CN102023185B

CN102023185B - 起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法

Info

Publication number: CN102023185B
Application number: CN2010105444015A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 窦艳涛; 魏洪兴; 恒慧明
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: CN102023185A

Abstract

本发明公开了一种起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，包括以下步骤：S1、确定起重机吊臂的待检测部位；S2、根据待检测部位的数量确定声发射检测仪器的通道数，并选择所需的声发射传感器；S3、根据吊臂的截面形状及展开后的形状确定缺陷定位方式，即声发射传感器的布置方式；S4、在起重机的加载和保载过程中利用所选择的声发射传感器和声发射检测仪器确定声发射定位事件，并根据所确定的声发射定位事件确定该吊臂的缺陷等级。本发明的方法通过声发射检测，能够定位起重机吊臂结构活性缺陷的位置，并对其危险程度进行划分，从而避免相关事故的发生。

Description

起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种利用声发射技术对起重机吊臂缺陷进行定位检测的方法。

背景技术

作为物料装载及搬运的重要机械设备，汽车起重机被广泛应用于国民经济的各个领域之中，随着现代工业向高效率、大规模方向发展，起重机安全事故时有发生。其中因疲劳裂纹、焊接缺陷及锈蚀导致的起重机吊臂折断，因交变载荷、摩擦磨损、疲劳导致的结构件变形等是一系列安全事故的主要诱因。因此，对汽车起重机吊臂的结构缺陷进行定位检测对于有效预防并控制汽车起重机事故的发生，促进安全生产具有重要的意义。目前对汽车起重机的常用检测技术包括射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和电磁检测等。这些方法存在对几何形状敏感、只能进行局部扫描、需要停机测试以及容易造成漏检等不足，因此其检测结果很难对汽车起重机进行有效的安全评价。

声发射(Acoustic Emission，AE)是指在外部激励(例如外载荷)的作用下，材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。材料中有许多机制都可以构成声发射源，如材料的塑性变形、裂纹形成、扩展及断裂、相变、磁效应和表面效应等都会产生声发射信号而成为声发射源。运用仪器检测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号对声发射源进行定量、定性和定位分析的技术称为声发射检测技术。声发射检测技术具有对活性缺陷敏感，不受结构件复杂形状限制等优点，因此近年来在石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天和航空工业、金属加工、交通运输业等诸多领域都得到了广泛的应用。现阶段声发射技术应用比较成熟的对象为各种金属压力容器，并在国内外都形成了较完善的检测方法和标准。然而，与压力容器等静设备不同，汽车起重机属于动设备，其结构更复杂，检测环境更为恶劣。在国外已经将声发射技术应用于绝缘高耸载人设备及反应堆起吊环等装置的缺陷定位检测，并由ASTM(American Society for Testingand Material，美国材料与试验协会)制定了相关标准；在国内吴占稳等对桥式和门式起重机的声发射检测技术进行了研究应用并申请了专利，但对工程领域应用更为广泛的汽车起重机行业，国内外研究较少，检测标准还处于空白阶段。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何准确定位起重机吊臂结构活性缺陷的位置，并对其危险程度进行划分。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，包括以下步骤：

S1、确定起重机吊臂的待检测部位；

S2、根据待检测部位的数量确定声发射检测仪器的通道数，并选择所需的声发射传感器；

S3、根据吊臂的截面形状及展开后的形状确定缺陷定位方式，即声发射传感器的布置方式；

S4、在起重机的加载和保载过程中利用所选择的声发射传感器和声发射检测仪器确定声发射定位事件，并根据所确定的声发射定位事件确定该吊臂的缺陷等级。

其中，若吊臂截面为封闭环形，将其展开后形成平面形状，则所述缺陷定位方式为：采用四探头阵列的平面定位方式来布置所述声发射传感器，从而进行定位。

其中，步骤S4的检测过程为两次加载和保载的循环，每次加载后保载时间不少于5分钟，然后卸载，再重新加载。

其中，所确定的待检测部位为吊臂的应力集中区。

其中，所确定的待检测区域为吊臂的基本臂内表面与第一节主臂外表面接触的位置区I，以及摆幅式液压缸与基本臂铰接位置的焊接结构部位。

其中，对于每个待检测部位，所确定的通道数不少于4个。

其中，步骤S4具体为：在起重机的受载状态下，在待检测部位处产生声发射信号，信号在吊臂结构件中传播，并被声发射传感器拾取，被拾取的信号经预放大之后传输给声发射检测仪器，声发射检测仪器进行定位计算确定声发射定位事件，然后根据定位事件的位置确定该吊臂的缺陷源位置，并根据定位事件的参数值(幅度、能量等)大小确定缺陷等级。

其中，对于位置区I，所布置的声发射传感器为4个，其中两个固定在第一主臂外表面，另外两个固定在基本臂外表面。

(三)有益效果

本发明的方法通过声发射检测，能够定位起重机吊臂结构活性缺陷的位置，并对其危险程度进行划分，从而避免相关事故的发生。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的方法中使用的起重机伸缩吊臂结构简图；

图3a是本发明实施例的待检测区域I的声发射传感器布置方式示意图一；

图3b是本发明实施例的待检测区域I的声发射传感器布置方式示意图二；

图4是本发明实施例的待检测区域II的声发射传感器布置方式示意图；

图5是本发明实施例的吊臂截面示意图；

图6是本发明实施例的传感器自我标定信号的定位图；

图7是本发明实施例的铅笔芯断裂定位图；

图8a是本发明实施例的加载过程中的声发射定位图；

图8b是本发明实施例的保载过程中的声发射定位图；

图9是本发明实施例的加载过程时序图；

图10是本发明实施例的四探头阵列的平面定位方式示意图。

图中：

1、基本臂；2、第一节主臂；3、第二节主臂；4、第三节主臂；5、第四节主臂；6、变幅液压缸；7、滑块；302、尼龙滑块；304、基本臂顶部；305、基本臂底部；401、焊缝；501、大圆角过渡板；502、结合部；503、外凸折板。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

下面以一汽车起重机为例，说明本发明的实施方式。

所选用的汽车起重机的设备型号：QY25V，其性能表如表1所示；吊臂材质：HG70钢，使用期限一年，日常起吊重量：10～12t；平均月起吊次数30次。

声发射检测仪器：德国Vallen公司的AMSY-5声发射测试系统，其中的数据采集卡的通道数：8。

声发射传感器(以下也简称为传感器)型号：VS150-RIC，测试频率范围：100～450kHz，内置预放大器。

表1起重机性能表

下面参考图1具体说明其检测方法的实施过程：

步骤S1、通过理论分析及试验结果验证确定起重机加载工作过程中吊臂结构件应力集中及易损部位主要集中在以下两个分布区域：基本臂内表面和第一节主臂外表面接触挤压位置区，以及摆幅式液压缸与主臂铰接位置的焊接结构部位。

步骤S2、确定通道数和声发射传感器。由于每个待检测区域所需通道数不少于4个，故此实验过程测试仪器设备通道数应不少于8个。根据金属材料的特性确定所需传感器监测频率范围为：100kHz～450kHz；由于采集信号一般较弱，无法完成远距离传输，所以应先行预放大，预放大倍数选择40dB(100倍)；预放大装置内置于传感器中，以减少预放大器安装固定的难度，将声发射检测仪器与预放大器用同轴电缆实现连接，同轴电缆应成束扎好，并将其固定在吊臂的小型绳索支架上，防止加载过程中电缆线与吊臂表面之间接触滑动而产生摩擦干扰噪声，影响测试效果。

在安装传感器时，还要确定传感器与吊臂表面的耦合与固定方式：为实现传感器与构件表面的良好耦合，安装前要求打磨除去吊臂构件表面防锈漆，并在接触部位添加耦合剂使传感器与构件金属表面充分接触。用专用磁座(为磁座中心圆柱孔尺寸与传感器相关尺寸完全对应的磁座，具体结构是一个塑料槽型结构件，两端有磁铁，可将传感器压紧在构件表面)将传感器压紧固定在吊臂构件表面，以保证在整个试验过程中传感器固定良好，防止其因为在构件表面滑动而影响定位准确性。最后采用铅笔芯断裂对传感器耦合状况进行测试(在距离传感器5mm范围内采用日本产HBΦ0.5mm自动铅笔进行铅笔芯断裂)。铅笔芯断裂测试过程如下：在安装完成的传感器周围进行铅笔芯断裂，每个传感器周围断铅三次，其断铅结果如表2所示。因为标准断铅信号为一满幅度(100dB)声发射信号，如传感器耦合良好则其接收信号也应为近似满幅值(幅值不低于96dB)，由表2可知传感器采集信号幅值均不低于96dB，因此说明其与结构件表面耦合情况良好，可以进行后续实验。

表2断铅标定结果信号幅值统计表

步骤S3、确定吊臂构件缺陷的声发射检测定位方式：图2为吊臂的简化模型，由图2可知吊臂为多节主臂相互嵌套而成，相互结合的两臂之间有部分重合区，重合区受载后接触挤压位置有尼龙滑块将两臂隔开，此接触挤压区为主要应力集中易损位置。选取合适的传感器布置方案，对该受载缺陷区域进行定位检测。如图5，每段吊臂截面结构由两部分构成，上半截面为大圆角过渡板501，下半截面为多边形外凸折板503，两结构件在结合部502采用焊接方式形成连接。吊臂结构在空间将其展开形成一平面，故为了捕捉到真实可靠的缺陷源声发射信息，传感器布置方式采用平面定位方式。平面定位方式包括两探头、三探头及四探头三种，其中前两种均存在定位解不唯一的问题，因此确定选用四探头阵列的平面定位方式对缺陷源实现准确的定位分析。待检测区域I的传感器布置方案如图3a和3b所示。传感器分别布置在第一主臂和基本臂上，且1#、2#传感器布置在第一主臂外表面上，而3#、4#传感器布置在基本臂外表面上。针对摆幅式液压缸与基本臂铰接位置焊接结构的缺陷检测，待检测区域II的传感器布置方案如图4所示。通过测试确定在吊臂结构件上声发射波形传播速度为3240m/s。在起重臂结构件(板厚：6mm)上声发射传感器信号衰减测试结果如表3所示。

表3传感器信号衰减测试结果

距离探头距离(m)	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.6	0.8
								信号幅度(dB)	100	90	87	83	82	81	80
距离探头距离(m)	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	4.0	5.0
								信号幅度(dB)	77	74	69	65	62	62	57

其中四探头阵列的平面定位方式的基本工作原理如图10所示，四个探头S₁、S₂、S₃、S₄构成的菱形阵列，当一缺陷源信号被四个探头分别拾取时，开始定位分析。若被探头S₁和S₃拾取信号的到达时差为Δt_x，所得双曲线为1；而被探头S₂和S₄拾取信号的到达时差为Δt_Y，所得双曲线为2，声发射源为Q，探头S₁和S₃间距为a，S₂和S₄的间距为b，波速为V，那么声发射源就位于两条双曲线的交点Q(X，Y)上，其坐标可表示为：

X = \frac{L_{X}}{2 a} {L_{X} + 2 \sqrt{{(X - \frac{a}{2})}^{2} + Y^{2}}}

Y = \frac{L_{Y}}{2 b} {L_{Y} + 2 \sqrt{{(Y - \frac{b}{2})}^{2} + X^{2}}}

式中：L_X＝Δt_x*V，L_Y＝Δt_Y*V

确定定位方式之后采用模拟缺陷源的方法进行声发射定位验证：

(1)自我标定方式模拟缺陷源：四个声发射传感器同时产生脉冲信号模拟缺陷源，声发射传感器拾取该脉冲信号，经预放大后由声发射检测仪器采集并定位，其结果如图6(此图为德国Vallen公司声发射采集仪配套软件的定位分析图，其中横坐标为X轴；代表1#、3#传感器之间的距离(单位：cm)；纵坐标为Y轴，代表1#、2#传感器之间的距离(单位：cm))所示，图中每一实心小方块代表一个声发射定位事件(共6个)，由图6可知，定位事件的X、Y坐标值与声发射传感器所在位置坐标(如图3a所示)完全一致，由此可知四探头阵列的平面定位方式能够对该模拟缺陷源进行准确的定位。

(2)铅笔芯断裂模拟缺陷源：在待检测区域的吊臂构件表面进行铅笔芯断裂实验模拟缺陷源，共三个点，每点断铅三次，声发射传感器拾取该信号，经预放大后由声发射检测仪器采集并定位分析，其结果如图7所示，图中每一实心小圆点代表一个声发射事件。将图7与实际的铅笔芯断裂位置对比分析可以发现实际断铅位置与声发射定位结果完全一致，因此可知四探头阵列的面定位方式能够对该模拟缺陷源进行准确的定位。

步骤S4、确定声发射检测过程中起重机的加载程序和载荷大小：

为保证定位的准确性，加载试验前应先进行波速及波形衰减测试。试验加载采用两次循环加载方式来完成，起重机加载工况由吊臂伸出长度、所吊配重大小及工作幅度三个因素共同决定，在其他两个因素一定的情况下，测试时所加配重大小为其额定载荷量的1.25倍。每次加载后保载时间不少于5min，然后卸载，再重新加载(如图9所示，图中Qh代表起重机确定工况下的额定载荷)，声发射测试在加载及保载过程中完成。

参考起重机的部分加载工况表(如表4所示)，确定起重机主臂伸长量、工作幅度及所加载荷大小分别为17.6m、4.0m及22.5t，伸出第一节主臂使吊臂总长度达到17.6m，通过摆动吊臂使其工作幅度达到4.0m，通过多个配重块的组合(四个5t配重块加上一个2.5t配重块)使其总重量达到22.5t，起重机通过卷扬钢丝绳吊起配重，起吊过程尽量平缓，配重起吊高度保持在100～200mm范围内；保载时间不低于5min；进行两次加载及保载过程，其加载程序图如图9所示。

表4起重机加载工况表(单位：kg)

4.0	24500	22000	18000	14000
								5.0	20000	19000	15700	12000	10000
6.0	16000	16000	13700	10900	9000
								7.0	12900	12700	12000	9800	8000	6800
8.0	11000	10900	10600	8800	7600	6300
								9.0		9000	8800	8000	6800	5800	5200
10.0		7400	7250	7300	6200	5300	4800
								11.0		6200	6050	6600	5700	4900	4500
12.0			5000	5600	5250	4500	4150
								13.0			4150	4800	4900	4200	3850
14.0			3500	4150	4500	3950	3580
								15.0				3600	3950	3700	3350

如图8a和8b分别为加载和保载过程中的声发射定位结果，图中每个实心小圆点代表一个声发射定位事件，从图中可以看出在加载过程中声发射信号十分丰富，产生大量的定位事件，而保载过程信号数量明显减少，仅发现2个定位事件，这主要是因为汽车起重机的实际工作载荷一般低于其额定载荷，在加载过程中，当载荷超过日常工作载荷以后，应力的重新调整和分布导致的局部屈服会产生较多的声发射信号，且由于钢丝绳的弹性及不稳定性会使吊臂受到的载荷发生波动变化，从而造成相关起重机构件的瞬时过载，使构件应力值瞬间增加，从而产生了大量的声发射信号。这些声发射信号源不是构件的活性缺陷源，因此不能用其对吊臂的结构缺陷进行评价。而在保载状态时，载荷不再随时间变化，由于测试对象为一使用期限一年的汽车起重机，其吊臂结构件内部不存在明显的结构性缺陷，从而使材料应力值远小于材料的强度极限，因此产生的声发射信号较少，仅有微量定位事件产生，其与实际起重机状况相符。

最后进行起重机吊臂的安全评价：

缺陷定位及安全评价机制：根据保载阶段定位事件计数率及定位事件最大幅值(一般取幅值最大事件的前5个，取其平均值)来对吊臂的活性缺陷进行评价。将活性缺陷危险级别分为三档：I级：(安全级：无需复检，可继续使用)；II级：(密切关注级：需要定期复检)；III级(危险级：必须停止使用，采用其他手段复检)。

其中定位事件计数率为单位时间内采集到的定位事件个数，应重点关注定位事件计数率在保载阶段的变化情况，从而对吊臂的缺陷部位及其严重程度进行评定。在保载阶段当定位事件计数率数值较少(低于3个/分钟)，则说明此结构件安全级别属于I级，无活性缺陷存在；如定位事件计数率在保载过程数值较大(3～10个/分钟)，且信号平均幅值大于70dB，则说明此吊臂结构安全级别为II级，应对其引起密切关注，可以使用，但应做定期复检；当在保载过程中定位事件计数率持续增加或在一个较高值(大于10个/分钟)小幅波动，且定位事件最大幅值较高(大于75dB)，则此吊臂结构安全级别定位为III级，应停机并采用其他检测手段对定位缺陷区域进行复检。另外应该在检测过程中格外注意高幅度、高能量值信号的数量及定位集中度分析，高度集中的定位集中区对应着活动性缺陷的准确位置。定位集中区无论在焊缝区域还是在母材区域，都应高度重视，若集中区内有不少于5个高幅度(超过75dB)声发射信号，则吊臂的缺陷危险级别至少为III级。

如图8b所示在保载过程中采集到的总声发射定位事件个数为2，保载时间为5min；因此其定位事件计数率远低于1个/min，所以说明此吊臂结构件安全级别属于I级，无活性缺陷存在；这与此起重机吊臂的实际使用状况完全吻合。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定起重机吊臂的待检测部位；

S3、根据吊臂的截面形状及展开后的形状确定缺陷定位方式，即声发射传感器的布置方式；若吊臂截面为封闭环形，将其展开后形成平面形状，则所述缺陷定位方式为：采用四探头阵列的平面定位方式来布置所述声发射传感器，从而进行定位；

S4、在起重机的加载和保载过程中利用所选择的声发射传感器和声发射检测仪器确定声发射定位事件，并根据所确定的声发射定位事件确定该吊臂的缺陷等级；步骤S4具体为：在起重机的受载状态下，在待检测部位处产生声发射信号，信号在吊臂中传播，并被声发射传感器拾取，被拾取的信号经预放大之后传输给声发射检测仪器，声发射检测仪器进行定位计算确定声发射定位事件，然后根据定位事件的位置确定该吊臂的缺陷源位置，并根据定位事件的参数值大小确定缺陷等级。

2.如权利要求1所述的起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，其特征在于，步骤S4的检测过程为两次加载和保载的循环，每次加载后保载时间不少于5分钟，然后卸载，再重新加载。

3.如权利要求1所述的起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，其特征在于，所确定的待检测部位为吊臂的应力集中区。

4.如权利要求3所述的起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，其特征在于，所确定的待检测区域为吊臂的基本臂内表面与第一主臂外表面接触的位置区I，以及摆幅式液压缸与基本臂铰接位置的焊接结构部位。

5.如权利要求1所述的起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，其特征在于，对于每个待检测部位，所确定的通道数不少于4个。

6.如权利要求4所述的起重机吊臂缺陷的声发射定位检测方法，其特征在于，对于位置区I，所布置的声发射传感器为4个，其中两个固定在第一主臂外表面，另外两个固定在基本臂外表面。