CN101509895A - 一种钢丝绳载荷性能无损测评方法 - Google Patents

一种钢丝绳载荷性能无损测评方法 Download PDF

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    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws

Abstract

一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积；对与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息，运用磁能势差异信息辨析装置实时识别和提取；本发明提供的钢丝绳载荷性能无损测评技术，实现了从钢丝绳构件制造完成直至其安全使用价值终结，全面监测及实时状态评估的设想，为防止人为灾难和节约物质资源，提供了有效可行的技术手段及安全管理技术模式；具有十分积极的社会效益和极其现实的经济效益。

Description

一种钢丝绳载荷性能无损测评方法
技术领域
本发明涉及一种测评方法，尤其是一种钢丝绳载荷性能无损测评方法。
背景技术
钢丝绳是一种服务于特殊使用形式的铁磁性金属构件。随着人类社会进步和发展，钢丝绳被更广泛地应用和被赋予更重大的使命。因此，钢丝绳的产品质量及其应用可靠性倍受全世界特别是主要工业国家的高度关注。一个多世纪以来，各国对钢丝绳的应用研究致力于两个方面：一、改善产品结构设计和制造质量水平，诸如研究新结构、优化钢材料、提高生产工艺水平等，犹如钢丝绳构件的“优生优育”；二、提高产品应用的安全管理技术水平，诸如性能测试、合理使用、无损探伤、适时更新等，犹如钢丝绳构件的“生存保障”。目前，发达国家在钢丝绳新结构、新工艺研究方面日臻完善，各类特种、高强等“高端钢丝绳”不断推出，目的就是期望解决各种重要环节及复杂工况钢丝绳应用的安全可靠性问题。然而，钢丝绳构件的应用研究在“优生优育”与“生存保障”间存在巨大反差：性能测试仍仅限于对产品的样本(截取整件产品近端部的一段)实施“极限试验”；应用选择各环节依赖于习惯性操作；在役状态的检查只能够进行针对钢丝绳外表面现象的观测和含糊判断；而判废更新“标准”更是无奈的拘于累计时间或累计载荷等的固态限额规则。凡此种种，一方面严重制约着钢丝绳“优生优育”研究成果的经济效益和社会效益的发挥；另一方面在物质资源巨大浪费的同时，依然不能有效地发现和处置钢丝绳应用中的非可靠性隐患。以至于在钢丝绳如此广泛和重要的应用中，时刻潜伏着给人类生命财产带来严重损失的威胁。对于钢丝绳构件应用中无损检测技术的探索研究工作，历史上各物理学科曾提出过多种设想，诸如：磁或电磁、红外线、超声波、射线、电涡流等。随着对钢丝绳结构特性认识的不断深入及生产实践的检验，其中只有基于钢丝绳构件材料铁磁特性，运用磁或电磁原理的某些技术方法得以延续并逐渐接近应用现实。现阶段国际国内各种磁或电磁无损检测装置或设备的检测技术，按照工艺方法可区分为两大类(本文以下统称为“传统技术类型”)：一类被称之为“连续法”，“连续法”的检测工艺过程是：对被测对象连续磁化的同时，在被测对象处于磁饱和状态下进行检测(利用B—H特性)；另一类叫作“剩磁法”，“剩磁法”的检测工艺过程是：先对被测对象整体磁化，然后在被测对象处于剩磁状态下进行检测(利用Br—H特性)。
1、基本观点：“传统技术类型”将铁磁性刚性构件(金属棒、板材等)的无损磁探伤理念整体移植，即把钢丝绳视为“具有单一、连续、完整外表面且内部材料致密型组织结构”的构件进行等效研究。
2、物理选择：(参见图3)“传统技术类型”在利用铁磁性材料的物理磁性选择上，不约而同的选择了材料的“内向特性”，也就是B-H(磁化)或Br-H(剩磁)特性；B-H或Br-H均表示材料在H场的磁感应特性，物理意义上并无区别。材料“内向特性”通常不易变化，即使变化也很难向材料外部介质“溢出”，因此提取相关信息十分困难。
3、磁性工艺：“传统技术类型”强调对被测对象的“磁性强化”，磁化场强H要求达成在材料的近饱和点Ha和过饱和点Hr以上，而且Ha以下被界定为“磁化禁区”；由于对H强度要求较高，因此“传统技术类型”形成的技术装置或设备体积和重量均较大。
4、检测原理：“传统技术类型”的检测原理，无论采用“感应线圈”感应型还是“霍耳元件”传感型，均无一例外的源于“漏磁场理论”，根本上就是等待从钢丝绳材料介质向其周边空气介质“泄露”的磁力线，漏出的磁力线在钢丝绳材料以外的介质空间(空气空间)形成的磁场即“漏磁场”。首先，钢丝绳构件不是材料径向连续致密的构件，也没有单一、连续、完整的表面。因此，当钢丝绳构件处于强大的磁化H场之中时，各层材料(钢丝)均有向层间气隙(空气间隙)大量“泄露”磁力线的现象，最外层则直接向空气空间“泄露”磁力线形成“结构漏磁场”，由于钢丝绳外形呈波浪起伏状，又是多表面漏磁，显然“结构漏磁场”纷乱复杂，对检测而言构成复杂的“噪声带”。其次，材料在磁饱和及过饱和状态时磁导率极低(见图3)，意味着钢丝绳内层材料的磁场变化信息很难甚至不可能“传递”出来，检测所需的“漏磁场”只能依靠表层材料(钢丝)发生“问题”时引起的“临界效应”和“磁力线趋肤效应”。第三，所采用的传感器是单向(接收)磁电转换工作模式；被动式工作的传感器与钢丝绳之间没有可靠的工作信息载体，只能等待外部磁场的产生和变化，属于“磁场外部安置式”。使用时只能将传感器接收工作面尽可能靠近钢丝绳表层(小于5mm)安置。综上所述，“传统技术类型”检测钢丝绳的工作灵敏度低，一般为mv/T级，原始信号须经多级电路放大或程序“虚拟”放大才能有效输出；噪声和信号同步接收放大，信噪比低；“噪声信号”与工作信号类型相同级别相近，后期甄别十分困难，工作结果的不确定度大；“漏磁场”在空气介质中衰变迅速，接收效果受距离和速度变化影响明显，工作可靠性差；只能收到钢丝绳表面变化的表象信息，无法感知整体状态变化信息，无从分析发生表象的内在原因，实际应用价值低。
5、识别模式：“传统技术类型”因漏磁场理论技术实现的局限性，只能在贴近钢丝绳外层表面条件下，对表层断口视觉明显的“断丝”或具有一定连续长度的较严重“磨损”有一般的发现能力，即所谓“LF”(局部缺陷Local Fault)和“LMA”(金属面积损失Loss Metal Area)。只能把钢丝绳表层的可视“断丝数量”和“平均磨损深度”作为量纲，模糊度量损伤程度；众所周知，产生“断丝”(LF)现象的机理具有客观的复杂多样性，仅凭现象本身根本无法确定其对钢丝绳构件力学性能的影响程度，同样，“磨损”(LMA)只代表平均损失程度，无视这种连续损伤各不同部位的严重程度差异，根本就没有找出评估钢丝绳构件承载能力的力学要素——最危险(小)截面。如此技术识别模式远不能满足现代应用的基本条件。
6、评估技术：“传统技术类型”几乎没有建立借助自身技术手段，运用检测结果对钢丝绳构件载荷性能(承载能力)变化，进行综合判断的评估体系。一类是“NDT”(Nondestructive Testing)无损检测，一般只是为了检测出缺陷而已，不涉及“缺陷”对构件载荷性能影响程度的解释和分析评估；另一类是“NDI”(Nondestructive Inspection)无损检查，通常以“NDT”的检测结果为判定基础，对检测对象的使用可能性进行判定。无论“NDT”或“NDI”仅仅是对钢丝绳构件外表可视“缺陷”的查找，以及利用这些孤立表象作些模棱两可的“判定”。实践证明：钢丝绳构件表层可视的一般“缺陷”现象，不可能有效表征钢丝绳构件整体性能；类似不确定的“评估技术”一面造就着物质资源的巨大浪费，同时姑息着灾难性威胁的隐患。
发明内容
本发明为解决现有钢丝绳检测的技术缺陷，提供了一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，与传统相关技术类型存在本质上的差别，本发明的具体技术方案是：利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积(BH)；对与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息；运用磁能势差异信息辨析装置实时识别和提取；依据钢丝绳构件抗拉载荷(破断力)的力学校核原则，设立一个等效参量表示钢丝绳构件相应的载荷性能变化量，以无损方式完成钢丝绳构件应用周期各环节的状态检测；创建钢丝绳构件应用周期全程载荷性能科学测评体系，实现对钢丝绳载荷性能多取向，结合多条件的综合量化评估。
所述的利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积(BH)；其特征是：钢丝绳构件载荷材料材质为中高碳钢或合金钢，具有典型的铁磁特性。这一物理特性可以用“钢铁材料的磁特性曲线”具体描述：(见图3)，从(图3)可以看出B-H线在H0～Hμm区间变化率最高，材料的磁导率迅速增加并达到最大值，表明材料在这一H区间的磁特性(磁感应)最为灵敏。由于铁磁性材料的磁滞特性，经过H场的钢丝绳构件载荷材料的任意体积元dV在场强H′作用下均积聚一个小磁能积(BH)，H′取[H0～Hμm]。若以磁场强度为H′的磁化场对钢丝绳构件沿轴向连续施加磁载(类磁化)，构件将沿轴向形成稳定连续、均匀的小磁能积状态。
所述的与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息；其特征是：由于钢丝绳构件载荷材料的铁磁特性，被连续施加磁载的构件中所有参与载荷工作的铁磁性金属材料内具有适量的低能量级(×1mT级)小磁能积(BH)，并且如果构件中载荷材料沿其轴向的任意体积元dV是连续、均匀、一致的，则任意体积元dV内具有的小磁能积是等量且分布均匀的，相邻体积元dV材料的磁导率μ是连续一致的，即：沿构件铁磁材料建立的轴向磁场的磁力线是均匀连续的，穿过任意体积元dV的正截面的磁通是等量的，磁通密度是相同的。钢丝绳构件受拉、弯、扭等载荷反复作用后，产生应力集中部位的材料组织结构性状将发生退变，这些部位的磁导率大幅降低(相对磁阻增大几百倍)，原有的连续性、均匀性、一致性等性状被破坏。发生退变的体积元dV或产生截面收缩(拉伸塑性颈缩变形)或产生径向/偏径向裂纹气隙(弯扭疲劳裂断)，原来通过这些退变体积元dV的磁力线只能沿低能耗通路(磁导率高的材料组织部分)重新排布，体积元dV正截面的磁通密度随之变化，小磁能积均匀状态因此改变。小磁能积分布态势的改变使体积元dV上产生显著的磁能势差，既由载荷材料性状退变前的等磁能势状态演变为因载荷材料性状退变而重建的差磁能势状态。显然，钢丝绳构件载荷材料的应力应变退化程度越严重，导致的磁能势差异就越突出。
被施加了适量小磁能积规划的钢丝绳构件工作时，无论其载荷材料处于何种应力应变(拉变、弯变或扭变等)状态，当发展到引起材料性状退变(载荷性能退化)时，退变材料处体积元dV上的磁能势分布将有等效的差异化响应。这种载荷材料的物理场变化信息与其载荷性能(力学性能)退化程度具有明确的单值等效相关特性。
所述的运用磁能势差信息辨析技术(装置)，对与构件因反复应力应变产生载荷性能退化单值等效相关的，材料物理场变信息实时识别与提取；其特征是：磁能势差异信息辨析技术(装置)由电磁释能元件、磁能衡元件、可嵌入程序芯片、嵌入式逻辑软件、调频晶振体、调制解调电路和稳恒低压直流源等组成，工艺流程平面布置形式(见图1)。其中，电磁释能元件用绝缘高导金属丝与非晶体集合芯组制；磁能衡元件用绝缘高导金属丝与纳米非晶片芯组制；调制解调电路为智能调\解模式电路。
磁能势差异信息辨析技术(装置)实时识别与提取材料物理场变信息的工作原理特征是：(1)工作的电磁释能元件，在其周围一定空间，按工作需要通过嵌入软件逻辑调制给定能量的电磁场B1；(2)工作的磁能衡元件，在其周围一定空间，按工作需要通过嵌入软件调制给定频率的振频场；(3)具有适量小磁能积(BH)的钢丝绳构件进入电磁场/振频场的工作空间，其内部原有穿过每一体积元dV的轴向磁场B2与工作电磁场B1即发生场交互效应并在两者间建立新的“效应磁场”B(见图2)，(4)磁能衡元件实时提取并输出连续经过工作电磁场/振频场钢丝绳全部体积元“效应磁场”的磁能势差异信息及其全部表面形态“谐振场”的频率信息，(5)磁能衡元件输出的磁能势差异信息和频率信息分别为I/V和f形式，嵌入式逻辑软件按设计的识别模式建立可应用分析的“磁能势差异信息谱”和“谐频信息谱”
所述的依据钢丝绳构件抗拉载荷(破断力)的力学校核原则，设立一个等效参量表示钢丝绳构件相应的载荷性能变化量，以无损方式完成钢丝绳构件应用周期各环节的状态检测。其特征是：各种用途钢丝绳构件的载荷性能均以其抗拉、弯、扭三种力学指标的失效性(极限)实验数据加以界定。其中，最重要的抗拉载荷(破断力)用公式：
F＝K D2R/1000计算校核
式中：
F——钢丝绳最小破断拉力(kN)
D——钢丝绳公称直径(mm)
R——钢丝绳公称抗拉强度(MPa)
K——某一指定结构钢丝绳的最小破断拉力系数。
该公式确立了钢丝绳构件抗拉载荷(破断力)与钢丝绳构件结构性状(有效面积KD2)的力学相关原则，这一原则用数学函数式表示：F＝f(A)，A定义为：钢丝绳构件任意体积元dV正截面上可承受抗拉、弯、扭载荷的铁磁性金属材料的面积总和。钢丝绳载荷材料的有效截面积A＝KD2。
显然，钢丝绳载荷性能力学关系原则F＝f(A)还可以广义表述为：F表示钢丝绳载荷(承载)的综合等效能力，F是钢丝绳正截面上所有参与承载金属(铁磁性)材料截面积总和A的单值函数；参量A的变化A相关于钢丝绳载荷性能F相应的变化。这是由于钢丝绳构件工作时处于拉、弯、扭综合应力应变状态，无论那种应力应变主导或同等作用导致钢丝绳构件某个部位载荷材料发生结构性状退变，都将引起穿过该部位载荷材料体积元dV正截面上的磁力线重新分布产生磁能势差，磁能势差反映磁通密度改变的客观事实，而磁通密度变化量是参量A变化量的线性函数关系相当量(设立量)——钢丝绳构件载荷材料截面积损失当量(％)。因此，提取的磁能势差异信息，能客观地反映载荷材料各部位的结构性状差异；并且，工作各环节均以低磁能磁场关联，不产生电磁涡流、无强磁集肤效应，对材料性质、组织、结构和性能等无任何损害。
所述的创建钢丝绳构件应用周期全程载荷性能科学测评体系，实现对钢丝绳载荷性能多取向，结合多条件的综合量化评估。其特征是：钢丝绳构件有明确的载荷性能(能力)目标要求：必须重复连续的、稳定可靠的完成给定的工作任务；同时，又具有较特殊的性能异变本质：不可修复性多向衰变特征。因此，钢丝绳构件应用周期的过程监测及状态评价尤为重要。测评体系按两条基本路径架构：
第一条为“纵向路径”，根据钢丝绳构件从制造完成，到其安全使用价值终止的过程顺序构建；通常应用周期自使用方选择为起点，各主要环节依次分别为：产品(品质)选择过程——存储转运过程——安装施工过程——在役工作(含维护保养)过程——退役及降载再利用过程等。“纵向路径”设计旨在完成：(1)钢丝绳产品应用周期闭环无损检测，(2)品质基准的无损测定与参数备份，(3)原始力学性能试验(有损极限试验)数据与无损检测相关数据匹配基准，(4)性能参数传递及过程节点性能变化评价，(5)中期性能验证试验(有损极限试验)数据有效性评价，(6)在线状态监测，可靠性实时跟踪评价，(7)退役处置的综合评估及再利用的可靠性界定。
第二条为“横向路径”，根据钢丝绳构件基本性能品质及应用周期各工况条件下可靠性评价取向构建；按现代钢丝绳构件实际应用的安全管理技术要求，其使用可靠性评价的重要取向分为：承载效稳性差异评价、安全载荷周期评价、安全载荷总量评价和适用安全系数评价。“横向路径”设计为无损检测数据于各评价取向，结合多种条件有效利用制定了技术原则：(1)承载效稳性差异评价，应结合产品制造标准规范的几何公差收敛条件、结构特性条件、材料强度等级条件等静态特性条件，以及事件条件、材料结构性状退变增长率、扩展率等动态特性条件，(2)安全载荷周期评价，应结合环境条件、事件条件、无损跟踪检测条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件，(3)安全载荷总量评价，应结合额定工作载荷条件、工作频率条件、事件条件、静/动载变位条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件，(4)适用安全系数评价，应结合设计要求条件、实际安装验证条件、最低使用界定条件、事件条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件。
“纵向路径”架构与“横向路径”架构组成了完整测评体系，可实施对钢丝绳载荷性能全面综合量化评估。
本发明的有益效果：
1、基本观点：本发明技术是以钢丝绳多表面多层次组合，材料轴向连续而径向独立阻断，不存在统一整体表面等的客观结构事实深入研究的。
2、物理选择：(参见图3)本发明利用铁磁性材料的“外向特性”，即B-H和μ-H(磁导率)的综合特性——磁滞特性(图中的“叶状”回形曲线)，并且首次将磁能积(BH)的概念引入钢丝绳的无损检测研究；在物理意义上表现为磁能及其能势(磁能密度分布)。材料聚积的磁能及其能势随材料组织性状变化而变化，通过置换或交互等技术手段均可有效提取相关信息。
3、磁性工艺：(参见图3)本发明基于对材料内部磁畴呈统计学状态分布的认识，依托磁能势差异信息辨析技术(装置)，大胆冲破“传统磁化禁区”，将对钢丝绳磁性规划(可称为类磁化)的H强度值定义在H0～Hμm区间，有效地优化了技术设备，因而适于各行业的现实应用。
4、检测原理：本发明的检测原理是基于“关联磁场效应理论”，采用磁能势差感应型传感器——磁能势差异信息辨析技术(装置)。首先，在被实施小磁能积规划的钢丝绳载荷材料(承载钢丝)内部，形成一个沿钢丝绳轴向的不饱和磁场B2(见图2)。由于是非饱和磁场，所以全部磁力线均分布在材料(钢丝)内，材料外部的层间气隙或表层外空气介质空间无“泄露”的磁力线，即没有任何“漏磁场”(无“噪声带”)。其次，由于非磁饱和状态下材料的相对磁导率很高(见图3)，表明材料整体(无论内层或表层)对磁场变化的反应十分敏感，磁力线的相对容度较大。第三，磁能势差感应型传感器具有双向(发射/接收)功能，是标准的电磁/磁电转换工作模式；主动式工作的传感器与钢丝绳之间通过调制电磁场B1与不饱和磁场B2的交互关联效应，建立起稳定可靠的工作信息载体——“效应磁场”B；经给定量调制的(逻辑恒定)电磁场B1与不饱和磁场B2充分交互作用，B2发生的任何磁场变化信息都将等效应地反映在B中，置于B内部的磁能衡元件可灵敏感应这些变化信息，属于“磁场内部安置式”(见图2)。使用时可灵活调整，可安置在距钢丝绳表层较远(35mm)的空间位置。显然，本发明技术检测钢丝绳的工作灵敏度很高，可达到V/Gs级并按实际使用需求可调，原始信号无需任何二次放大即可有效输出；无基噪工作，信噪比高，工作结果的不确定度小；关联磁场效应信息载体稳定可靠，信号无“介质衰变”，感应效果基本不受距离和速度变化影响，工作可靠性好；关联感应钢丝绳载荷材料整体状态变化信息，能及时察觉钢丝绳无任何表象征兆时存在的内在失效隐患，也利于分析发现钢丝绳产生表象征兆的材料内在原因，实际应用价值高。
5、识别模式：本发明依据关联磁场效应理论，具有技术实现的全面性，在多种客观条件下，均能完成对钢丝绳构件的无损检测。创新技术识别模式摒弃了类似“LF”和“LMA”这种单一简陋的界定划分，以钢丝绳构件力学性能的物理意义导入，针对钢丝绳构件各种损伤(功效降低)机理，通过磁能势差异信息识别技术，将由多种复杂因素导致的钢丝绳载荷材料性状退变信息，统一等效拟合为相当于载荷材料有效截面积损失量(率)——载荷材料截面积损失当量(％)，直接检测影响构件载荷性能的力学要素，并给出量化的构件性能最危险信息。本发明技术的识别模式，为综合评估钢丝绳构件的载荷性能(剩余承载能力)提供直接的检测数据，可用于多种不同使用要素的效能换算，充分适应现代应用领域对钢丝绳构件载荷性能实现有效评估的根本需求。
6、评估技术：本发明基于先进的检测原理，依托可靠的专业检测技术，尊重事物发展的客观规律，从钢丝绳构件实际应用的安全管理技术需求出发，研究创建了相对完整的、涵盖钢丝绳构件应用周期全程的载荷性能评估技术，符合现代无损检测技术科学发展方向。是替代无损检测“NDT”和无损检查“NDI”技术方法的新兴科学技术——无损评价技术“NDE”(Nondestructive Evaluation)，不仅实现科学检测，更重要的是在掌握对象负载条件、环境条件(如断裂力学中预测材料的安全性及寿命等)下，对钢丝绳构件的完整性、可靠性及使用性能等进行综合评价。另外，本发明提供的钢丝绳载荷性能无损测评技术，实现了从钢丝绳构件制造完成直至其安全使用价值终结，全面监测及实时状态评估的设想，为防止人为灾难和节约物质资源，提供了有效可行的技术手段及安全管理技术模式。具有十分积极的社会效益和极其现实的经济效益。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明的工艺流程平面布置形式图。
图2是本发明的磁能势差异信息辨析技术(装置)工作原理示意图
图3是本发明涉及的钢铁材料的磁特性曲线图。
图1中，钢丝绳1、磁能衡元件 2、电磁释能元件 3、调频晶振体 4、调制解调电路 5、程序芯片 6、逻辑软件 7、稳恒直流电源 8。
图2中，电磁释能元件1、磁能衡元件2、钢丝绳3、体积元4。
实施例1：
利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积(BH)。对与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息，运用磁能势差异信息辨析技术(装置)实时识别和提取。依据钢丝绳构件抗拉载荷(破断力)的力学校核原则，设立一个等效参量表示钢丝绳构件相应的载荷性能变化量，以无损方式完成钢丝绳构件应用周期各环节的状态检测。创建钢丝绳构件应用周期全程载荷性能科学测评体系，实现对钢丝绳载荷性能多取向，结合多条件的综合量化评估。
实施例2：
利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积(BH)。其特征是：钢丝绳构件载荷材料材质为中高碳钢或合金钢，具有典型的铁磁特性。这一物理特性可以用“钢铁材料的磁特性曲线”如图3所示，B-H线在H0～Hμm区间变化率最高，材料的磁导率迅速增加并达到最大值，表明材料在这一H区间的磁特性(磁感应)最为灵敏。由于铁磁性材料的磁滞特性，经过H场的钢丝绳构件载荷材料的任意体积元dV在场强H′作用下均积聚一个小磁能积(BH)，H′取[H0～Hμm]。若以磁场强度为H′的磁化场对钢丝绳构件沿轴向连续施加磁载(类磁化)，构件将沿轴向形成稳定连续、均匀的小磁能积状态(体积元dV如图2所示)。
实施例3：
所述的与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息；其特征是；由于钢丝绳构件载荷材料的铁磁特性，被连续施加磁载的构件中所有参与载荷工作的铁磁性金属材料内具有适量的低能量级(×1mT级)小磁能积(BH)，并且如果构件中载荷材料沿其轴向的任意体积元dV是连续、均匀、一致的，则任意体积元dV内具有的小磁能积是等量且分布均匀的，相邻体积元dV材料的磁导率μ是连续一致的，即：沿构件铁磁材料建立的轴向磁场的磁力线是均匀连续的，穿过任意体积元dV的正截面的磁通是等量的，磁通密度是相同的。钢丝绳构件受拉、弯、扭等载荷反复作用后，产生应力集中部位的材料组织结构性状将发生退变，这些部位的磁导率大幅降低(相对磁阻增大几百倍)，原有的连续性、均匀性、一致性等性状被破坏。发生退变的体积元dV或产生截面收缩(拉伸塑性颈缩变形)或产生径向/偏径向裂纹气隙(弯扭疲劳裂断)，原来通过这些退变体积元dV的磁力线只能沿低能耗通路(磁导率高的材料组织部分)重新排布，体积元dV正截面的磁通密度随之变化，小磁能积均匀状态因此改变。小磁能积分布态势的改变使体积元dV上产生显著的磁能势差，既由载荷材料性状退变前的等磁能势状态演变为因载荷材料性状退变而重建的差磁能势状态。显然，钢丝绳构件载荷材料的应力应变退化程度越严重，导致的磁能势差异就越突出。
被施加了适量小磁能积规划的钢丝绳构件工作时，无论其载荷材料处于何种应力应变(拉变、弯变或扭变等)状态，当发展到引起材料性状退变(载荷性能退化)时，退变材料处体积元dV上的磁能势分布将有等效的差异化响应。这种载荷材料的物理场变化信息与其载荷性能(力学性能)退化程度具有明确的单值等效相关特性。
实施例4：
运用磁能势差信息辨析装置，对与构件因反复应力应变产生载荷性能退化单值等效相关的，材料物理场变信息实时识别与提取。其特征是：磁能势差异信息辨析技术(装置)由电磁释能元件、磁能衡元件、可嵌入程序芯片、嵌入式逻辑软件、调频晶振体、调制解调电路和稳恒低压直流源等组成，工艺流程平面布置形式(见图1)。其中，电磁释能元件用绝缘高导金属丝与非晶体集合芯组制；磁能衡元件用绝缘高导金属丝与纳米非晶片芯组制：调制解调电路为智能调\解模式电路。
磁能势差异信息辨析装置，实时识别与提取材料物理场变信息的工作原理特征是：(1)工作的电磁释能元件，在其周围一定空间，按工作需要通过嵌入软件逻辑调制给定能量的电磁场B1；(2)工作的磁能衡元件，在其周围一定空间，按工作需要通过嵌入软件调制给定频率的振频场；(3)具有适量小磁能积(BH)的钢丝绳构件进入电磁场/振频场的工作空间，其内部原有穿过每一体积元dV的轴向磁场B2与工作电磁场B1即发生场交互效应并在两者间建立新的“效应磁场”B(见图2)，(4)磁能衡元件实时提取并输出连续经过工作电磁场/振频场钢丝绳全部体积元“效应磁场”的磁能势差异信息及其全部表面形态“谐振场”的频率信息，(5)磁能衡元件输出的磁能势差异信息和频率信息分别为I/V和f形式，嵌入式逻辑软件按设计的识别模式建立可应用分析的“磁能势差异信息谱”和“谐频信息谱”。
实施例5：
依据钢丝绳构件抗拉载荷(破断力)的力学校核原则，设立一个等效参量表示钢丝绳构件相应的载荷性能变化量，以无损方式完成钢丝绳构件应用周期各环节的状态检测。其特征是：各种用途钢丝绳构件的载荷性能均以其抗拉、弯、扭三种力学指标的失效性(极限)实验数据加以界定。其中，最重要的抗拉载荷(破断力)用公式：
F＝K D2R/1000计算校核
式中：
F——钢丝绳最小破断拉力(kN)
D——钢丝绳公称直径(mm)
R——钢丝绳公称抗拉强度(MPa)
K——某一指定结构钢丝绳的最小破断拉力系数。
该公式确立了钢丝绳构件抗拉载荷(破断力)与钢丝绳构件结构性状(有效面积K D2)的力学相关原则，这一原则用数学函数式表示：F＝f(A)，A定义为：钢丝绳构件任意体积元dV正截面上可承受抗拉、弯、扭载荷的铁磁性金属材料的面积总和。钢丝绳载荷材料的有效截面积A＝KD2。
显然，钢丝绳载荷性能力学关系原则F＝f(A)还可以广义表述为：F表示钢丝绳载荷(承载)的综合等效能力，F是钢丝绳正截面上所有参与承载金属(铁磁性)材料截面积总和A的单值函数；参量A的变化A相关于钢丝绳载荷性能F相应的变化。这是由于钢丝绳构件工作时处于拉、弯、扭综合应力应变状态，无论那种应力应变主导或同等作用导致钢丝绳构件某个部位载荷材料发生结构性状退变，都将引起穿过该部位载荷材料体积元dV正截面上的磁力线重新分布产生磁能势差，磁能势差反映磁通密度改变的客观事实，而磁通密度变化量是参量A变化量的线性函数关系相当量(设立量)——钢丝绳构件载荷材料截面积损失当量(％)。因此，提取的磁能势差异信息，能客观地反映载荷材料各部位的结构性状差异；并且，工作各环节均以低磁能磁场关联，不产生电磁涡流、无强磁集肤效应，对材料性质、组织、结构和性能等无任何损害。
实施例6：
创建钢丝绳构件应用周期全程载荷性能科学测评体系，实现对钢丝绳载荷性能多取向，结合多条件的综合量化评估。其特征是：钢丝绳构件有明确的载荷性能(能力)目标要求：必须重复连续的、稳定可靠的完成给定的工作任务；同时，又具有较特殊的性能异变本质：不可修复性多向衰变特征。因此，钢丝绳构件应用周期的过程监测及状态评价尤为重要。测评体系按两条基本路径架构：
第一条为“纵向路径”，根据钢丝绳构件从制造完成，到其安全使用价值终止的过程顺序构建；通常应用周期自使用方选择为起点，各主要环节依次分别为：产品(品质)选择过程——存储转运过程——安装施工过程——在役工作(含维护保养)过程——退役及降载再利用过程等。“纵向路径”设计旨在完成：(1)钢丝绳产品应用周期闭环无损检测，(2)品质基准的无损测定与参数备份，(3)原始力学性能试验(有损极限试验)数据与无损检测相关数据匹配基准，(4)性能参数传递及过程节点性能变化评价，(5)中期性能验证试验(有损极限试验)数据有效性评价，(6)在线状态监测，可靠性实时跟踪评价，(7)退役处置的综合评估及再利用的可靠性界定。
第二条为“横向路径”，根据钢丝绳构件基本性能品质及应用周期各工况条件下可靠性评价取向构建；按现代钢丝绳构件实际应用的安全管理技术要求，其使用可靠性评价的重要取向分为：承载效稳性差异评价、安全载荷周期评价、安全载荷总量评价和适用安全系数评价。“横向路径”设计为无损检测数据于各评价取向，结合多种条件有效利用制定了技术原则：(1)承载效稳性差异评价，应结合产品制造标准规范的几何公差收敛条件、结构特性条件、材料强度等级条件等静态特性条件，以及事件条件、材料结构性状退变增长率、扩展率等动态特性条件，(2)安全载荷周期评价，应结合环境条件、事件条件、无损跟踪检测条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件，(3)安全载荷总量评价，应结合额定工作载荷条件、工作频率条件、事件条件、静/动载变位条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件，(4)适用安全系数评价，应结合设计要求条件、实际安装验证条件、最低使用界定条件、事件条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件。
“纵向路径”架构与“横向路径”架构组成了完整测评体系，可实施对钢丝绳载荷性能全面综合量化评估。

Claims (6)

1、一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，其特征在于：利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积；对与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息；运用磁能势差异信息辨析技术装置实时识别和提取；依据钢丝绳构件抗拉载荷破断力的力学校核原则，设立一个等效参量表示钢丝绳构件相应的载荷性能变化量，以无损方式完成钢丝绳构件应用周期各环节的状态检测；创建钢丝绳构件应用周期全程载荷性能科学测评体系，实现对钢丝绳载荷性能多取向，结合多条件的综合量化评估。
2、根据权利要求1中所述的一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，其特征在于：所述的利用钢丝绳构件载荷材料的物理特性，以一个相对低的磁场强度H使钢丝绳构件具有连续、均匀的小磁能积；钢丝绳构件载荷材料材质为中高碳钢或合金钢，具有典型的铁磁特性。这一物理特性可以用“钢铁材料的磁特性曲线”B—H线在H0～Hμm区间变化率最高，材料的磁导率迅速增加并达到最大值，表明材料在这一H区间的磁特性磁感应最为灵敏。由于铁磁性材料的磁滞特性，经过H场的钢丝绳构件载荷材料的任意体积元dV在场强H′作用下均积聚一个小磁能积BH，H′取H0～Hμm。若以磁场强度为H′的磁化场对钢丝绳构件沿轴向连续施加磁载类磁化，构件将沿轴向形成稳定连续、均匀的小磁能积状态。
3、根据权利要求1中所述的一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，其特征在于：所述的与钢丝绳构件抗弯、扭、拉等力学性能退化单值等效相关的载荷材料物理场变信息；由于钢丝绳构件载荷材料的铁磁特性，被连续施加磁载的构件中所有参与载荷工作的铁磁性金属材料内具有适量的低能量级×1mT级小磁能积BH，并且如果构件中载荷材料沿其轴向的任意体积元dV是连续、均匀、一致的，则任意体积元dV内具有的小磁能积是等量且分布均匀的，相邻体积元dV材料的磁导率μ是连续一致的，即：沿构件铁磁材料建立的轴向磁场的磁力线是均匀连续的，穿过任意体积元dV的正截面的磁通是等量的，磁通密度是相同的。钢丝绳构件受拉、弯、扭等载荷反复作用后，产生应力集中部位的材料组织结构性状将发生退变，这些部位的磁导率大幅降低，相对磁阻增大几百倍，原有的连续性、均匀性、一致性等性状被破坏。发生退变的体积元dV或产生截面收缩，拉伸塑性颈缩变形或产生径向/偏径向裂纹气隙，弯扭疲劳裂断，原来通过这些退变体积元dV的磁力线只能沿低能耗通路，磁导率高的材料组织部分重新排布，体积元dV正截面的磁通密度随之变化，小磁能积均匀状态因此改变。小磁能积分布态势的改变使体积元dV上产生显著的磁能势差，既由载荷材料性状退变前的等磁能势状态演变为因载荷材料性状退变而重建的差磁能势状态，钢丝绳构件载荷材料的应力应变退化程度越严重，导致的磁能势差异就越突出；被施加了适量小磁能积规划的钢丝绳构件工作时，无论其载荷材料处于何种应力应变拉变、弯变或扭变状态，当发展到引起材料性状退变载荷性能退化时，退变材料处体积元dV上的磁能势分布将有等效的差异化响应。这种载荷材料的物理场变化信息与其载荷性能力学性能退化程度具有明确的单值等效相关特性。
4、根据权利要求1中所述的一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，其特征在于：所述的运用磁能势差信息辨析装置，对与构件因反复应力应变产生载荷性能退化单值等效相关的，材料物理场变信息实时识别与提取；磁能势差异信息辨析装置由电磁释能元件、磁能衡元件、可嵌入程序芯片、嵌入式逻辑软件、调频晶振体、调制解调电路和稳恒低压直流源等组成，工艺流程平面布置形式；其中的电磁释能元件用绝缘高导金属丝与非晶体集合芯组制；磁能衡元件用绝缘高导金属丝与纳米非晶片芯组制；调制解调电路为智能调\解模式电路；磁能势差异信息辨析装置，实时识别与提取材料物理场变信息的工作原理特征是：(1)工作的电磁释能元件，在其周围一定空间，按工作需要通过嵌入软件逻辑调制给定能量的电磁场B1；(2)工作的磁能衡元件，在其周围一定空间，按工作需要通过嵌入软件调制给定频率的振频场；(3)具有适量小磁能积BH的钢丝绳构件进入电磁场/振频场的工作空间，其内部原有穿过每一体积元dV的轴向磁场B2与工作电磁场B1即发生场交互效应并在两者间建立新的“效应磁场”，(4)磁能衡元件实时提取并输出连续经过工作电磁场/振频场钢丝绳全部体积元“效应磁场”的磁能势差异信息及其全部表面形态“谐振场”的频率信息，(5)磁能衡元件输出的磁能势差异信息和频率信息分别为I/V和f形式，嵌入式逻辑软件按设计的识别模式建立可应用分析的“磁能势差异信息谱”和“谐频信息谱”。
5、根据权利要求1中所述的一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，其特征在于：所述的依据钢丝绳构件抗拉载荷破断力的力学校核原则，设立一个等效参量表示钢丝绳构件相应的载荷性能变化量，以无损方式完成钢丝绳构件应用周期各环节的状态检测。其特征是：各种用途钢丝绳构件的载荷性能均以其抗拉、弯、扭三种力学指标的失效性极限实验数据加以界定。其中，最重要的抗拉载荷破断力用公式：
F＝KD2R/1000计算校核
式中：
F——钢丝绳最小破断拉力(kN)
D——钢丝绳公称直径(mm)
R——钢丝绳公称抗拉强度(MPa)
K——某一指定结构钢丝绳的最小破断拉力系数。
该公式确立了钢丝绳构件抗拉载荷破断力与钢丝绳构件结构性状有效面积KD2的力学相关原则，这一原则用数学函数式表示：F＝f(A)，A定义为：钢丝绳构件任意体积元dV正截面上可承受抗拉、弯、扭载荷的铁磁性金属材料的面积总和。钢丝绳载荷材料的有效截面积A＝KD2；
钢丝绳载荷性能力学关系原则F＝f(A)还可以广义表述为：F表示钢丝绳载荷承载)的综合等效能力，F是钢丝绳正截面上所有参与承载金属铁磁性材料截面积总和A的单值函数；参量A的变化
Figure A200910064517C0004104057QIETU
A相关于钢丝绳载荷性能F相应的变化。这是由于钢丝绳构件工作时处于拉、弯、扭综合应力应变状态，无论那种应力应变主导或同等作用导致钢丝绳构件某个部位载荷材料发生结构性状退变，都将引起穿过该部位载荷材料体积元dV正截面上的磁力线重新分布产生磁能势差，磁能势差反映磁通密度改变的客观事实，而磁通密度变化量是参量A变化量的线性函数关系相当量“设立量”钢丝绳构件载荷材料截面积损失当量％。因此，提取的磁能势差异信息，能客观地反映载荷材料各部位的结构性状差异；并且，工作各环节均以低磁能磁场关联，不产生电磁涡流、无强磁集肤效应，对材料性质、组织、结构和性能等无任何损害。
6、根据权利要求1中所述的一种钢丝绳载荷性能无损测评方法，其特征在于：所述的创建钢丝绳构件应用周期全程载荷性能科学测评体系，实现对钢丝绳载荷性能多取向，结合多条件的综合量化评估；钢丝绳构件有明确的载荷性能能力目标要求：必须重复连续的、稳定可靠的完成给定的工作任务；同时，又具有较特殊的性能异变本质：不可修复性多向衰变特征。因此，钢丝绳构件应用周期的过程监测及状态评价尤为重要。测评体系按两条基本路径架构：
第一条为“纵向路径”，根据钢丝绳构件从制造完成，到其安全使用价值终止的过程顺序构建；通常应用周期自使用方选择为起点，各主要环节依次分别为：产品品质选择过程、存储转运过程、安装施工过程、在役工作含维护保养过程、退役及降载再利用过程等。“纵向路径”设计旨在完成：(1)钢丝绳产品应用周期闭环无损检测，(2)品质基准的无损测定与参数备份，(3)原始力学性能试验有损极限试验数据与无损检测相关数据匹配基准，(4)性能参数传递及过程节点性能变化评价，(5)中期性能验证试验有损极限试验数据有效性评价，(6)在线状态监测，可靠性实时跟踪评价，(7)退役处置的综合评估及再利用的可靠性界定。
第二条为“横向路径”，根据钢丝绳构件基本性能品质及应用周期各工况条件下可靠性评价取向构建；按现代钢丝绳构件实际应用的安全管理技术要求，其使用可靠性评价的重要取向分为：承载效稳性差异评价、安全载荷周期评价、安全载荷总量评价和适用安全系数评价。“横向路径”设计为无损检测数据于各评价取向，结合多种条件有效利用制定了技术原则：(1)承载效稳性差异评价，应结合产品制造标准规范的几何公差收敛条件、结构特性条件、材料强度等级条件等静态特性条件，以及事件条件、材料结构性状退变增长率、扩展率等动态特性条件，(2)安全载荷周期评价，应结合环境条件、事件条件、无损跟踪检测条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件，(3)安全载荷总量评价，应结合额定工作载荷条件、工作频率条件、事件条件、静/动载变位条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件，(4)适用安全系数评价，应结合设计要求条件、实际安装验证条件、最低使用界定条件、事件条件以及材料结构性状退变增长率、扩展率条件。
“纵向路径”架构与“横向路径”架构组成了完整测评体系，可实施对钢丝绳载荷性能全面综合量化评估。
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