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。

本文插图

本文插图
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。

本文插图
图2 桥机箱形梁三维图

本文插图
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。

本文插图
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 。