岸桥前拉杆裂纹磁致伸缩导波监测技术研究

赵 娜，吴 斌，刘秀成，丁克勤，刘飞鹏

(1.北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

世界经济全球化促进了国际贸易的迅速发展，据统计90%以上的国际贸易量是通过水路运输完成的，而集装箱运输已成为海洋运输的主力。随着集装箱吞吐量的不断增长，岸边集装箱起重机(简称岸桥)正朝着高速化和大型化方向发展[1]。岸桥的前拉杆对大梁起支撑作用，直接影响着岸桥能否正常工作。前拉杆的应力释放孔边缘在循环载荷作用下容易产生微裂纹，由于前拉杆处于高空位置，检查比较困难，一旦细小的裂纹没检查到，就可能日积月累造成延展开裂甚至断裂，造成经济损失和人员伤亡。目前常用的检测手段包括目测、超声检测、渗透检测、磁粉检测等[2-3]，检测效率较低，且需要在停机状态下进行，不能对岸桥的运行情况做到实时掌握，因此本文拟对前拉杆关键部位损伤状态进行长期监测。

针对岸桥前拉杆关键部位的裂纹，可采用声发射技术和超声导波技术进行长期监测。声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，可监测裂纹萌生或扩展的过程，当裂纹状态稳定(即裂纹不扩展)时不产生声发射信号[4-5]。该技术的缺点是容易受机电噪声的干扰，裂纹扩展信号可能淹没在岸桥的大车/小车移动、起升/下降制动、结构摩擦等噪声中。超声导波具有沿传播路径衰减小、对缺陷识别能力高等优点，适合在岸桥运行工况下对前拉杆等不可达区域的损伤监测。板结构中的超声导波包括Lamb波和SH波，Lamb波分为对称模态和非对称模态，缺点是模态复杂，频散严重，数据处理难度大[6]。而SH波的模态比较简单，且零阶模态SH0是非频散的，更利于进行信号处理和缺陷识别。因此本文开展基于SH波的岸桥前拉杆关键部位裂纹监测技术研究。

在结构中产生SH波的方法主要有压电超声和电磁超声2种[7]。文献[8]提出了一种水平剪切(SH)波压电换能器，通过在两个极化相反的半圆环上施加环向电场，激励各向同性的非频散水平剪切波SH0，但目前该换能器只能在较低频率范围内激发纯SH0波。电磁超声SH波检测方面，国内外许多学者对激发机理以及检测应用做了大量研究。文献[9]设计了基于洛伦兹力机理的电磁超声传感器，采用周期性永磁体提供静态磁场，线圈产生感应涡流，在铝板中激发了SH0模式导波。 文献[10]使用2个EMAT探头(一发一收)，同时激发SH0和SH1模式对管道腐蚀进行检测。 文献[11]设计了由2个磁铁和4个绕组逆转交替线圈组成的电磁超声传感器，在铝板中激发出了SH0模式。上述电磁换能器需要线圈和磁铁产生磁场，能量转换效率低，体积庞大，不适用于结构健康监测。磁致伸缩SH波检测方面， 文献[12-13]设计了磁致伸缩SH波传感器，使用铁钴合金带材和线圈，基于魏德曼效应激励扭转模态超声导波。 文献[14]在铁钴合金带材上通过交流线圈和直流线圈交叉，开发高能量扭转模态磁致伸缩传感器。 文献[15]利用电磁线圈阵列和高性能带材在管中激励扭转模态导波，实现管中缺陷的检测。磁致伸缩传感器具有结构简单、检测灵敏度高等特点，适用于板结构和管结构的长期健康监测。

本文采用磁致伸缩超声导波技术对岸桥前拉杆应力释放孔边裂纹扩展进行监测，研究环境温度变化对监测信号的影响，基于此提出环境温度补偿算法。分析监测信号随裂纹演化的变化特点，研究不同环境温度下监测信号随裂纹演化的变化趋势，从而实现对前拉杆关键部位的健康监测。

1 监测原理

本文采用磁致伸缩传感器激励和接收SH超声导波，实现对前拉杆关键部位的健康监测。磁致伸缩传感器是基于铁磁性材料的磁致伸缩效应工作的，磁致伸缩效应是指在外加磁场作用下，铁磁性材料内部的磁畴偏转引起磁化方向上材料的几何尺寸发生变化[16]。磁致伸缩传感器由磁致伸缩带材和感应线圈组成，如图1所示。对磁致伸缩带材进行磁化以提供偏置磁场，当感应线圈中通入脉冲交流信号后，线圈内部形成的动磁场与磁致伸缩带材中的静态偏置磁场相耦合，由魏德曼效应可知[17]，磁致伸缩带材中将产生剪切变形，经环氧树脂传递至被测对象后，沿与传感器垂直方向传播形成扭转模态超声导波[18]。感应线圈同时作为接收线圈，将超声导波传播引起的动磁场变化，依据楞次定律以电压形式输出至信号采集系统。

图1 磁致伸缩传感器原理图

本文对16mm厚的岸桥前拉杆进行裂纹演化监测，采用Disperse软件绘制16 mm厚Q235钢板SH波的频散曲线，如图2所示。本文拟采用频率分别为128 kHz和250 kHz的激励信号，对前拉杆裂纹进行磁致伸缩超声导波监测技术研究。由图2可知，在激励频率为128 kHz时存在SH0和SH12种模态，在250 kHz时存在SH0、SH1和SH23种模态。

(a)相速度频散曲线

(b)群速度频散曲线图2 16 mm厚钢板SH波频散曲线

2 磁致伸缩超声导波传感器的温度监测实验研究

超声导波在板结构中传播时受到很多因素的影响，其中环境温度对超声导波的传播速度及能量衰减影响较大。为了实现磁致伸缩超声导波技术在岸桥运行过程中对前拉杆关键部位的长期监测，得到环境温度变化对监测信号的影响规律非常重要。本文对上海振华重工(集团)股份有限公司生产的岸桥前拉杆试件开展实验研究，监测系统由磁致伸缩传感器、UT-350激励接收器、温度计和工业计算机组成，如图3所示。在前拉杆距离应力释放孔800 mm的位置布置一个磁致伸缩传感器，采用中心频率分别为128、250 kHz、电压为300 V、经汉宁窗调制的正弦波信号对传感器进行激励，使用温度计记录环境温度。在2019年10月到12月采集不同环境温度(-3.3～20 ℃)下的监测信号，每次采集5组数据，共采集92次。

(a)监测系统示意图

(b)监测系统实物图图3 前拉杆监测系统图

传感器到应力释放孔的距离为800 mm，到右端面的距离为300 mm，因此传感器首先接收到端面反射信号。由于右端面反射信号仅受环境温度变化的影响，因此本文分析环境温度变化对右端面反射信号的影响。对92次端面反射信号的峰峰值进行统计分析，如图4所示。可以看出，随着环境温度的上升，右端面反射信号的幅值呈上升趋势，因此为了使监测结果更准确，需消除环境温度变化对裂纹监测信号的影响。

(a)激励频率128 kHz时的峰峰值变化图

(b)激励频率250 kHz时的峰峰值变化图图4 端面反射信号峰峰值随环境温度变化的趋势图

3 前拉杆应力释放孔边裂纹监测实验研究

采集前拉杆应力释放孔边裂纹长度和深度变化的监测信号，分析裂纹扩展对监测信号的影响，监测系统及传感器布置如图3所示。使用切割机在应力释放孔边缘切割矩形槽模拟裂纹，槽的长度和深度逐渐增加，模拟裂纹随循环载荷的变化趋势。裂纹趋势变化分为12个等级，其中前6个等级裂纹的长度和深度较小，模拟裂纹的产生和缓慢扩展；后6个等级的裂纹长度和深度均变化较大，模拟裂纹的快速扩展。分别对12个等级的监测信号进行采集，每个等级采集不同环境温度下的5组监测信号，共采集2个激励频率下不同裂纹等级的监测信号120组。

3.1 不同等级裂纹监测信号对比分析

对2种激励频率下的无损信号和裂纹监测信号进行对比分析。为了避免环境温度变化的影响，选取环境温度相同或相近时的监测信号。图5为激励频率分别为128 kHz和250 kHz时，无损信号和第11等级裂纹监测信号的对比图。根据SH波频散曲线(图2)可知，在16 mm厚的板结构中，激励频率为128 kHz时存在SH0和SH12种模态，激励频率为256 kHz时存在SH0、SH1和SH23种模态。分别计算2种频率下的界面反射、缺陷反射信号的到达时间(表1)，缺陷反射信号到达时间为0.52～0.8 ms。由图5可知，激励频率为128 kHz时的裂纹反射信号变化不明显，而激励频率为250 kHz时的裂纹反射信号变化较显著，分析原因为当激励频率增大时波长减小，小的波长对缺陷更敏感。因此本文重点分析激励频率为250 kHz时的监测信号。

选取无损，第3、6、9、11等级的裂纹监测信号，分析在时域和时频域上的变化情况，如图6所示。可以看出，随着裂纹长度和深度的增加，在时域上裂纹反射信号的多个波包幅值及能量逐渐增大。多个波包映射SH波的多个模态，说明随着裂纹等级的增加，SH波的多个模态信号幅值均增大，体现了多模态监测的优势。因此监测信号能反映裂纹演化情况。

(a)激励频率128 kHz

(b)激励频率250 kHz图5 应力释放孔边裂纹监测波形对比图

表1 不同模态SH波的到达时间(理论计算)

(a)时域信号 (b)时频域信号图6 监测信号随裂纹等级增大的信号图

对无损和不同等级的裂纹监测信号进行频域分析，选取图6中变化比较明显的波包(时间段为0.71～0.74 ms)进行傅里叶变换，如图7所示。可以看出随着裂纹等级的增大，频域信号的幅值有显著增加。因此从监测信号的频域上也可以很好地反映裂纹的演化趋势。

图7 不同等级裂纹的信号频谱图

3.2 基于温度补偿方法的裂纹监测趋势分析

由3.1节分析可知当环境温度接近时，裂纹等级越大，反射信号的幅值越大。然而在实际工程监测中，对岸桥前拉杆的裂纹监测往往需要持续一年甚至几年，环境温度跨度较大，由第2节分析可知，环境温度对监测信号的幅值影响较大。如果不考虑环境温度对监测信号的影响，会导致损伤趋势分析不准确。因此本节研究消除环境温度变化影响的前拉杆裂纹监测信号补偿方法。考虑到前拉杆右界面反射信号仅随环境温度变化，因此将缺陷反射信号的特征量(峰峰值、能量)与右界面反射信号的特征量相比，从而消除环境温度变化对裂纹监测信号的影响。计算60组不同裂纹等级监测信号的特征比值(裂纹反射特征量/右界面反射特征量)，结果如图8所示。可以看出，当采集次数小于40时，对应孔边裂纹的无损到第7等级(模拟裂纹萌生和缓慢增长)，峰峰比值和能量比值缓慢增大；当采集次数从40增长到65时，对应孔边裂纹第7等级到第12等级(裂纹快速增大)，峰峰比值和能量比值呈快速增大的趋势。因此消除环境温度影响后，监测信号特征量与裂纹等级变化趋势基本一致，能很好地反映裂纹的演化趋势。

(a)峰峰比值随裂纹的变化图

(b)能量比值随裂纹的变化图图8 不同环境温度下的特征比值随裂纹变化趋势图

4 结束语

(1)磁致伸缩超声导波传感技术及传感器的监测信号受环境温度变化影响较大，实验结果表明，随着环境温度的升高，监测信号的幅值呈增大的趋势。

(2)采用磁致伸缩传感器自激自收的方式对岸桥前拉杆应力释放孔边裂纹扩展进行监测，从裂纹监测信号和无损信号的时域、时频域和频域对比分析上均可看出，随着裂纹等级的增大，裂纹反射信号的幅值和能量增大。因此可采用峰峰值、能量等特征量表征裂纹的演化趋势。

(3)提出环境温度补偿算法，将前拉杆裂纹反射信号特征量与右端面反射信号的特征量取比值，以消除环境温度变化对监测信号的影响。计算结果表明，该方法消除了环境温度变化对监测结果的影响，能准确反映裂纹的演化趋势。

(4)磁致伸缩超声导波技术及传感器可实现岸桥前拉杆应力释放孔边裂纹扩展的监测，为岸桥前拉杆的长期健康监测提供技术支撑。