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论文孙淼

箱形结构焊缝声发射源定位技术

刘志平万当贾腾飞

摘要:

研究了声波在典型箱形结构中的传播特点，比较了2种布置方式下的线性定位方法，分析了其焊缝声源定位时的误差，讨论了基于平面定位法的箱形结构声源定位。

试验结果表明，箱形结构的准确定位响因素很多，需要将平面定位方法与线性定位方法等结合起来去实现焊缝处裂纹的定位。

关键词:

金属结构;声发射;定位

中图分类号:

TB52文献标识码:

A文章编号:

1001－0785（2010）11－0088－03

Abstract:

Thepaperstudiesthedisseminationcharacteristicsoftheacousticwaveinthetypicalboxstructure，cparesthelinearpositioningmethodintwokindsofarrangement，analyzesthedeviationwhenusingthemethodtopostheacousticsourceoftheweldingseam，anddiscussestheplanepositioningmethodbasedboxstructureacousticsourcesitioning．Theexperimentresultshowsthattherearealotofaffectingfactorsfortheprecisepositioninginboxstructandthepositioningfortheboxstructureshallonlyberealizedbycombiningtheplanepositioningmethodandthelinearsitioningmethod．

Keywords:

metalstructure;acousticemission;positioning

裂纹检测首先需要对声发射源进行定位，裂纹定位的准确性将严重影响结构的安全评价。

对于突发型声源，时差定位方法最为常用，通过设置声速和传感器间距，然后根据声源到各传感器的时间差，采用一定算法计算出测点位置。

线性定位和面定位法是常见的时差定位法。

本文主要对起重机结构中典型的箱形结构进行声发射源定位技术研究，通过试验研究声发射源在箱形结构中的传输特性，对线性定位方法和平面定位方法的结果进行了分析。

试验结果将为声发射技术在起重机检测中的应用提供借鉴。

1.试验条件

1.1.试件尺寸

试验采用厚6mm的Q235钢板焊接成箱形，结构形状与尺寸见图1。

1.2.试验仪器及条件

采用美国PAC公司的16通道数字式声发射仪（μSAMOSSystem）。

传感器为前置放大器一体化、带有AST（自动传感器测试功能）的R15I－AST型，中心频率150kHz。

传感器安装时，首先打磨掉布置位置的油漆，然后用砂纸清理平整。

耦合剂采用凡士林，采用磁性固定器固定声发射传感器。

测试时，门槛值设置为40dB。

声发射源采用0.5HB的铅芯折断模拟。

2.声波在箱形结构中的传播特性

起重机声发射检测时，为了探讨传感器的合理布置及声源定位，需要了解声波在典型结构中的传播特性。

本节通过试验探讨声发射信号在箱形结构中的衰减曲线和声速的测量方法。

2.1.衰减曲线

试验同时采用16个传感器，以间距150mm布置在上盖板中心线上，见图2，测试点位于距离传感器1左端150mm处，采用模拟声源发射声波4次，取各传感器获得能量和幅值的平均值，得到能量衰减和幅值衰减曲线如图3所示。

由能量衰减曲线和幅值衰减曲线看出，能量和幅值在一定范围内（0～2400mm）呈现衰减趋

势，但并不呈现线性或有明确意义的曲线，有些离声源远的传感器测得的能量或幅值甚至比相对近的传感器要大。

这说明声波在箱形结构中的传播是复杂的，需要进一步研究声波在箱形结构中折射、反射或声波模式转换等特性。

2.2.声速测量

时差定位方法需要设置声速，由于声发射波的传播特性，实际测量得到的声速并不确定。

因此，在检测前需要根据实际传感器布置的距离等因素通过测试得到设置的声速。

为测试声源在传感器间距内不同位置时声速的变化情况，分别在传感器Sa和传感器Sb之间在焊缝位置以间距150mm用模拟声源测试声速，每次测4次，取平均值。

测点布置见图4，其中图4a传感器位于上盖板中心线，图4b传感器位于上盖板和腹板焊缝的正上方。

声速的测试结果如表1所示。

测试结果表明，在间距为1050mm的传感器不同位置，测得的波速存在差异，最大相

对误差达到14.25%，与平均值的最大相对误差也有7.76%。

因此在计算声速时，考虑将端部1点和8点值以及局部最大值（如6点的4761m/s）去掉后，计算剩余测点的平均值作为设置的声速。

传感器位于上盖板中心线时，波速取值为4436m/s。

传感器位于上盖板与腹板的焊缝上方时，波速取值为4588m/s。

3.定位方法

目前进行起重机金属结构声发射技术应用的定位方法基本上采用传感器位于上盖板中心线处的线性定位方法。

本节首先讨论了传感器分别位于上盖板中心线和焊缝上方的线性定位和广义线性定位，然后探讨了基于平面定位法在箱形结构中的应用。

3.1.线性定位方法

为讨论线性法在焊缝处声发射源的定位，采用2种方案分别进行讨论。

方案1将传感器布置在上盖板中心线上，采用传统线性方法和广义线性方法分别进行测试计算。

方案2将传感器布置在边缘（焊缝正上方），测点布置如图4所示。

分别在1～8处模拟声发射源，定位测试结果如表2和图5所示。

测试结果表明，当声发射源来自上盖板与腹板的焊缝不同位置处，传感器位于上盖板中心线时的线性定位方法仅当声源位于定位传感器中间区域时，定位误差较小。

当声源趋近于两端时，误差逐渐增大，两端点处误差与总长的比值达10.2%。

而广义线性定位法与焊缝正上方的线性定位方法相比，误差几乎相当，因此，可以用中心线布点的广义线性定位法替代边缘布点的线性定位方法。

在某些场合，在箱形结构中心线上布置传感器更方便安全。

3.2.平面时差定位方法

采用线性定位方法能够对指定位置进行声源位置判断，但难以区分来自盖板与腹板间不同焊缝的声源。

为探讨上、下盖板和腹板的各条焊缝处声发射源的定位，尝试用平面定位法进行探伤定位。

测试传感器布置如图6a所示，分别在点1（0，300）、点2（0，600）、点3（0，900）处模拟声源。

定位计算时，将实物视为某盖板和腹板展开成如图6b的平板。

3次测试结果见表3。

测试结果表明，平面定位方法能够实现测点附近区域的确定，但该方法定位误差明显较大。

在实际测试中，可先用平面定位方法确定区域，再用广义线性定位方法对声源进行精确定位。

4.结论

通过试验研究起重机典型箱形结构中的声发射源定位方法。

首先研究了声波在箱形结构中的传播特性，然后讨论了线性定位方法中传感器的合理布置，进行了平面定位法的尝试，结果表明，不同定位方法的结合有利于箱形结构焊缝声源的定位。

目前，声发射检测技术在起重机焊缝裂纹检测中的研究还处于起步阶段，关于起重机整体缺陷的定位方法还有大量的技术问题需要解决，才能发挥其潜在的巨大优势。

参考文献

［1］赵章焰.机械承载结构裂纹诊断、控制与维修方法的研究与应用［D］.武汉:

武汉理工大学，2001．

［2］吴占稳.起重机的声发射源特性及识别方法研究［D］.武汉:

武汉理工大学，2008．

［3］骆红云，张峥，钟群鹏，等.声发射技术在大型装卸设备安全评定中的应用［J］.起重运输机械，2005

（1）:

36－39．

［4］沈功田，耿荣生，刘时风.声发射源定位技术［J］.无损检测，2002，24（3）:

114－117．

［5］岳亚霖，徐秉汉，冷建兴，等.声发射信号的广义线性定位法［J］.船舶力学，2002，6（5）:

70－79．

作者:

刘志平

地址:

湖北省武汉市武昌区和平大道1040号武汉理工大学（余区）物流工程学院

邮编:

430063

收稿日期:

2010－04－19

卷扬机的变频操控系统

李斌贵丁岩邓唯一

三峡电力职业技术学院宜昌443000

文章编号:

1001－0785（2010）11－0043－02

卷扬机变频操控系统是专门针对金矿竖井作业中罐笼升降的拖动控制系统。

该系统主要用于卷扬机电动机的拖动调速，充分考虑了低速力矩、空停制动和安全保护等问题，可取消原交流绕线电动机、电机碳刷和滑环、用于调速的接触器及大功率电阻排。

彻底杜绝了原调速系统维修成本高、维护工作量大、能耗高、调速性差的缺陷。

1.结构组成

卷扬机变频操控系统由1个操控台和1个变频柜（其中包括变频调速器、泄放单元和泄放电阻等）组成，如图1所示（图中未画出液压站）。

其中操控台、液压站和液压抱闸装置均为沿用原系统装置。

2.性能特点

与原卷扬机系统相比，卷扬机变频操控系统具有保护功能强大、安全系数高、可操作性好、体积小、重量轻和故障率低等特点，其输出转矩大，制动可靠，无级平滑调速，运行停机平稳，对罐快速方便。

并且由于功能配置简洁合理，使用维护方便，工作安全可靠，大大降低了整个系统的购置成本和维修费用。

3.系统设计

在设计过程中，特别增加了多种保护措施，并且各层次、各环节的保护相互关联，协同作用，使可靠性有了更大提高。

系统可以自动监测电网是否正常，当电网电压过高或过低及缺相时系统可以发出报警信号并自动停止系统的运行。

系统全程控制卷扬机的转速，可有效地防止失速或超速运行。

具有电动机检测功能，对电动机的相关参数进行自动检测，确定电动机的转矩提升、直流制动电压、原始电阻等参数，可更加有效地拖动电动机及对电动机实施保护。

具有电动机温度检测功能，当电动机由于长时间低速运行而温度过高时，系统可以提前发出预警信号;当温度继续升高威胁电动机安全时，系统可自动停止运行并报警。

当系统运行时，会时刻检测电动机电流;当电动机过流、相间短路或断路及接地时，会自动停止以保护电动机。

当卷扬机过卷时，系统自动停止卷扬机的运行，安全抱闸，只有反向运行信号才可开动卷扬机。

系统可与信号回路联锁，只有当信号有允许开车指令时才可开动卷扬机。

到达减速点时，可自动降低运行速度。

增设了“紧急制动”按钮和“非常制动”按钮，以提高制动的可靠性。

一般地，当变频器发生故障时，系统自动输出异常信号，控制系统安全抱闸。

如果自动抱闸线路出现故障而不能准确执行功能时，操作“紧急制动”按钮可以紧急制动;如果“紧急制动”功能也失效，则可起用“非常制动”，按下该按钮，即可切断接触器线圈的控制电源，直接启动抱闸装置，从而达到最可靠的制动。

4.变频器

主控制变频器意外故障需要检修时，有可能造成罐笼悬在井筒中，如果罐笼中有工作人员的话，会造成人员在井筒中长时间停留。

为解决这一问题，系统设计有一套备用的小功率变频拖动系统，通过减速器与主电机轴相连。

当主控制变频器故障时，系统可以切换到备用系统，以较慢的提升速度将人员提升到安全地带，保障安全生产。

变频柜由变频器、泄放单元、泄放电阻等组成。

它通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速，因此调速范围很宽，可达到0～400Hz。

频率调节精度为0.01Hz，基本上实现了无级调速。

泄放单元包括开关电源、电压采样与处理电路、脉冲信号发生与触发电路、保护电路、IGBT驱动电路及IGBT功率模块等。

装置外设调节旋纽，可用来调节泄放的阈值电压和泄放速度。

装置分别与变频器和泄放电阻连接。

当卷扬机处于重力下滑时，电动机处于发电状态，由泄放单元和泄放电阻对再生能量进行吸收，从而对电机的转速进行控制。

针对本次矿山的实际情况，考虑到矿井将来需要延伸，电动机功率可能会加大，系统的主拖动变频器选用132kW功率等级，可拖动110kW电动机，备用拖动系统选用1台18.5kW变频器拖动1台15kW的6极异步电动机。

系统共配有泄放单元3台，与之配套的泄放电阻3组，泄放单元可在主拖动及备用拖动系统之间切换。

控制信号及保护信号的读取与联锁由1台工业可编程序控制器PLC来完成，以提高系统的可靠性和安全性。

除具有声光报警外，系统还可以选装大屏幕LED显示，实时显示卷扬机的运行速度，罐笼深度等数据。

作者:

李斌贵

地址:

湖北宜昌市三峡电力职业学院机电系

邮编:

443000

收稿日期:

2009－12－23

电磁桥式起重机大车轮缘断裂原因分析

王新华1高海生1江爱华1齐凯1谭莹2

1广州市特种机电设备检测研究院广州510180

2广东出入境检验检疫局技术中心广州510623

摘要:

对电磁桥式起重机断裂的车轮内侧轮缘进行理化分析，发现其理化性能均未达到相关标准要求。

结合力学分析，认为啃轨是造成起重机车轮失效的直接原因。

关键词:

电磁桥式起重机;断裂;车轮;啃轨

中图分类号:

TH218文献标识码:

A文章编号:

1001－0785（2010）11－0091－03

Abstract:

Thephysicalandchemicalanalysisforinsidewheelflangeofthefracturedcranewheeloftheelectromagneticbridgecraneshowsthatthephysicalandchemicalperformancefailstomeettherequirementsoftherelevantstandard．Combiningthemechanicalanalysis，therailgnawingisconsideredtobethedirectcauseforthewheelfailureofthecrane．

Keywords:

electromagneticbridgecrane;fracture;wheel;railgnawing

电磁桥式起重机（以下简称电磁桥机）是利用电磁原理搬运钢铁物品的桥机，车轮的性能及运行状态将直接影响到起重机的工作效率。

由于车轮在摩擦条件下工作，同时还承受冲击载荷，因此，要求车轮表面具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度，心部还要求具有一定的塑性和韧性。

在正常情况下，一般轻、中级工作级别的起重机的车轮经工频深层淬火后可用10a甚至更长，重级及冶金起重机的车轮经工频深层淬火后可使用5a左右。

国内某造船厂露天堆场新安装的7台电磁桥机在投入使用不到1a的时间里，有3台出现小车轮缘断裂，严重影响了正常的生产。

电磁桥机小车车轮的型号为SL－600×150，属于双轮缘车轮，材料型号为ZG50SiMn。

为查明轮缘断裂原因，避免生产事故的发生，本文利用理化检验技术对该起重机车轮轮缘失效进行了分析。

1.理化检验

1.1.宏观分析

车轮直径为600mm、宽度为100mm、轮缘高度为20mm。

该起重机车轮在使用不到1a时间出现较严重的啃轨现象，并且所有车轮均为内侧啃轨，发生断裂部位均在内侧轮缘根部。

现场检查发现，断裂的内侧轮缘向里发生了较大弯曲，说明在断裂前轮缘经历了较大的塑性变形。

经检查，车轮其他部位未出现裂纹、疤痕和气泡等明显的缺陷，见图1。

1.2.化学成分分析

依据YB/T036.3—1992《冶金设备制造通用技术条件铸钢件》中对ZG50SiMn化学

成分规定，采用美国LCP电感耦合等离子光谱发生仪，在断裂脱落的轮缘基体上取样进行化学成分分析，结果见表1。

可知车轮基体的化学成分中C含量满足标准要求，但S含量偏高，Si、Mn含量明显偏低。

1.3.显微组织分析

在轮缘断口附近切取试样进行显微组织分析。

经含有洗涤剂的超声波清洗机中清洗，干燥、磨光、抛光后利用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀。

金相组织依据GB/T13298—1991《金属显微组织评定方法》，采用DMM－440C倒置金相显微镜进行观察，显微组织观察依据GB/T17359—1998《扫描电子显微镜分析方法通则》，采用日立S－3400N电子显微镜进行观察，组织由白色铁素体+黑色珠光体组成，铁素体沿原奥氏体晶界分布，数量相对较少，未发现粗大的魏氏组织，基体上分布较多的气孔和黑色夹杂物，气孔约为10μm，黑色夹杂物约为2μm，且在气孔四周有1层白色区域，见图2，厚度约为2μm，对气孔进行能谱分析，见图3，表明气孔周围S含量较多，且四周的白亮层是脱碳层，可见在车轮铸造工艺过程中产生了大量的气孔和夹杂。

1.4.硬度检验

对轮缘断裂部分取样进行硬度检验，结果表明最高硬度为23.6HRC，最低硬度为20.6HRC。

根据JB/T6392.2—1992《起重机车轮技术条件》，起重机轮缘内侧表面的硬度要求为（300～380）HB，为（31.5～40.8）HRC，可见其硬度值远未达到标准要求值，初步认定该车轮未采用合理的热处理工艺。

2.分析与讨论

理化检验的结果表明，车轮的化学成分、显微组织和硬度等理化指标均未达到相关标准的规定，表明该车轮的质量不合格。

根据硬度测试结果可知，断裂轮缘处的硬度远小于其技术要求的硬度范围（31.5～40.8）HRC，说明该车轮未按工艺要求进行淬火。

该车轮轮缘硬度低，导致其疲劳强度降低，因而在运行过程中就很容易在外力作用下发生疲劳开裂。

该堆场7台起重机均存在不同程度的啃轨现象，严重的啃轨会使车轮和轨道快速磨损，并在短时间内报废。

起重机在使用过程中，车轮内侧主要受到外加载荷和起重机自重产生的静载荷PG，工作时产生的水平动载荷PH，小车在沿轨道运行产生的冲击载荷以及与轨道侧面的摩擦力PS，车轮断裂部位的受力状态主要为由于纵向冲击载荷与轨道产生的压应力。

在设计时，起重机的大车车轮轮缘应与轨道保持一定的间隙，一般规定车轮踏面比轨道顶面宽30～40mm。

桥机在正常运行时，车轮轮缘贴着轨道侧面，轮缘与轨道的侧面有轻微的摩擦，也属于正常的导向作用，不会承受太大的侧向水平动载荷和摩擦力，通常是装载和卸载过程中的振动造成，并不影响起重机的使用。

经现场调查，该批起重机安装地点为填海形成的陆地，起重机在运行一段时间后，地基发生了不均匀的下沉，致使轨道间距侧轨减小，而车轮跨度不变，从而导致轨道间距与车轮跨度不匹配，后者小于前者，车轮与轨道严重抵触，内轮缘紧贴着轨道侧面运行，产生较大的摩擦阻力和侧向力，车轮快速磨损，强度下降，轮缘内侧在高应力作用下发生塑性变形，并最终断裂失效。

3.结论与建议

（1）未按要求对车轮进行淬火处理，致使材料的力学性能未达到设计要求，疲劳强度降低。

（2）起重机车轮啃轨导致车轮内缘受较大的摩擦力与侧向力作用，严重地磨损和塑性变形，强度降低。

参考文献

［1］郭士红.桥式起重机车轮啃轨原因与解决方法［J］.起重运输机械，2007（10）:

80－87．

［2］王首成，李万录.起重机啃轨原因分析与防护对策研究［J］.起重运输机械，2007

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［3］秦紫瑞，赵军，钟蕊，等.ZG50SiMn铸钢车轮性能的改善［J］.起重运输机械，1993（10）:

30－33．

［4］黄振东.钢铁金相图谱［M］.北京:

中国科技文化出版社，2005．

作者:

王新华

地址:

广州市越秀区六榕路65号六榕大厦广州市特种机电设备检测研究院研发中心

邮编:

510180

收稿日期:

2010－05－28