲勞實驗上升時間與時間歷程圖

圖11　疲勞實驗幅值與時間歷程圖

圖12　疲勞實驗事件與時間歷程圖

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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

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

龍小江（1988-），男，碩士研究生，專業(yè)方向為超聲檢測技術。