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起重机主梁疲劳损伤声发射在线监测可行性验证

更新日期:2017-4-18 14:27:01

1、项目概述

1.1 项目背景

某型号起重机主梁在运行条件下,在受力集中部位易产生疲劳裂纹,引入声发射技术目的在于轴在产生裂纹或裂纹扩展时,声发射传感器能捕捉到裂纹信号并能识别裂纹信号的特征,并根据预设的判断条件提供报警等相关动作。

1.2 声发射检测原理

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(AE),声发射是一种常见的物理现象,大多数材料变形和断裂时有声发射发生,用来探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的仪器称为声发射检测仪或声发射监测仪,通常简称为声发射仪。

声发射仪首先将传感器拾取到的声发射信号转换为电信号,再由声发射采集卡将经过前置放大器放大后的电信号,转换为数字信号。第一次过门限时间(到达时间)、上升时间、持续时间、峰值幅度、能量及撞击计数等声发射特征参数都是通过采集卡上的可编程闸门阵列提取的,控制器能从采集卡上的瞬时存储器上读取波形数据到计算机硬盘上的瞬时数据文件中。

通常一个有线的声发射系统由多个平行的检测通道构成,每一通道测量部件包括声发射传感器、前置放大器及采集卡,它们之间通过信号线或信号电缆连接(如图1.1所示),最后将数据传输至上位机。

目前的声发射检测仪,已经从PCI总线传输逐渐发展为USB或WIFI总线传输。图1.2即为一款典型的wifi通讯声发射系统图,各通道采集到的数据,通过数据采集卡,进入总线板,最后通过WIFI协议无线传输至计算机。

无线WIFI型声发射系统工作框架如下图:

1.3 项目总体方案概述

根据项目需求,确定的主要技术性的研究内容包括:

1) 声发射对主梁损伤信号定性判断的可行性试验;

2) 设备的选型与定制需求提出;

3) 软、硬件根据需求的改进或开发;

4) 改进设备的现成技术验证实验;

5) 设备的完善与定型阶段。

2、可行性实验方案

2.1整体构想

根据初步的设想,声发射技术及数据处理方案主要包括三个步骤:

2.1.1. 现有声发射特征参数的数据分析

    根据现有的成熟声发射信号特征参数,对采集到的大量原始数据进行初步的预处理,这个需要在实际工况下的一定数量的实验数据为基础,目的是初步去除大量的环境噪声,包括机械噪声、振动噪声、电磁噪声、环境干扰噪声等,提高数据的有效性;

2.1.2.定位事件的数据分析

    定位是声发射特有的技术,即根据各个通道的时差,来计算声发射信号源的位置,对于一定的声发射传感器阵列,具有成熟的声发射信号定位事件生成条件,当轴损伤产生,即有一个明确的声发射物理事件产生,是可以产生明确的声发射定位事件 ,而大量的噪声则是随机分布的,没有明显的声发射源的特征,因此根据此条件,同样可以过滤大部分无效干扰信号。

2.1.3. 声发射信号的定性辨别

通过之前的数据分析和滤波,最后剩下的信号作为疑似信号,再利用设定的判据进行最后的判断,该信号是否是裂纹产生或扩展的信号,并针对判断结果做出相应的动作。

鉴于前两个步骤是现有声发射技术已成熟的技术,因此,可行性验证就是指第三步,即如何对声发射信号进行定性判断。

2.2 可行性的实验方案

2.2.1 可行性实验的初步判断

要对声发射定性判断的可行性进行验证,需要满足以下的条件:

首先是确保传感器能接收到损伤信号,这个跟传感器的布置方案有直接关系,传感器的布置方案又和检测对象的声学特性有直接关系,即要测试检测对象的声发射信号衰减特性,根据测得的衰减曲线,合理布置传感器位置,确保声发射检测范围和检测灵敏度能满足检测要求。

2.2.2 测试试验

实验设备如下表;

表2.1 实验设备清单

序号

名称

数量

备注

1

SAEU2S-8 声发射仪

一台

10M采样率,16bit精度

2

传感器SRI150

2个

内置放大器,60~400KHz

3

传感器固定磁夹具

2个

M36

4

专用耦合剂

一支

/

5

的铅笔及铅芯

一套

0.3mm直径、2H硬度

6

同轴电缆30米

2条

双头BNC-Q9

7

笔记本电脑

一台

/

 

实验目的:通过实际测试已出现裂纹位置在受载下的声发射信号,与相对位置未出现裂纹部位声发射信号之间的对比分析,能够使得裂纹信号和环境噪声区分开来;

2.2.3试验方法

2.2.3.1 探头布置方法

在裂纹出现的角焊缝位置,布置两个探头,距离约80cm,涵盖半条角焊缝,并将已出现裂纹完整包括在内,在相对面的角焊缝位置,未出现裂纹的相同部位布置相同的两个传感器。

图片

2.2.3 声发射信号初步判断

挑选主梁受载较大时的数据和背景噪声数据为主要对比数据源。

有除磷设备工作时的环境噪声:

有裂纹侧的特征参数分布

从撞击分布图上看,噪声分布还是满足随机性正态分布的,在幅度-能量分布图上,65-75db区间会出现无规则的低幅度高能量的撞击信号,与基础噪声比较统一的模态不同,在一定分布范围内呈现随机性特征,也符合机械干扰噪声的特点;

定位事件分布图,定位事件大都集中在2号探头附近,

与无裂纹侧的数据对比看来,数据特点比较相似,基本确认了检测工况的噪声情况。

无裂纹侧的信号特征参数分布:

裂纹侧行车加载时两侧的数据对比:

无裂纹侧数据幅度-能量分部图,无裂纹侧数据分布仍然和噪声情况比较接近, 

有裂纹侧数据幅度-能量分布图:有裂纹侧的数据显示在75db以上区间仍然有较多的能量幅度比值很大的撞击数出现,这个是与无裂纹侧信号不同的一点。

初步小结:

1、现场确实存在较大的环境噪声,使得单纯的特征参数较难判断裂纹端信号,或准确性不够。

2、有无裂纹侧在受载的情况下信号出现了一定程度的不同,如在幅度分部区间上等,更深入的方法因缺乏明确的验证尚未进行

3、鉴于试验过程不够完整,也不够可控,也无法准确验证有裂纹侧的受载和裂纹扩展状态,现有的数据尚难以验证裂纹的扩展特征,但是根据声发射技术的特点,以及较可控的试验条件下,该项目仍然具备相当的可能性;

4、我们认为项目主要工作量可能体现在后续的设备需求定制与改进上,可行性研究虽受限与此次的试验条件,无法明确验证,但根据声发射技术特点及实际工况、局部检测条件,技术上不应该成为主要的障碍;