声发射技术在起重机检测中的应用

陈 晨，焦 阳，李光海，米尚言

（1.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.中国特种设备检测研究院，北京 100013）

起重机是用来对物料起重、运输、装卸和安装等作业的机械设备，起重机作为关键设备之一，被广泛应用于物流运输、冶金、制造、建筑、市政建设等行业中。从安全性方面来看，起重设备本身和使用环节的危险性都高于其他几种特种设备。例如起重机的钢丝绳、卷筒及钢丝绳压板、吊钩、减速器齿轮、制动器、车轮与轨道［1］。而事故一旦在作业过程中发生，会严重影响起重机的工作，甚至发生事故，引起人员伤亡，必须加强对起重机安全检测重要性的认识。目前在中国，起重机安全管理工作倍受重视，安全检测也已经形成制度。但是，现有的安全检测方法和手段都还不能高效、自动、智能地完成对起重机的安全检测工作。中国起重机的无损检测还处于起步阶段，对起重机的无损检测技术不够成熟，所以起重机的无损检测技术的研究具有很重要的意义和价值。

1 起重机检测方法

起重机在制造和使用中各部件都有可能会出现裂纹及损伤，对于各种不同的起重机，应当选择不同的检测方法对其进行检测。现在起重机主要的检测手段有：金属磁记忆检测、电磁检测、射线检测、超声检测、目视检测、声发射检测、应力应变测试、振动测试等。

金属磁记忆检测就是通过测量金属构件处磁场切向分量hp（x）的极值点和法向分量hp（y）的过零点来判断应力集中区域，并对缺陷的进一步发生和发展进行监控和预测。金属磁记忆检测技术不需要对被检测对象做任何处理，只要材料能够适用于磁铁都可以进行检测，能够准确地判断出缺陷位置，但是对缺陷大小还无法检测，需要和其他的检测方法相结合。

电磁检测主要有涡流裂纹检测、钢丝绳检测、涡流膜层测厚。涡流裂纹检测精度与常规磁粉相当，适合对起重机械进行快速裂纹扫查。钢丝绳检测一般为漏磁方法检测，可进行定量和定性分析。涡流膜层测厚主要应用于精确测量膜层的厚度值。

射线检测就是利用射线对物体进行透视，根据晶体机构来检测缺陷。主要应用于起重机械制造安装过程对焊缝的检测，在设备中很少使用。优点：不损伤被检物，方便实用，可达到其他检测手段无法达到的独特检测效果，使用面宽，底片长期存档备查，便于分析事故，可以直观地显示缺陷图像等。缺点：对人体有副作用甚至一定伤害，对其他敏感物体有不良作用，对环境有辐射污染；显影定影液回收困难，直接排放会造成环境污染。

超声检测技术最常用的是脉冲回波探伤法，检测时在探头上发射脉冲电压，激励处的超声波在被检测物体中传播，遇到缺陷后，部分超声波波射能量被反射，然后被探头接收，探头将其转化成电信号，通过放大将接收结果在仪器上显示。脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。超声检测法的优点：穿透能力较大、快速、经济、可靠、方便。缺点：不能检测比较复杂的物体，检测之前要进行打磨，保证探头和物体间的良好耦合。

目视检测又称外观检验，是一种简单的检测方法，可以直接在物体表面发现缺陷。它有两种方法：间接检测通过工具辅助进行检测，直接检测不通过工具用肉眼观察。它主要是检查物体的表面状态和金属结构的几何尺寸测量等。目视检测主要是为了检测起重机械的全部和各部件的性能。

声发射检测在设备的关键部位，一般选择设计上的应力值较大或易发生腐蚀、裂纹或实际使用过程中曾出现过缺陷的部位布置传感器。对起重设备施加额定载荷和试验载荷，起重机械则进行正常运行或保持静止，此时材料内部的腐蚀、裂纹等缺陷源会产生声发射信号，声发射信号通过信号处理后，将显示出产生声发射信号的包含严重结构缺陷的区域，频谱分析等手段还可为起重机械的整体安全性分析提供支持。

声发射技术和其他的检测技术方法相比具有实时性、整体性、动态性和连续性等特点，检测动态缺陷，而不是检测静态缺陷；检测缺陷本身发出的缺陷信息，而不用外部输入对缺陷进行检查。声发射技术研究在承压设备检测上发展较为成熟，在动态设备检测上还处于研究阶段，部分已运用于工程实际，主要应用在高速轴、轴承等的状态监测。

2 声发射检测技术简介

声发射检测技术是使用接收声发射信号来研究材料、动态评价结构的完整性。在1950年，德国人开始研究声发射技术。在1964年，美国开始用于产品的质量检验，从此以后声发射技术迅速发展。物体受力的作用而产生的形变、变形等都属于声发射现象，对声发射信号进行处理，就可以实时检测物体内部变化的整个过程。

声发射（acoustic emission，简称AE）又称应力波发射，是物体受到力作用从而产生的变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。这种弹性波以声波形式存在，频率范围很宽包括数赫兹到数兆赫兹，如果能量足够大，并且频率集中在声音频段内，则可以被人耳所听见。诸多原因可以产生声发射，如材料裂纹、断裂、应力再分配、撞击及摩擦等。

声发射基本检测原理：从声发射源发射的声发射信号传播到物体的表面，声发射信号可以引起传感器探测的表面位移，通过传感器把物体的振动转换成电信号，然后在经过放大、处理和记录。通过对所得到的数据进行分析，最终达到以下目的：1）确定声发射源所在的位置；2）分析声发射信号的性质；3）确定声发射发生的时间；4）评定声发射源的危险等级。

3 起重机声发射检测技术的研究现状

3.1 检测标准

在20世纪80年代，国外的标准化组织如日本无损检测协会（NDIS）、法国及欧洲声发射工作组（EWGAE）、美国机械工程师协会（ASME）和材料试验协会（ASTM）等［2］都已经提出了各种规范和标准，美国ASTM 的标准数量比较多，而且比较全面。中国已经制定了各种标准但不完善。

现在起重机行业的标准主要是美国F 1430—2003《带附加载荷调节装置的高空载人吊车声发射标准检测方法》、ASTM 的F 914—2003《不带附加载荷调节装置的高空载人吊车声发射标准检测方法》等。

目前，中国关于声发射技术在起重机中的无损检测的研究和应用文献还很少，并且没有起重机声发射检测这方面的标准。现有声发射检测的标准主要有QJ 2914—1996《复合材料构件检测方法》、JB／T 8283—1995《检测仪性能测试方法》、GB／T 18182—2000《金属压力容器检测方法》、GB／T 12604.4—2005《声发射检测术语》等［3］。

3.2 应用研究

孙德平利用声发射检测技术对起重机梁进行无损检测［4］。首先在起重机梁上进行一些常规的检测方法来确定其表面是否有裂纹的存在，假如起重机梁上没有裂纹，就在表面上做一个人工裂纹，然后对起重机梁进行加载并监测声发射信号，并分析起重机梁的声发射信号，根据声发射信号的特征参数来分析，可以评价裂纹的危险级别。利用声发射的线性定位可以确定声发射源的具体位置，并确定缺陷的性质及危害等级。

田建军等利用声发射技术对汽车起重机臂梁进行无损检测［5］。在检测试验中，起重机臂上共布置7只传感器：其中基本臂上布置3只，中长臂布置2只，全伸臂布置2只传感器。传感器布置为3组线性定位阵列，并采用“时间time VS 外变量”关联图分析方法对检测结果进行分析。检测结果评定为声发射信号均为弱强度非活性，本汽车起重机臂梁本体无活性扩展裂纹存在。其对整个检测过程进行了比较全面的理论论证，并在实际测试试验中摸索拟订出了汽车起重机臂梁声发射检验的检验流程，对未来声发射技术在起重机检测评定的运用中有一定借鉴作用。

吴占稳等利用声发射技术对起重机箱形梁结构表面裂纹进行了检测［6］。对箱形梁进行3次加载，通过声发射信号主参数分析可以看出随着加载变大，裂纹数量不断增加，长度不断增长。采用线性定位方法，可以在箱形梁构件上的裂纹缺陷进行准确定位，但存在一定误差。随着载荷的增加，裂纹不断生长，其对应的声发射定位源也急剧增加。在弹性变形阶段，其声发射信号能量增加比较平缓，发生永久变形后，其能量迅速增加。

吴占稳通过用钢材拉伸过程中的声发射特征信号入手，研究起重机梁的结构弯曲的试验，提取声发射信号特征通过小波变换和人工神经网络的模式识别方法来研究，对起重机的声发射源进行模式识别［7］。其首先研究了起重机常用钢材（Q235 钢和Q345钢）拉伸过程的声发射特性，其次研究并获取了起重机主要结构件和工作过程的典型声发射源及其特性，获取了各种典型源的宽频带波形信号，提出了基于小波分析的起重机声发射波形信号特征提取方法，论文的研究成果为制定“桥／门式起重机声发射检测及结果评价方法”标准奠定了基础。

李力等采用模拟梁加载试验，获得了起重机梁人工裂纹萌发和扩展过程的声发射信号［8］。通过经验模式分解法分析出不同载荷和裂纹扩展过程的声发射频率特征。结果表明：起重机梁活性缺陷声发射信号为突发性的，每一事件声发射所含频率成分复杂，一般裂纹萌发时的声发射信号频率较低，随着裂纹的发展，频率逐渐增高，缺陷频率范围为25～160kHz。此结果可为起重机械活性缺陷声发射检测提供理论基础。

3.3 检测系统

在1965年，美国的Dunegan 公司首次推出了声发射仪器［9］，声发射硬件技术经历了30多年的发展。这30多年声发射的硬件技术的发展可分为3个阶段。第1阶段为1965年～1983年，主要是以参数式声发射仪器的发展。第2阶段为1983年～1994年，在1983年美国物理声学公司（PAC）开发了世界上第一套参数型声发射系统SPARTANAT。第3阶段为1994年至今，出现了全数字式声发射仪器，代表仪器有德国VALLEN 公司的AMSY 5，美国PAC公司研制的Mistras 2001等［10－11］。

在声发射仪器的研制和生产方面，中国的起步并不算太晚，沈阳电子研究所于20世纪70年代末即研制出单通道声发射仪，长春试验机研究所于20世纪80年代中期研制出采用微处理计算机控制的32通道声发射定位分析系统，劳动部锅炉压力容器检测研究中心于1995年成功研制出世界上首台硬件采用PC－AT 总线、软件采用Windows界面的多通道（2～64）声发射检测分析系统，2000年声华公司研制出基于大规模可编程集成电路（FPGA）技术基础上的全波形全数字化多通道声发射检测分析系统，2002年国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心研制出基于信号处理集成电路（DSP）技术基础上的全数字化多通道声发射检测分析系统。

4 结 语

1）中国已有一些声发射检测标准，但是目前还没有建立起重机声发射检测标准，需要在起重机声发射检测方面制定一个统一、完善的标准。

2）声发射技术研究在承压设备检测上发展较为成熟。在动态设备检测上还处于研究阶段，部分已运用于工程实际，主要应用在高速轴、轴承等的状态监测，但是缺少实时性监测，一般都是采集完信号之后再进行分析。

3）已经有些关于起重机声发射检测这方面的实验，并且有了一些数据，但是这些数据量还远远不够。这些声发射信号中大量的信息便于诊断故障源，但是因为声发射信号包含信息量大，并且声发射信号容易受到干扰，对信号处理将是一难关，如果不建立数据库不容易分析信号。所以要建立数据库，得出缺陷信号类型，进行多次实验记录数据，在数据库中进行对比，得出缺陷信号类型，找出故障原因，并划分级别。

4）市场上的声发射仪器比较多，美国PAC 公司、德国VALLEN 公司、中国声华科技有限公司等都已经研究出来功能强大、性能可靠的声发射仪器。但是用于起重机的声发射仪器一般是通用声发射仪器，用于起重机的专用声发射仪器几乎没有。研究一种可实现起重机状态检测及寿命评估的专用声发射检测仪器具有重大意义。

／References：

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