起重机械声发射动态监测技术研究进展

第２９卷第３期　２０１５年９月　南昌航空大学学报：自然科学版　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｅｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｖ０ｌ＿２９．Ｎｏ．３　

Ｄｅｃ．，２０１５　

起重机械声发射动态监测技术研究进展　何才厚　，吴　琼　，李秋锋　，胥凯晖。　（１．江西省特种设备检验检测研究院鹰潭分院，江西鹰潭３３５０００；　２．无损检测技术教育部重点实验室（南昌航空大学），南昌　３３００６３；　３．中国人民解放军９４８２９部队）　

［摘要］在我国主要重工业行业中，起重机械起到中流砥柱的作用，超负荷运行使得起重机械事故日趋上升。声发射技术　是一项动态监测技术，相对常规无损检测方法，这种技术可在起重机运行状态下进行检测，不影响起重机正常作业，其具有很　大的发展潜力。根据目前起重机械无损检测中情况，分析了声发射技术在起重机械监测中的应用现状，对现在国内外起重机　械声发射检测中存在的几个重要问题进行了探讨，如声发射源信号获取、声发射源的准确定位和定量问题。最后，根据目前　的研究现状，提出了对几个重要问题解决思路，可让这项监测技术获得更进一步的应用和推广。　［关键词］起重机械；声发射技术；动态监测　［中图分类号］ＴＨ８７８　［文献标志码］Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４９２６．２０１５．０３．００７　［文章编号］１００１—４９２６（２０１５）０３—００３８—０７　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｌｉｆｔｉｎｇ　Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ　ｂｙ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＨＥ　Ｃａｉ－ｈｏｕ　，ＷＵ　Ｑｉｏｎｇ　，ＬＩ　Ｑｉｕ－ｆｅｎｇ　，ＸＵ　Ｋａｉ－ｈｕｉ　（１．Ｙｉｎｇｔａｎ　Ｂｒａｎｃｈ　ｏｆＳｐｅｃｉａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＪｉａｎｇｘｉ，Ｙｉｎｇｔａｎ　Ｊｉａｎｇｘｉ　３３５０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００６３，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｇｒｏｕｐ　９４８２９　ｏｆＰＬＡ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｖｙ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ，ｔｈｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｍａｉｎｓｔａｙ　ｒｏｌｅ，ａｎｄ　ｈｏｗｅｖｅｒ　ｔｈｅ　ｃｒａｎｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｒｉｓｅｓ　ｄａｙ　ｂｙ　ｄａｙ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｏｖｅｒｌｏａｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ（ＡＥ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ　Ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒａｎｅ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒａｎｅ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｂｅ　ａｆｆｅｃｔｅｄ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａ１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＡＥ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｈｅａｌｔｈ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ａｂｏｕｔ　ＡＥ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｓｕｃｈ　ａｓ　

［收稿日期】２０１５—０７—１８　［修回日期］２０１５—０９—１５　［基金项目］国家自然科学基金（１１２６４０３２）；江西省自然科学基金（２０１２２ＢＡＢ２０ｌｏ２４）；国家质检总局科技计划项目（２０１３ｚｊｊｚｌ８０）；航空科学　基金（２０１４ＺＤ５６００７）；上海航天科技创新基金（ＳＡＳＴ２０１３６４）；江西省教育厅科技项目（ＧＪＪ１４５３０）　［作者简介］何才厚（１９５８一），男，高级工程师，江西省特种设备检验检测研究院鹰潭分院院长。主要研究方向：特种设备检测。　

刍蜃巍官士謦学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　自然科学版………・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　第２期　何才厚，吴琼，李秋锋，等：起重机械声发射动态监测技术研究进展　・３９・　ｈｏｗ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｒｏｍ　ＡＥ　ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｔｏ　ＡＥ　ｓｏｕｒｃｅ．Ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｆｔｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　

引言　１声发射技术及应用　起重机械已成为现代工业发展必不可少的重　要工具，因其能够极大地减轻劳动强度，提高生产　效率，在搬运和装卸中发挥着重要作用¨　。随着　现代工业向大规模、多元化、高效率的方向高速发　展，起重机械的工作量日趋繁重，造成起重机械超　负荷工作运行现象增多，许多在役起重机械还是２０　世纪７０—８０年代甚至更早制造的，一些金属结构　相继出现故障，因此由起重机械引起的事故日益增　多，并呈上升趋势　。　起重机械的疲劳失效主要发生在金属结构连　接部分，在数十年的长期服役中，其主要金属承力　构件不断经受重载荷的反复作用等因素影响而产　生疲劳损伤　］，目前发现的主要失效模式有疲劳裂　纹、原焊缝缺陷引起裂纹、材料变形导致断裂和锈　蚀导致损伤等　］。利用常规无损检测技术对起重　机械进行检测耗时费力、花费大　。目前采用的常　规方法是在起重机械停止作业的状况下进行，通常　这些检测方法都能对指定部位进行检测并获得相　对理想的定位和定量结果，但这些方法都有着应用　局限和不足之处，如对目标外形较敏感、要在近距　离检测、仅能对局部进行扫查、检测时需处于停机　状态等，对于检测缺陷只能按照相关的标准全部检　修或进一步按照金属结构失效分析与寿命预测理　论（比如Ｍｉｎｅｒ准则）进行评定　’　。在实际检测　中，由于起重机械结构和体型庞大，常规检测使停　工周期延长，还动用大量的人力物力，既不经济也　于生产不利。常规无损检测在实际在线监测和安　全评价中无法实施　Ｊ。　声发射技术是一种动态无损检测技术，即在被　检构件或材料内部结构损伤或潜在微损伤处于连　续变化过程中实现无损监测，其利用在外力作用下　材料内部微损伤萌生和扩展时能动的释放声波，并　依据声波中的声学信息评估缺陷部位和状况＿１。。，基　本原理如图１所示。　

图１声发射技术基本原理　由于声发射技术具有连续、实时监测、对被检　目标外形不敏感、对目标的可接触性要求不高等特　点，且对于材料微裂纹萌生和扩展非常敏感，在结　构完整性评价及结构破坏全过程分析中已成为重　要检测方法　¨，现在许多行业中得到了应用。刘武　刚等利用二级轻气炮发射铝弹丸撞击铝板来模拟　空间碎片对航天器舱壁结构的撞击，通过对声发射　信号的分析处理，得到了成坑深度、损伤直径与声　发射特征之间的经验公式ｌ】　；郝永梅等建立了充气　管道泄漏声发射检测系统模型，对管道泄漏声发射　信号的时域统计特征、频域分布特征以及泄漏信号　的相关性作了分析，用互相关法具有较好的定位精　度　副；Ｓｔｅｐａｎｏｖａ等¨　提出采用声发射检测车辆铸　件的技术方法，可以根据声发射信号中的丰富信　息，判断车辆的损伤程度和预测铸件的使用寿命，　南昌航空大学学报：自然科学版　第２９卷　取得了很好的效果，可以提高铸件使用可靠性和降　低报废率；Ｄａｖｙｄｏｖａ等¨　在声发射检测中提出欠阈　值处理方法记录测试结果，可以实现信噪比小于１　的声发射信号的识别和提取。在航空无损检测中，　声发射技术已经被用于动态实时监测飞机飞行安　全的研究中，如吴克勤等采用声发射技术进行飞机　水平尾翼疲劳损伤实时监测研究，王文友等　珊　采　用声发射技术进行飞机关键零部件疲劳损伤实时　监测研究，冯剑飞和耿荣生等更是通过分析声发射　特性，对机体飞行状况进行实时监测研究，都取得　了比较满意的效果；Ｒｏｕｅｔ等　在欧盟项目ＴＲＩＡ．　ＤＥ中，采用了声发射技术在航空结构健康监测传　感系统的技术构建模块中对各种飞行状态下的状　况进行监测，取得了较好的效果。　２起重机械声发射检测技术研究现状　对于起重机械检测，声发射技术可实现结构状　态的整体监测，具有重要的工程应用价值和实际意　义　。１９８５年，ＡＳＴＭ制定标准ＡＳＴＭ　Ｆ９１４－－２００３　《绝缘高耸载人设备的声发射检测的标准测试方　法》，这种测试方法提供了在固定载荷作用下，绝缘　载人高耸设备中的局部声源因快速释放能量而导　致的瞬态应力波的评价方法。在受控预定载荷作　用下，产生能量释放，这些释放的能量能被仪器检　测到，并由具备相关资质的工程技术人员解释和评　价。但目前我国在应用声发射技术对起重机械无　损检测方面还处在初步研究阶段，实现工程应用还　有很多问题需要解决。　２．１标准　２０世纪８０年代国外一些标准化组织相继提出　声发射检测相关标准和规范，其中以美国ＡＳＴＭ标　准数量最多　Ｊ。我国是在２０世纪９０年代开始起　步，制定了１个声发射基础标准《声发射检测仪性　能测试方法》和《单通道声发射检测方法》等５个声　发射应用标准，到目前为止共颁布的声发射基础标　准共有４个和声发射应用标准共有７个，主要在金　南暑鸵官女謦学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｈａｎｇｋｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　自然科学版………・Ｎａｔｕ　ｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　属压力容器和复合材料检测领域中。　目前国外起重机械声发射检测标准仍然是参　照美国ＡＳＴＭ　Ｆ９１４－－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》、Ｆｌ４３０—　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》等标准　。而在我国尚没有颁布　相关起重机械声发射检测标准，当前检测执行标准　是参照ＧＢ／Ｔ　１２６０４．４—２００５《声发射检测术语》等　４个声发射基础标准和ＧＢ／Ｔ　１８１８２－－２０１２（金属压　力容器声发射检测及结果评价方法》等７个声发射　应用标准执行，特别是２０１２年最新修订的《金属压　力容器声发射检测及结果评价方法》标准中，主要　是根据各加载阶段声源事件数进一步细化了４个　声源活性等级，并用前５个最大的能量、幅度或计　数特征参数的平均值划分了３个声源强度等级；最　后根据各个声源活性和强度等级分别完成对被检　目标的综合评级分级，确定缺陷的严重程度　ｊ。　２．２应用现状　全球经济快速发展，起重机械在工业生产中扮　演着非常重要的角色，其是物资装卸、安装、运输的　重要设备，有时甚至会把起重机械的数量作为衡量　城市的一个指标。为了保证这些设备的正常工作，　对其进行安全检测是必不可少的。而目前对于起　重机械的声发射检测还主要是围绕轴承、变速箱和　钢丝绳等开展。　在国外对起重机械的声发射研究要追溯到　１９６９年，Ｂａｌｅｒｓｔｏｎｔ¨２　用声发射检测技术对旋转轴　承中的人工缺陷进行识别；后来Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ等对不　同工作状况下的轴承内圈和滚子进行声发射检测　研究，发现特征参数中振铃计数可以有效反映出轴　承内部及滚柱缺陷，且计数值对于极小缺陷的灵敏　度很高，可适用于早期的故障检测＿２　；Ａ１一Ｇｈａｍｄ等　研究了滚动轴承在受载情况下的内、外环故障的声　发射检测，在强噪声的条件下利用ＲＭＳ值、能量、　峰值和计数值等几个特征参数进行对比分析，发现　几个特征参数都能够不同程度的反映出损伤的变