桥式起重机Q345B 钢箱形梁母材疲劳损伤的声发射双谱分析
杨浩宇 骆红云 陈国伟 李福森 贾华龙
0 引言
桥式起重机（以下简称桥机）械设备广泛应用于国防军工、机械制造、电力、能源、港口、石油化工、以及冶金等行业 ， 其损伤状态和安全可靠生产直接关系到人民的生命财产安全、国民经济的快速稳定发展以及社会的安定 。 桥机的主要承重部位是箱形主梁 ， 其金属结构材料为Q345B 钢 ， 该位置也是桥机损伤缺陷易发生位置 ， 故只有对其进行科学的损伤状态分析才能保证设备的安全可靠运行 。
以声发射波形信号数据为基础的双谱估计方法可获得信号的谱特征 ， 它具有较高的信号分辨能力、信号分类以及信号模式识别能力等特点 ， 近年来在声发射信号分析中得到了越来越多的研究 。 谱估计分为经典谱分析和现代谱分析两大类 ， 采用双谱估计方法可将波形信号中与损伤有关的信息从噪声、干扰信号和有效信号混杂的信号等从中分离出来 ， 为研究材料疲劳损伤机制提供重要线索 。
本文通过声发射技术对桥机Q345B 钢箱形梁及其金属结构材料小试样进行疲劳实验对比研究分析 ， 实现了对Q345B 钢箱形梁及其金属结构材料小试样的疲劳损伤状态的分析研究 ， 验证了实验室小试样声发射监测的一些基本规律、方法可以用于工程上桥机箱形梁的在线声发射监测 ， 从而为其提供理论基础 。
1 实验材料及方法
1.1 实验材料及试样制备
本实验研究的材料为Q345B 低合金钢 ， 其热处理状态为供货状态 ， 具体化学成分和常规力学性能如表1所示 。 通过BX51M 光学显微镜进行光学金相观察 ， 材料具有典型的铁素体+ 珠光体组织 ， 如图1 所示 。
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图1 Q345B 钢热轧态微观组织光学照片
实验所用的桥机Q345B 钢箱形梁采用箱形结构 ， 其具体的三维立体图如图2 所示 。 在正对压头下面主腹板处预制一个30 mm 的裂缝 ， 具体平面示意图如图3所示 。
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图2 桥机箱形梁三维图
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图3 桥机箱形梁缺陷设置及探头布置平面示意图
Q345B 钢实验室小试样所采用单边缺口4 点弯试样 ， 参照金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法国家标准GB/T 6398 － 2000 设计 ， 以避免试样中间位置的压头加载噪声 ， 在所有试样中心位置由线切割方法制备凹槽及缺口 ， 试样尺寸如图4 所示 。
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图4 实验室小试样疲劳试样尺寸图及探头位置
1.2 实验仪器及设置
桥机箱形梁动载实验采用正弦循环加载方式 ， 平均载荷为50 kN ， 幅度为55 kN ， 加载频率为2 Hz 。 Q345B 钢实验室小试样疲劳裂纹扩展试验在50 kNInstron 液压伺服疲劳实验机上进行 。 实验室小试样以正弦循环载荷加载 ， 最大载荷为20 kN ， 加载频率f ＝ 8Hz ， 加载应力比R ＝ 0.1 。
1.3 声发射实验设置
本试验利用美国PAC 公司的AEwin v2.19 系统进行声发射检测 。 数据采集卡采用PAC 公司生产的PCIDSP系列 ， 每块采集卡有4 个通道 ， 采用18 位A/D ， 每个通道信号采样率为50 Hz ， 且处于40 ～ 100 dB 间的声发射信号幅值误差小于2% 。 采用前置放大器有3种不同增益可选：20 dB、40 dB、60 dB 。 根据GB/T18182 － 2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》中建议 ， 对一般的金属结构材料宜用40 dB 增益 。 本试验采用PAC 公司的CZ 系列R15 窄频声发射传感器 ， 共振频率为150 kHz ， 响应频率为100 ～ 400kHz 。 按照GB/T 32544 － 2016《桥式与门式起重机金属结构声发射检测及结果评定方法》的要求 ， 在试验前先对声发射系统进行系统校准和验证。 声发射硬件设置为采样频率1 MHz ， 峰值定义时间1 000 μs ， 撞击定义时间2 000 μs ， 撞击锁定时间20000 μs 。 幅值门槛40 dB ， 能量门槛为1 V·microsec 。
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