CN102072939B - 基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统，该系统的原始波形信号提取单元(1)对多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f₀(T)；形变损伤状态波形及参数分析单元(2)对声发射波形信息f₀(T)进行分析，判断并输出形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]给形变损伤等级评定单元(3)进行二向应力及三向应力状态形变损伤状态评定，并输出形变损伤等级信息C(J)到预警单元(4)进行报警；本发明通过声发射技术对在役16Mn钢承力件进行监测，得到声发射信号表示的二向应力和三向应力下形变损伤状态信息，并评定形变损伤等级。应用本发明能够对16Mn钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。

Description

基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统

技术领域

本发明涉及一种对港口大型机械设备中的承力件进行形变损伤状态的定量评估，更特别地说，是指一种基于声发射技术和信息，对在役16锰钢(16Mn钢)承力件的二向应力及三向应力下形变损伤状态进行评估的系统。

背景技术

港口大型机械设备中的岸边设备：如装船机、卸船机、抓斗机等，常应用16Mn钢作为关键承力件。岸边设备在使用一段时间后，作为主要承力件的16Mn钢的形变损伤状态对整个岸边设备的使用寿命将造成重要影响。

16Mn钢是结合我国资源情况(锰是我国富产元素)发展起来的一种低合金钢，已被广泛使用。16Mn钢承力件在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故，而形变损伤是造成其失效的主要原因之一，尤其是当存在缺陷时缺陷位置的应力集中会导致三向应力状态，使16Mn钢承力件形变损伤更加严重，为此要对其形变损伤状态作出评估，及时、正确地评价16Mn钢承力件的损伤等级，为其二向应力及三向应力下安全运行及寿命预测提供依据。

声发射技术(Acoustic Emission Technique)因具有动态、实时检测等优点，已广泛的应用于结构和构件的损伤检测。实践表明，材料在受载荷作用时会发生不同程度的损伤，而损伤状态的变化会导致声发射波形信号特征发生一系列变化。例如在受静拉伸载荷作用时会发生弹性损伤状态转变为屈服损伤状态，这些损伤状态转变都将引起声发射波形信号幅度、相位、频率的变化；因此可以利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件形变损伤状态的工具。

随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边起重机械，具有以下几个特点：

1、目前使用中的很多大型起重机是上世纪60年代至70年代我国自行设计制造或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20～25年考虑，很多设备也已进入服役后期或超期服役阶段；

2、任务重，随着生产规模的扩大，许多起重机的工作日趋繁重，超载的情况也时有发生；

3、起重机中存在的一些缺陷以及边角位置容易产生应力集中和三向应力状态，导致局部超载情况加剧。

4、目前的损伤检测方法在大型钢结构检测方面都存在不同程度的局限性，如超声波检测和磁粉检测等方法对起重机进行的部分抽样检测，盲目性大、易出现漏检且检测的周期长，工作量大，费用昂贵；

5、预警评估系统目前尚不完善，目前应用的分析判别技术还不能对起重机承力件的形变损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安全事故时有发生，其中，超载引起的拉伸形变损伤是港口大型岸边起重装备承力件主要的损伤模式之一。

因此，为确保大型岸边起重机械安全可靠的运行，须对承力件进行检测、判断二向应力及三向应力下形变损伤状态，从而进行安全评估。

发明内容

为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于二向应力及三向应力下形变损伤导致的16Mn钢承力件突然断裂造成的损失，本发明提出一种采用声发射技术对在役16Mn钢承力件进行监测，得到声发射波形和参数信息矩阵表示的形变损伤状态信息。应用本发明的监测结果能够对16Mn钢承力件形变损伤状态进行评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。

本发明的基于声发射信息的在役16锰钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统，该系统由原始波形信号提取单元(1)、形变损伤状态波形及参数矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成；

其中，形变损伤状态波形及参数矩阵分析单元(2)由形变损伤状态波形分析模块(21)、形变损伤状态幅值分析模块(22)、形变损伤状态平均频率分析模块(23)以及形变损伤状态持续时间分析模块(24)组成；

原始波形信号提取单元(1)对接收的多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f₀(T)；

形变损伤状态波形及参数分析单元(2)对声发射波形信息f₀(T)进行分析，判断并输出形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]给形变损伤等级评定单元(3)进行二向应力及三向应力状态形变损伤状态评定，并输出形变损伤等级信息C(J)到预警单元(4)；

预警单元(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。

本发明基于双谱分析法对16Mn钢承力件形变损伤状态进行评估的系统优点在于：

(A)本发明采用声发射技术，提取声发射波形和参数信息，得到了反映16Mn钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态的表征矩阵。这种方法结合了声发射信号的波形和多个参数信息，具有定量化的特点，能够全面准确的对16Mn钢的形变损伤状态做出正确的评估。

(B)本发明利用声发射技术，可以对16Mn钢承力件中容易出现的由缺陷和边角位置引起的三向应力下的形变损伤状态进行定量评估，更加适用于实际构件，并能更准确的评价二向应力和三向应力下的形变损伤状态和程度。

(C)对二向应力和三向应力下的16钢承力件形变损伤状态进行了形变损伤等级的划分和鉴定。可以简单易行地对未知形变损伤状态的16Mn钢承力件做出形变损伤状态、形变损伤程度的评价。

(D)使用本发明可以对工况下的16Mn钢承力件的形变损伤进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。

附图说明

图1是声发射仪与多个传感器连接的简示图。

图2是声发射仪中存储有16Mn钢二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统的结构框图。

图2A是本发明形变损伤状态波形和参数分析单元结构框图。

图3是声发射波形信息示意图。

图4A是本发明中弹塑性损伤状态波形f_A(T)示意图。

图4B是本发明中二向应力下屈服损伤状态波形f_B(T)示意图。

图4C是本发明中三向应力下屈服损伤状态波形f_C(T)示意图。

图中：1.原始波形信号提取单元     2.形变损伤状态波形及参数分析单元

21.波形分析模块                  23.形变损伤状态幅值分析模块

22.形变损伤状态平均频率分析模块  24.形变损伤状态持续时间分析模块

3.形变损伤等级评定单元           4.预警单元

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明通过在大型岸边起重机械的承力件上布置多个声发射传感器，并且多个声发射传感器的输出端分别与声发射仪连接。该声发射仪对接收到的多路传感信息应用本发明的16Mn钢二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统进行处理，从而对被测对象(大型岸边起重机械的承力件)的二向应力及三向应力下形变损伤状态进行定量评估。参见图1所示，一个声发射仪分别与声发射传感器A、声发射传感器B、声发射传感器C、……、声发射传感器N连接，通过多个声发射传感器实现对被测对象的多路声信息的采集。

所述的声发射传感器选取PAC公司生产的R15传感器。其共振频率为150kHz。

所述的声发射仪选取PAC公司生产的全数字式声发射系统。该声发射系统包括有主机系统和DiSP系统，本发明的16Mn钢形变损伤状态定量评估系统存储在主机系统的存储器中。该DiSP系统中的每通道具有高达2MHz的信号采样率。

参见图2、图2A所示，为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于各种形变损伤导致的16Mn钢承力件突然断裂造成的损失，本发明采用声发射技术对在役16Mn钢承力件进行二向应力及三向应力下形变损伤状态进评估。本发明的16Mn钢二向应力及三向应力下形变损伤状态定量评估系统包括有原始波形信号提取单元1、形变损伤状态波形和参数分析单元2、形变损伤等级评定单元3以及预警单元4。

在本发明中，形变损伤状态评估系统采用Matlab语言(版本7.0)开发，运行在声发射仪的处理器中。本发明采用数字化的技术手段对在役16Mn钢承力件进行二向应力及三向应力下形变损伤状态的定量评估，从而实现对大型岸边起重机械危险情况的提前预警。

下面分别对本发明二向应力及三向应力下形变损伤状态评估系统中的各个单元采用的技术手段、实现的功能进行详细说明：

(一)原始波形信号提取单元1

在本发明中，原始波形信号提取单元1第一方面用于接收多个声发射换能器(也称传感器)分别输出的形变损伤状态的传感信息S_n，第二方面对接收到的多路传感信息S_n进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的声发射信号幅值

或者声发射能量的声发射波形信息f₀(T)，第三方面将声发射波形信息f₀(T)输出给形变损伤状态波形和参数分析单元2。

所述的声发射波形信息f₀(T)中包含有声发射信号波形中的幅值、频率、相位等诸多信息，声发射波形信息的具体形式如图3所示。图中所示为每0.0000005秒记录一个传感器输出的电压数据点，然后绘成这个波形图。因此图3中横轴为记录时间，单位微秒，纵轴为信号电压值，单位毫伏。

在原始波形信号提取单元1对多路传感信息S_n进行提取获得每种形变损伤状态下的声发射波形信息f₀(T)所依据的关系为式中，A表示传感信息S_n的声发射幅值参数，A_min表示传感信息S_n的声发射幅值参数中的最小值，A_max表示传感信息S_n的声发射幅值参数中的最大值，E表示传感信息S_n的声发射能量参数，E_min表示传感器信息S_n的声发射能量参数中的最小值，E_max表示传感信息S_n的声发射能量参数中的最大值。

(二)形变损伤状态矩阵分析单元2

在本发明中，形变损伤状态波形及参数矩阵分析单元(2)由形变损伤状态波形分析模块(21)、形变损伤状态幅值分析模块(22)、形变损伤状态平均频率分析模块(23)以及形变损伤状态持续时间分析模块(24)组成；

形变损伤状态波形分析模块(21)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行分析判断，确定损伤状态波形类型f_k(T)。其中，f_k(T)为根据已知损伤状态波形确定的某种特定波形类型。对于弹塑性损伤状态，波形类型为f_A(T)，如图4A所示，其特征为具有较高的最大信号电压值，但强度会迅速衰减，整个信号呈突发型波形；对于二向应力屈服损伤状态，波形类型为f_B(T)，如图4B所示，其特征为最大信号电压值较低，但衰减也相对缓慢，整个信号时域范围内电压值变化不明显，整个信号呈连续型波形；对于三向应力屈服损伤状态，波形类型为f_C(T)，如图4C所示，其特征与f_B(T)类似，也呈连续型波形，但是在整个时域范围内都具有比f_B(T)较高的电压值。

形变损伤状态幅值分析模块(22)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行信号幅值提取，确定损伤状态幅值A。其中幅值A为声发射电压信号最大值，单位db。

形变损伤状态平均频率分析模块(23)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行信号平均频率提取，确定损伤状态平均频率AF。其中平均频率AF为声发射电压信号中超过门槛个数与信号持续时间的比值，单位μs。

形变损伤状态幅值分析模块(24)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行信号持续时间提取，确定损伤状态持续时间DT。其中持续时间DT为声发射电压信号在门槛电压之上的持续时间，单位μs。

由形变损伤状态波形类型f_k(T)、形变损伤状态幅值A、形变损伤状态平均频率AF及形变损伤状态持续时间DT共同构成了反映16Mn钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]，然后将形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]传递给形变损伤等级评定单元3。

(三)形变损伤等级评定单元3

在本发明中，该形变损伤等级评定单元3根据接收到的形变损伤状态矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]，并对其做出评定：根据形变损伤状态的危害程度大小不同将形变损伤状态分为数个等级，当形变损伤状态矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]中f_k(T)＝f_i(T)、A∈A_i、AF∈AF_i及DT∈DT_i时，则评定为形变损伤等级C(G)＝i。

其中，C(G)为形变损伤等级信息，i为形变损伤等级，即该形变损伤状态的形变损伤等级为第i级；

f_i(T)是第i级形变损伤的特定声发射波形类型，即形变损伤等级C(G)＝i时，有f_k(T)＝f_i(T)；

A_i是第i级形变损伤的特定形变损伤状态幅值分布区间，即形变损伤等级C(G)＝i时，有A∈A_i；

AF_i是第i级形变损伤的特定形变损伤状态平均频率分布区间，即形变损伤等级C(G)＝i时，有AF∈AF_i；

DT_i是第i级形变损伤的特定形变损伤状态持续时间分布区间，即形变损伤等级C(G)＝i时，有DT∈DT_i；

当形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]不满足等级评定条件f_k(T)＝f_i(T)、A∈A_i、AF∈AF_i及DT∈DT_i时，做为野值加以剔除。

该形变损伤等级信息C(G)作为预警信息来启动预警单元4进行预警。

16Mn钢承力件的二向应力及三向应力下形变损伤状态的形变损伤等级划分标准示例可参见表1所示，该表1中的所有信息存储在声发射仪的主机中。

表1形变损伤等级划分标准示例

(四)预警单元4

该预警单元4采用如喇叭、扩音器等形式的提示音报警输出。

在本发明中，预警单元4接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。该提示音可以是如喇叭、扩音器等发出的如音乐声。

实施例1：对40吨轨道式起重机的承力件进行声发射检测

承力件：悬臂有效伸度5000mm，检测长度3000mm。

承力件所用的16Mn钢成分见表2：

表2 16Mn钢成分含量

成分	C	Mn	Si	P	S	Ca
							质量百分比含量(％)	0.16	1.42	0.31	0.022	0.033	0.10

检测用设备有：(A)6个R15型声发射传感器，响应频率100～400kHz，中心频率150kHz。

(B)声发射仪为美国PAC公司全数字式16通道DiSP声发射系统。声发射仪检测时的门槛值30dB，声发射峰值定义时间PDT为300μs，声发射撞击限定时间HDT为600μs，声发射撞击闭锁时间HLT为1000μs。

在16Mn钢承力件的承受拉伸静载荷过程中，首先对声发射波形信息进行收集，并通过本发明对形变损伤状态作出评价。随机抽取的部分16Mn钢承力件形变损伤状态定量评估结果见表3。

表3部分16Mn钢承力件形变损伤状态定量评估结果

从表3的评估结果可以看出所选声发射波形信息的形变损伤状态波形与参数矩阵中，形变损伤状态波形类型为．f_A(T)，形变损伤状态幅值为40～60db之间，形变损伤状态评均频率在70至170kHz之间，形变损伤状态持续时间在1300～2700之间，因此均属于弹塑性形变损伤状态，形变损伤等级为1。说明该承力件还在安全范围内使用，形变损伤程度小，危险性低，无需报警。

本发明建立了基于声发射技术对16Mn钢承力件进行二向应力及三向应力下形变损伤状态评估的系统，通过声发射技术对在役16Mn钢承力件进行监测，得到声发射波形和参数矩阵表示的形变损伤状态信息，并评定形变损伤等级。应用本发明能够对16Mn钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。

Claims (6)

1.一种基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态评估系统，其特征在于：该系统由原始波形信号提取单元(1)、形变损伤状态波形及参数矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成；

其中，形变损伤状态波形及参数矩阵分析单元(2)由形变损伤状态波形分析模块(21)、形变损伤状态幅值分析模块(22)、形变损伤状态平均频率分析模块(23)以及形变损伤状态持续时间分析模块(24)组成；

原始波形信号提取单元(1)对接收的多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发射波形信息f₀(T)；

形变损伤状态波形及参数矩阵分析单元(2)对声发射波形信息f₀(T)进行分析，判断并输出形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]给形变损伤等级评定单元(3)进行二向应力及三向应力状态形变损伤状态评定，并输出形变损伤等级信息C(J)到预警单元(4)；所述G＝[f_k(T)，A，AF，DT ]中f_k(T)表示形变损伤状态波形类型，A表示形变损伤状态幅值，AF表示形变损伤状态平均频率，DT表示形变损伤状态持续时间；

预警单元(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音；

所述原始波形信号提取单元(1)还在于第一方面用于接收多个声发射换能器输出的所述传感信息S_n，第二方面对接收到的多路传感信息S_n进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的发射信号幅值

或者声发射能量

的声发射波形信息f₀(T)，第三方面将声发射波形信息f₀(T)输出给形变损伤状态波形和参数矩阵分析单元(2)；其中，A_min表示传感信息S_n的声发射幅值参数中的最小值，A_max表示传感信息S_n的声发射幅值参数中的最大值，E_min表示传感器信息S_n的声发射能量参数中的最小值，E_max表示传感信息S_n的声发射能量参数中的最大值。

2.根据权利要求1所述的基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态评估系统，其特征在于：形变损伤状态波形分析模块(21)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行分析判断，确定损伤状态波形类型f_k(T)；

形变损伤状态幅值分析模块(22)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行信号幅值提取，确定所述损伤状态幅值A；其中幅值A为声发射电压信号最大值；

形变损伤状态平均频率分析模块(23)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行信号平均频率提取，确定所述损伤状态平均频率AF；其中平均频率AF为声发射电压信号中超过门槛个数与信号持续时间的比值；

形变损伤状态持续时间分析模块(24)对接收到的声发射波形信息f₀(T)进行信号持续时间提取，确定所述损伤状态持续时间DT；其中持续时间DT为声发射电压信号在门槛电压之上的持续时间；

由形变损伤状态波形类型f_k(T)、形变损伤状态幅值A、形变损伤状态平均频率AF及形变损伤状态持续时间DT共同构成了反映16Mn钢承力件二向应力及三向应力下形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]，然后将形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]传递给形变损伤等级评定单元(3)。

3.根据权利要求1所述的基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态评估系统，其特征在于：形变损伤等级评定单元(3)根据接收到的形变损伤状态矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]，并对其做出评定：根据形变损伤状态的危害程度大小不同将形变损伤状态分为数个等级，当形变损伤状态矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT ]中f_k(T)＝f_i(T)、A∈A_i、AF∈AF_i及DT∈DT_i时，则评定为形变损伤等级C(G)＝i；

其中，C(G)为形变损伤等级信息，i为形变损伤等级，即该形变损伤状态的形变损伤等级为第i级；

f_i(T)是第i级形变损伤的特定声发射波形类型，即形变损伤等级C(G)＝i时，有f_k(T)＝f_i(T)；

A_i是第i级形变损伤的特定形变损伤状态幅值分布区间，即形变损伤等级C(G)＝i时，有A∈A_i；

AF_i是第i级形变损伤的特定形变损伤状态平均频率分布区间，即形变损伤等级C(G)＝i时，有AF∈AF_i；

DT_i是第i级形变损伤的特定形变损伤状态持续时间分布区间，即形变损伤等级C(G)＝i时，有DT∈DT_i；

当形变损伤状态波形及参数矩阵G＝[f_k(T)，A，AF，DT]不满足等级评定条件f_k(T)＝f_i(T)、A∈A_i、AF∈AF_i及DT∈DT_i时，做为野值加以剔除；

该形变损伤等级信息C(G)作为预警信息来启动预警单元(4)进行预警。

4.根据权利要求1所述的基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态评估系统，其特征在于：所述的声发射波形信息f₀(T)中包含有声发射信号波形中的幅值、频率、相位信息。

5.根据权利要求1所述的基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态评估系统，其特征在于：在原始波形信号提取单元(1)对多路传感信息S_n进行提取获得每种形变损伤状态下的声发射波形信息f₀(T)所依据的关系替换为 $A\∈(\frac{A_{\min }+A_{\max }}{2},A_{\max })\∪E\∈(\frac{E_{\min }+E_{\max }}{2},E_{\max }),$ 式中，E表示传感信息S_n的声发射能量参数。

6.根据权利要求2所述的基于声发射的在役16锰钢承力件二向应力和三向应力下形变损伤状态评估系统，其特征在于：f_k(T)为根据已知损伤状态波形确定的某种特定波形类型；对于弹塑性损伤状态，波形类型为f_A(T)，其特征为具有较高的最大信号电压值，但强度会迅速衰减，整个信号呈突发型波形；对于二向应力屈服损伤状态，波形类型为f_B(T)，其特征为最大信号电压值较低，但衰减也相对缓慢，整个信号时域范围内电压值变化不明显，整个信号呈连续型波形；对于三向应力屈服损伤状态，波形类型为f_C(T)，其特征与f_B(T)类似，也呈连续型波形，但是在整个时域范围内都具有比f_B(T)较高的电压值。

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