[发明专利]基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳损伤状态的定量评估，更特别地说，是指一种采用双谱分析 法对港口大型机械设备中的在役16锰钢(16Mn钢)承力件进行疲劳损伤状态定 量评估的系统。

背景技术

港口大型机械设备中的岸边设备：如装船机、卸船机、抓斗机等，常应用16Mn 钢作为关键承力件。岸边设备在使用一段时间后，作为主要承力件的16Mn钢的疲 劳损伤状态对整个岸边设备的使用寿命将造成重要影响。

16Mn钢是结合我国资源情况(锰是我国富产元素)发展起来的一种低合金钢， 已被广泛使用。16Mn钢承力件在服役一定的时间后，时常会发生一些失效事故， 而损伤是造成其失效的主要原因，为此要对其损伤状态作出定量评估，及时、正确地 评价16Mn钢承力件的损伤等级，为其安全运行及寿命预测提供依据。

声发射技术(Acoustic Emission Technique)因具有动态、实时检测等优点， 已广泛的应用于结构和构件的损伤检测。实践表明，材料在受载荷作用时会发生不同 程度的损伤，而损伤状态的变化会导致声发射波形信号特征发生一系列变化。例如在 在受疲劳载荷作用时材料的裂纹，或类似于裂纹的缺陷会发生扩展，即裂纹从稳定扩 展状态向失稳扩展状态的转变，这些损伤状态转变都将引起声发射波形信号幅度、相 位、频率的变化；因此有必要利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件疲劳损伤状 态的工具。

双谱分析法是信号处理领域非常有用的重要分析工具。它能有效的分析处理非 高斯、非线性、非因果信号和高斯有色噪声及盲信号。它从更高概率结构表征随机信 号，可弥补二阶统计量(功率谱)不合相位信息、不能提取更多有用信息的缺陷，具 有高分辨率和强抗噪声能力等优点。以声发射波形信号数据为基础的双谱分析方法可 获得信号的定量谱特征，因此可以将双谱分析法应用于疲劳损伤状态的声发射信号处 理中，从而得到疲劳损伤状态的定量表征与评估。

随着现代工业日益向大规模、高效率发展，作为港口重要物流装备的大型岸边 起重机械，具有以下几个特点：

1、目前使用中的很多大型起重机是上世纪60年代至70年代我国自行设计制造 或从东欧进口，还有少数是从美、日等国进口的二手设备，按设计寿命20～ 25年考虑，很多设备也已进入服役后期或超期服役阶段；

2、由于绝大部分机械构件服役时承受交变载荷，因此失效形式大部分为疲劳失 效。据统计，由机械故障引起的事故中，80％以上与材料的疲劳损伤有关；

3、目前的损伤检测方法在大型钢结构检测方面都存在不同程度的局限性，如超声 波检测和磁粉检测等方法对起重机进行的部分抽样检测，盲目性大、易出现漏 检且检测的周期长，工作量大，费用昂贵；

4、预警评估系统目前尚不完善，目前应用的分析判别技术还不能对起重机承力件 的疲劳损伤做出准确的预警和安全评估，尤其是我国港口大型机械设备安全事 故时有发生，其中，超载引起的拉伸疲劳损伤是港口大型岸边起重装备承力件 主要的损伤模式之一。

因此，为确保大型岸边起重机械安全可靠的运行，须对承力件进行检测、判断疲 劳损伤状态，从而进行安全评估。

发明内容

为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于疲劳损伤导致的16Mn钢承力 件突然断裂造成的损失，本发明提出一种采用声发射技术对在役16Mn钢承力件进 行监测，得到声发射波形信号表示的疲劳损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其疲 劳损伤状态进行定量评估。应用本发明的监测结果能够对16Mn钢承力件疲劳损伤 状态进行定量的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。

本发明的一种基于双谱分析的在役16锰钢承力件疲劳损伤状态表征与定量评估 系统，该系统由原始波形信号提取单元(1)、疲劳损伤状态矩阵分析单元(2)、疲 劳损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成；

其中，疲劳损伤状态矩阵分析单元(2)由双谱估计模块(21)、双谱对角切片 模块(22)和疲劳损伤状态矩阵分析模块(23)组成；

所述的疲劳损伤状态矩阵分析模块(23)由疲劳损伤状态特征峰频分析模块 (23A)、疲劳损伤状态平均峰频指数计算模块(23B)和疲劳损伤状态最大峰频指 数分析模块(23C)组成；

原始波形信号提取单元(1)对接收的多路传感信息S_n进行模数转换后输出声发 射波形信息f₀(T)；