趙 娜，吳 斌，劉秀成，丁克勤，劉飛鵬

(1.北京工業(yè)大學機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院，北京 100124；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

世界經(jīng)濟全球化促進了國際貿(mào)易的迅速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計90%以上的國際貿(mào)易量是通過水路運輸完成的，而集裝箱運輸已成為海洋運輸?shù)闹髁?。隨著集裝箱吞吐量的不斷增長，岸邊集裝箱起重機(簡稱岸橋)正朝著高速化和大型化方向發(fā)展[1]。岸橋的前拉桿對大梁起支撐作用，直接影響著岸橋能否正常工作。前拉桿的應(yīng)力釋放孔邊緣在循環(huán)載荷作用下容易產(chǎn)生微裂紋，由于前拉桿處于高空位置，檢查比較困難，一旦細小的裂紋沒檢查到，就可能日積月累造成延展開裂甚至斷裂，造成經(jīng)濟損失和人員傷亡。目前常用的檢測手段包括目測、超聲檢測、滲透檢測、磁粉檢測等[2-3]，檢測效率較低，且需要在停機狀態(tài)下進行，不能對岸橋的運行情況做到實時掌握，因此本文擬對前拉桿關(guān)鍵部位損傷狀態(tài)進行長期監(jiān)測。

針對岸橋前拉桿關(guān)鍵部位的裂紋，可采用聲發(fā)射技術(shù)和超聲導波技術(shù)進行長期監(jiān)測。聲發(fā)射是材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，可監(jiān)測裂紋萌生或擴展的過程，當裂紋狀態(tài)穩(wěn)定(即裂紋不擴展)時不產(chǎn)生聲發(fā)射信號[4-5]。該技術(shù)的缺點是容易受機電噪聲的干擾，裂紋擴展信號可能淹沒在岸橋的大車/小車移動、起升/下降制動、結(jié)構(gòu)摩擦等噪聲中。超聲導波具有沿傳播路徑衰減小、對缺陷識別能力高等優(yōu)點，適合在岸橋運行工況下對前拉桿等不可達區(qū)域的損傷監(jiān)測。板結(jié)構(gòu)中的超聲導波包括Lamb波和SH波，Lamb波分為對稱模態(tài)和非對稱模態(tài)，缺點是模態(tài)復雜，頻散嚴重，數(shù)據(jù)處理難度大[6]。而SH波的模態(tài)比較簡單，且零階模態(tài)SH0是非頻散的，更利于進行信號處理和缺陷識別。因此本文開展基于SH波的岸橋前拉桿關(guān)鍵部位裂紋監(jiān)測技術(shù)研究。

在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生SH波的方法主要有壓電超聲和電磁超聲2種[7]。文獻[8]提出了一種水平剪切(SH)波壓電換能器，通過在兩個極化相反的半圓環(huán)上施加環(huán)向電場，激勵各向同性的非頻散水平剪切波SH0，但目前該換能器只能在較低頻率范圍內(nèi)激發(fā)純SH0波。電磁超聲SH波檢測方面，國內(nèi)外許多學者對激發(fā)機理以及檢測應(yīng)用做了大量研究。文獻[9]設(shè)計了基于洛倫茲力機理的電磁超聲傳感器，采用周期性永磁體提供靜態(tài)磁場，線圈產(chǎn)生感應(yīng)渦流，在鋁板中激發(fā)了SH0模式導波。 文獻[10]使用2個EMAT探頭(一發(fā)一收)，同時激發(fā)SH0和SH1模式對管道腐蝕進行檢測。 文獻[11]設(shè)計了由2個磁鐵和4個繞組逆轉(zhuǎn)交替線圈組成的電磁超聲傳感器，在鋁板中激發(fā)出了SH0模式。上述電磁換能器需要線圈和磁鐵產(chǎn)生磁場，能量轉(zhuǎn)換效率低，體積龐大，不適用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。磁致伸縮SH波檢測方面， 文獻[12-13]設(shè)計了磁致伸縮SH波傳感器，使用鐵鈷合金帶材和線圈，基于魏德曼效應(yīng)激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波。 文獻[14]在鐵鈷合金帶材上通過交流線圈和直流線圈交叉，開發(fā)高能量扭轉(zhuǎn)模態(tài)磁致伸縮傳感器。 文獻[15]利用電磁線圈陣列和高性能帶材在管中激勵扭轉(zhuǎn)模態(tài)導波，實現(xiàn)管中缺陷的檢測。磁致伸縮傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測靈敏度高等特點，適用于板結(jié)構(gòu)和管結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。

本文采用磁致伸縮超聲導波技術(shù)對岸橋前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋擴展進行監(jiān)測，研究環(huán)境溫度變化對監(jiān)測信號的影響，基于此提出環(huán)境溫度補償算法。分析監(jiān)測信號隨裂紋演化的變化特點，研究不同環(huán)境溫度下監(jiān)測信號隨裂紋演化的變化趨勢，從而實現(xiàn)對前拉桿關(guān)鍵部位的健康監(jiān)測。

1 監(jiān)測原理

本文采用磁致伸縮傳感器激勵和接收SH超聲導波，實現(xiàn)對前拉桿關(guān)鍵部位的健康監(jiān)測。磁致伸縮傳感器是基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)工作的，磁致伸縮效應(yīng)是指在外加磁場作用下，鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇偏轉(zhuǎn)引起磁化方向上材料的幾何尺寸發(fā)生變化[16]。磁致伸縮傳感器由磁致伸縮帶材和感應(yīng)線圈組成，如圖1所示。對磁致伸縮帶材進行磁化以提供偏置磁場，當感應(yīng)線圈中通入脈沖交流信號后，線圈內(nèi)部形成的動磁場與磁致伸縮帶材中的靜態(tài)偏置磁場相耦合，由魏德曼效應(yīng)可知[17]，磁致伸縮帶材中將產(chǎn)生剪切變形，經(jīng)環(huán)氧樹脂傳遞至被測對象后，沿與傳感器垂直方向傳播形成扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導波[18]。感應(yīng)線圈同時作為接收線圈，將超聲導波傳播引起的動磁場變化，依據(jù)楞次定律以電壓形式輸出至信號采集系統(tǒng)。

圖1 磁致伸縮傳感器原理圖

本文對16mm厚的岸橋前拉桿進行裂紋演化監(jiān)測，采用Disperse軟件繪制16 mm厚Q235鋼板SH波的頻散曲線，如圖2所示。本文擬采用頻率分別為128 kHz和250 kHz的激勵信號，對前拉桿裂紋進行磁致伸縮超聲導波監(jiān)測技術(shù)研究。由圖2可知，在激勵頻率為128 kHz時存在SH0和SH12種模態(tài)，在250 kHz時存在SH0、SH1和SH23種模態(tài)。

(a)相速度頻散曲線

(b)群速度頻散曲線圖2 16 mm厚鋼板SH波頻散曲線

2 磁致伸縮超聲導波傳感器的溫度監(jiān)測實驗研究

超聲導波在板結(jié)構(gòu)中傳播時受到很多因素的影響，其中環(huán)境溫度對超聲導波的傳播速度及能量衰減影響較大。為了實現(xiàn)磁致伸縮超聲導波技術(shù)在岸橋運行過程中對前拉桿關(guān)鍵部位的長期監(jiān)測，得到環(huán)境溫度變化對監(jiān)測信號的影響規(guī)律非常重要。本文對上海振華重工(集團)股份有限公司生產(chǎn)的岸橋前拉桿試件開展實驗研究，監(jiān)測系統(tǒng)由磁致伸縮傳感器、UT-350激勵接收器、溫度計和工業(yè)計算機組成，如圖3所示。在前拉桿距離應(yīng)力釋放孔800 mm的位置布置一個磁致伸縮傳感器，采用中心頻率分別為128、250 kHz、電壓為300 V、經(jīng)漢寧窗調(diào)制的正弦波信號對傳感器進行激勵，使用溫度計記錄環(huán)境溫度。在2019年10月到12月采集不同環(huán)境溫度(-3.3～20 ℃)下的監(jiān)測信號，每次采集5組數(shù)據(jù)，共采集92次。

(a)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

(b)監(jiān)測系統(tǒng)實物圖圖3 前拉桿監(jiān)測系統(tǒng)圖

傳感器到應(yīng)力釋放孔的距離為800 mm，到右端面的距離為300 mm，因此傳感器首先接收到端面反射信號。由于右端面反射信號僅受環(huán)境溫度變化的影響，因此本文分析環(huán)境溫度變化對右端面反射信號的影響。對92次端面反射信號的峰峰值進行統(tǒng)計分析，如圖4所示?？梢钥闯觯S著環(huán)境溫度的上升，右端面反射信號的幅值呈上升趨勢，因此為了使監(jiān)測結(jié)果更準確，需消除環(huán)境溫度變化對裂紋監(jiān)測信號的影響。

(a)激勵頻率128 kHz時的峰峰值變化圖

(b)激勵頻率250 kHz時的峰峰值變化圖圖4 端面反射信號峰峰值隨環(huán)境溫度變化的趨勢圖

3 前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋監(jiān)測實驗研究

采集前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋長度和深度變化的監(jiān)測信號，分析裂紋擴展對監(jiān)測信號的影響，監(jiān)測系統(tǒng)及傳感器布置如圖3所示。使用切割機在應(yīng)力釋放孔邊緣切割矩形槽模擬裂紋，槽的長度和深度逐漸增加，模擬裂紋隨循環(huán)載荷的變化趨勢。裂紋趨勢變化分為12個等級，其中前6個等級裂紋的長度和深度較小，模擬裂紋的產(chǎn)生和緩慢擴展；后6個等級的裂紋長度和深度均變化較大，模擬裂紋的快速擴展。分別對12個等級的監(jiān)測信號進行采集，每個等級采集不同環(huán)境溫度下的5組監(jiān)測信號，共采集2個激勵頻率下不同裂紋等級的監(jiān)測信號120組。

3.1 不同等級裂紋監(jiān)測信號對比分析

對2種激勵頻率下的無損信號和裂紋監(jiān)測信號進行對比分析。為了避免環(huán)境溫度變化的影響，選取環(huán)境溫度相同或相近時的監(jiān)測信號。圖5為激勵頻率分別為128 kHz和250 kHz時，無損信號和第11等級裂紋監(jiān)測信號的對比圖。根據(jù)SH波頻散曲線(圖2)可知，在16 mm厚的板結(jié)構(gòu)中，激勵頻率為128 kHz時存在SH0和SH12種模態(tài)，激勵頻率為256 kHz時存在SH0、SH1和SH23種模態(tài)。分別計算2種頻率下的界面反射、缺陷反射信號的到達時間(表1)，缺陷反射信號到達時間為0.52～0.8 ms。由圖5可知，激勵頻率為128 kHz時的裂紋反射信號變化不明顯，而激勵頻率為250 kHz時的裂紋反射信號變化較顯著，分析原因為當激勵頻率增大時波長減小，小的波長對缺陷更敏感。因此本文重點分析激勵頻率為250 kHz時的監(jiān)測信號。

選取無損，第3、6、9、11等級的裂紋監(jiān)測信號，分析在時域和時頻域上的變化情況，如圖6所示?？梢钥闯?，隨著裂紋長度和深度的增加，在時域上裂紋反射信號的多個波包幅值及能量逐漸增大。多個波包映射SH波的多個模態(tài)，說明隨著裂紋等級的增加，SH波的多個模態(tài)信號幅值均增大，體現(xiàn)了多模態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢。因此監(jiān)測信號能反映裂紋演化情況。

(a)激勵頻率128 kHz

(b)激勵頻率250 kHz圖5 應(yīng)力釋放孔邊裂紋監(jiān)測波形對比圖

表1 不同模態(tài)SH波的到達時間(理論計算)

(a)時域信號 (b)時頻域信號圖6 監(jiān)測信號隨裂紋等級增大的信號圖

對無損和不同等級的裂紋監(jiān)測信號進行頻域分析，選取圖6中變化比較明顯的波包(時間段為0.71～0.74 ms)進行傅里葉變換，如圖7所示。可以看出隨著裂紋等級的增大，頻域信號的幅值有顯著增加。因此從監(jiān)測信號的頻域上也可以很好地反映裂紋的演化趨勢。

圖7 不同等級裂紋的信號頻譜圖

3.2 基于溫度補償方法的裂紋監(jiān)測趨勢分析

由3.1節(jié)分析可知當環(huán)境溫度接近時，裂紋等級越大，反射信號的幅值越大。然而在實際工程監(jiān)測中，對岸橋前拉桿的裂紋監(jiān)測往往需要持續(xù)一年甚至幾年，環(huán)境溫度跨度較大，由第2節(jié)分析可知，環(huán)境溫度對監(jiān)測信號的幅值影響較大。如果不考慮環(huán)境溫度對監(jiān)測信號的影響，會導致?lián)p傷趨勢分析不準確。因此本節(jié)研究消除環(huán)境溫度變化影響的前拉桿裂紋監(jiān)測信號補償方法。考慮到前拉桿右界面反射信號僅隨環(huán)境溫度變化，因此將缺陷反射信號的特征量(峰峰值、能量)與右界面反射信號的特征量相比，從而消除環(huán)境溫度變化對裂紋監(jiān)測信號的影響。計算60組不同裂紋等級監(jiān)測信號的特征比值(裂紋反射特征量/右界面反射特征量)，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，當采集次數(shù)小于40時，對應(yīng)孔邊裂紋的無損到第7等級(模擬裂紋萌生和緩慢增長)，峰峰比值和能量比值緩慢增大；當采集次數(shù)從40增長到65時，對應(yīng)孔邊裂紋第7等級到第12等級(裂紋快速增大)，峰峰比值和能量比值呈快速增大的趨勢。因此消除環(huán)境溫度影響后，監(jiān)測信號特征量與裂紋等級變化趨勢基本一致，能很好地反映裂紋的演化趨勢。

(a)峰峰比值隨裂紋的變化圖

(b)能量比值隨裂紋的變化圖圖8 不同環(huán)境溫度下的特征比值隨裂紋變化趨勢圖

4 結(jié)束語

(1)磁致伸縮超聲導波傳感技術(shù)及傳感器的監(jiān)測信號受環(huán)境溫度變化影響較大，實驗結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的升高，監(jiān)測信號的幅值呈增大的趨勢。

(2)采用磁致伸縮傳感器自激自收的方式對岸橋前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋擴展進行監(jiān)測，從裂紋監(jiān)測信號和無損信號的時域、時頻域和頻域?qū)Ρ确治錾暇煽闯?，隨著裂紋等級的增大，裂紋反射信號的幅值和能量增大。因此可采用峰峰值、能量等特征量表征裂紋的演化趨勢。

(3)提出環(huán)境溫度補償算法，將前拉桿裂紋反射信號特征量與右端面反射信號的特征量取比值，以消除環(huán)境溫度變化對監(jiān)測信號的影響。計算結(jié)果表明，該方法消除了環(huán)境溫度變化對監(jiān)測結(jié)果的影響，能準確反映裂紋的演化趨勢。

(4)磁致伸縮超聲導波技術(shù)及傳感器可實現(xiàn)岸橋前拉桿應(yīng)力釋放孔邊裂紋擴展的監(jiān)測，為岸橋前拉桿的長期健康監(jiān)測提供技術(shù)支撐。