基于双谱分析的在役１６锰钢承力件形变损伤状态表征与定量评估系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双谱分析的在役１６锰钢承力件形变损伤状态表征与定量评估系统，该系统的原始波形信号提取单元（１）对多路传感信息Ｓｎ进行模数转换后输出声发射波形信息ｆ０（Ｔ）；双谱估计模块（２１）采用双谱分析法对声发射波形信息ｆ０（Ｔ）进行处理得到双谱估计Ｂ（ω１，ω２），然后双谱对角切片模块（２２）对双谱估计Ｂ（ω１，ω２）进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω（Ｆ），最后形变损伤状态峰值频次分析模块（２３Ａ）对角切片信息ω（Ｆ）进行处理输出形变损伤状态矩阵Ｋ＝［Ｎ，Ｆ０，Ｄ０］给形变损伤等级评定单元（３）和预警单元（４）进行评定和报警。本发明专利技术通过声发射技术对在役１６Ｍｎ钢承力件进行监测，得到声发射信号表示的形变损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其形变损伤状态进行定量评估，并评定形变损伤等级。应用本发明专利技术能够对１６Ｍｎ钢承力件形变损伤状态进行直观、定量、实时的评估判断，从而做出预警，减少装备及人员伤亡等损失。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对港口大型机械设备中的承力件进行形变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，对在役16锰钢(16Mn钢)承力件的形变损伤状态进行表征和定量评估的系统。
技术介绍
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钢的形变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。例如在受静拉伸载荷作用时会发生弹性损伤状态转变为屈服损伤状态，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；因此可以利用声发射技术作为监测16Mn钢承力件形变损伤状态的工具。 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)不含相位信息、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形变损伤状态的声发射信号处理中，从而得到形变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、任务重，随着生产规模的扩大，许多起重机的工作日趋繁重，超载的情况也时有发生； 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形变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，超载引起的拉伸形变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、判断形变损伤状态，从而进行安全评估。
技术实现思路
为了减少大型岸边起重机械在使用过程中，由于形变损伤导致的16Mn钢承力件突然断裂造成的损失，本专利技术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形变损伤状态信息，并采用双谱分析方法对其形变损伤状态进行定量评估。应用本专利技术的监测结果能够对16Mn钢承力件形变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。 本专利技术的基于双谱分析的在役16锰钢承力件形变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)、形变损伤状态矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成； 其中，形变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)和形变损伤状态矩阵分析模块(23)组成； 所述的形变损伤状态矩阵分析模块(23)由形变损伤状态峰值频次分析模块(23A)、形变损伤状态特征频率分析模块(23B)和形变损伤状态频率指数计算模块(23C)组成； 原始波形信号提取单元(1)对接收的多路传感信息Sn进行模数转换后输出声发射波形信息f0(T)； 双谱估计模块(21)采用双谱分析法对声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)，然后双谱对角切片模块(22)对双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)，最后形变损伤状态特征峰频分析模块(23A)对角切片信息ω(F)进行处理输出形变损伤状态矩阵K＝[N，F0，D0]给形变损伤等级评定单元(3)进行形变损伤状态评定； 预警单元(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。 本专利技术基于双谱分析法对16Mn钢承力件形变损伤状态进行评估的系统优点在于 (A)本专利技术使用双谱分析方法，将声发射波形信息定量化，得到了反映16Mn钢承力件的形变损伤状态的定量参数。这种方法较传统的频谱分析方法更为直观准确，并且具有定量化的特点，便于对16Mn钢的形变损伤状态做出正确的评估。 (B)本专利技术结合声发射技术与双谱分析方法，提出了16Mn钢的形变损伤状态矩阵，形变损伤状态矩阵通过形变损伤状态频率指数，形变损伤状态峰值频次以及形变损伤状态特征频率三个参量共同对形变损伤状态进行评估，使得评定结果精确可靠，大大减小了错误的概率。 (C)对形变损伤下的16钢承力件进行了形变损伤等级的划分和鉴定。可以简单易行地对未知形变损伤状态的16Mn钢承力件做出形变损伤状态、形变损伤程度的评价。 (D)使用本专利技术可以对工况下的16Mn钢承力件的形变损伤进行实时监测，出现危险情况时可及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。 附图说明 图1是声发射仪与多个传感器连接的简示图。 图2是声发射仪中存储有16Mn钢形变损伤状态定量评估系统的结构框图。 图2A是本专利技术形变损伤状态矩阵分析单元结构框图。 图3是声发射波形信息示意图。 图4是本专利技术的双谱对角切片图。 图中1.原始波形信号提取单元2.形变损伤状态矩阵分析单元 21.双谱估计模块 22.双谱对角切片模块 23.形变损伤状态矩阵分析模块 23A.形变损伤状态峰值频次分析模块 23B.形变损伤状态特征频率分析模块23C.形变损伤状态频率指数计算模块 3.形变损伤等级评定单元 4.预警单元 具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。 本专利技术通过在大型岸边起重机械的承力件上布置多个声发射传感器，并且多个声发射传感器的输出端分别与声发射仪连接。该声发射仪对接收到的多路传感信息应用本专利技术的16Mn钢形变损伤状态定量评估系统进行处理，从而对被测对象(大型岸边起重机械的承力件)的形变损伤状态进行定量评估。参见图1所示，一个声发射仪分别与声发射传感器A、声发射传感器B、声发射传感器C、……、声发射传感器N连接，通过多个声发射传感器实现对被测对象的多路声信息的采集。 所述的声发射传感器选取PAC公司生产的R15传感器。其共振频率为150kHz。 所述的声发射仪选取PAC公司生产的全数字式声发射系统。该声发射系统包括有主机系统和DiSP系统，本专利技术的16Mn钢形变损伤状态定量评估系统存储在主机系统的存储器中。该DiSP系统中的每通道具有高达2MHz的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双谱分析的在役１６锰钢承力件形变损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于：该系统由原始波形信号提取单元（１）、形变损伤状态矩阵分析单元（２）、形变损伤等级评定单元（３）和预警单元（４）组成；其中，形变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）和形变损伤状态矩阵分析模块（２３）组成；所述的形变损伤状态矩阵分析模块（２３）由形变损伤状态峰值频次分析模块（２３Ａ）、形变损伤状态特征频率分析模块（２３Ｂ）和形变损伤状态频率指数计算模块（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ｆ↓［０］（Ｔ）；双谱估计模块（２１）采用双谱分析法对声发射波形信息ｆ↓［０］（Ｔ）进行处理得到双谱估计Ｂ（ω↓［１］，ω↓［２］），然后双谱对角切片模块（２２）对双谱估计Ｂ（ω↓［１］，ω↓［２］）进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω（Ｆ），最后形变损伤状态特征峰频分析模块（２３Ａ）对角切片信息ω（Ｆ）进行处理输出形变损伤状态矩阵Ｋ＝［Ｎ，Ｆ↓［０］，Ｄ↓［０］］给形变损伤等级评定单元（３）进行形变损伤状态评定；预警单元（４）接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双谱分析的在役16锰钢承力件形变损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于该系统由原始波形信号提取单元(1)、形变损伤状态矩阵分析单元(2)、形变损伤等级评定单元(3)和预警单元(4)组成；其中，形变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)和形变损伤状态矩阵分析模块(23)组成；所述的形变损伤状态矩阵分析模块(23)由形变损伤状态峰值频次分析模块(23A)、形变损伤状态特征频率分析模块(23B)和形变损伤状态频率指数计算模块(23C)组成；原始波形信号提取单元(1)对接收的多路传感信息Sn进行模数转换后输出声发射波形信息f0(T)；双谱估计模块(21)采用双谱分析法对声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)，然后双谱对角切片模块(22)对双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)，最后形变损伤状态特征峰频分析模块(23A)对角切片信息ω(F)进行处理输出形变损伤状态矩阵K＝[N，F0，D0]给形变损伤等级评定单元(3)进行形变损伤状态评定；预警单元(4)接收到报警启动信号后，触发启动开关输出提示音。2.根据权利要求1所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件形变损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于原始波形信号提取单元(1)第一方面用于接收多个声发射换能器输出的传感信息Sn，第二方面对接收到的多路传感信息Sn进行模数转换后，提取出每种损伤状态下的发射信号幅值或者声发射能量的声发射波形信息f0(T)，第三方面将声发射波形信息f0(T)输出给形变损伤状态矩阵分析单元(2)。3.根据权利要求1所述的基于双谱分析的在役16锰钢承力件形变损伤状态表征与定量评估系统，其特征在于双谱估计模块(21)采用双谱分析法对接收到的声发射波形信息f0(T)进行处理得到双谱估计B(ω1，ω2)；双谱对角切片模块(22)对接收到的双谱估计B(ω1，ω2)进行对角切片分析得到双谱对角切片信息ω(F)；形变损伤状态峰值频次分析模块(23A)接受到对角切片信息ω(F)后，并根据ω(F)分析出形变损伤状态频次指数N，方法如下取ω(F)中归一化双谱值＞0的峰值个数作为形变损伤状态峰值频次N的取值，单位为个；形变损伤状态特征频率分析模块(23B)接受到对角切片信息ω(F)后，并根据ω(F)分析出形变损伤状态特征频率F0，方法如下取ω(F)中第一个归一化双谱值＞0的峰值频率作为形变损伤状态特征频率F0的取值，单位kHz；形变损伤状态频率指数计算模块(23C)接受到对角切片信息ω(F)后，并根据ω(F)计算出形变损伤状态频率指数D0，方法如下取归一化双谱值＞0的峰值频率，并把每个峰值归一化双谱值的大小作为该峰值频率的权值，得到所有归一化双谱值＞0的峰值频率的加权平均值，并把该加权平均值设定为形变损伤状态频率指数...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆红云，王宏伟，韩志远，钟群鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]