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港口起重机钢丝绳失效过程中的磁化性质研究 -董熙晨

摘要:基于起重机钢丝绳滑轮疲劳试验台,运用钢丝绳的磁检测技术,研究了钢丝绳周向漏磁场强度随疲劳循环次数的变化规律,发现随着疲劳程度的增加,钢丝绳周向漏磁场强度逐渐增大,磁导率逐渐减小,且沿钢丝绳轴向长度的分布越来越不均匀.研究表明,可以通过分析磁化性质的变化判断钢丝绳的疲劳程度.

  关键词:钢丝绳;疲劳;漏磁场

  中图法分类号:TG115.28+4 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2013.03.051


  引言

  港口起重机钢丝绳的失效模式主要是弯曲疲劳与磨损的叠加,在失效的过程中,其磁化性质也在不断变化.过去对钢丝绳的失效研究主要是分析钢丝绳的受力[1]、滑轮/钢丝绳直径比[2]、钢丝绳构造型式及材质[3]、绕制工艺[4]、滑轮材质、滑轮绳槽形状[5]、润滑等影响因素,少见对钢丝绳磁化特性在失效过程中的变化进行研究的文献资料.实际上,在失效过程中,除了断丝、磨损、腐蚀对钢丝绳周边漏磁场产生较大的扰动外,钢丝材质的微结构变化也会使整个钢丝绳的磁化特性发生变化,对钢丝绳的周向漏磁产生一定影响.因而研究钢丝绳周向漏磁场的强弱随钢丝绳疲劳损伤过程发生的变化,对于监测钢丝绳的疲劳破坏及预估寿命有实际意义.


  1 铁磁材料的磁化性能与钢丝绳疲劳失效

  1.1磁化性能

  铁磁材料磁化性能的主要参量[6]:磁导率、矫顽力、剩磁强度、饱和磁感应强度和最大磁能积.磁化性能与材料的成分、微结构和缺陷有密切关系.从微观角度看,磁化过程大致分为4个阶段:第一阶段是畴壁的可逆位移;第二阶段为不可逆磁化阶段,材料的磁化强度急剧增加,磁畴畴壁的发生跳跃式移动,磁畴结构体积大幅增加,这2种方式是不可逆的;第三阶段是磁畴磁矩的转动,即磁矩方向转向外磁场方向,转向既可以是可逆的,也可以是不可逆的;第四阶段是趋近饱和阶段,尽管外磁场强度增加很大,内部磁化强度的增加却极为缓慢,磁化强度的增加主要靠磁矩的可逆转动来推动的.

  从上述的磁化过程4个阶段看,磁化过程就是磁畴结构变化的2种方式:畴壁移动和磁畴磁矩的转动.磁畴结构的运动与磁导率的大小紧密相关.畴转和壁移容易产生,则材料的磁导率就高,否则便低.

  1.2影响磁畴运动的因素

  1)畴壁移动的阻力畴壁移动是有阻力的,如没阻力,则材料的磁导率将是无穷大.畴壁移动的阻力来自材料的内应力、参杂、弥散磁场非均匀区.其中内应力和参杂是主要阻力.

  2)磁畴磁矩的转动磁矩转动的障碍主要来自磁晶各向异性能、磁弹性能、内部退磁场.磁晶各向异性能将磁矩往易轴方向拉动.磁弹性能使磁矩向应力方向转动.对于磁致伸缩系数为正的材料,张力将使磁矩更容易向应力方向转动.内部退磁场使磁矩向退磁场方向转动.

  1.3钢丝绳的疲劳失效

  钢丝绳的疲劳失效是一个累积损伤过程.从物理上讲是微结构变化的累积过程,从力学上讲是宏缺陷的产生与扩展过程.钢丝绳内部材料的微结构变化包括:位错滑移、微空洞扩散、微裂纹扩散等.钢丝在弯曲、扭转、拉伸、挤压等应力的反复作用下,会产生大量的微空洞和微裂纹,微裂纹逐渐聚合成宏裂纹,宏裂纹的扩展最终导致疲劳断裂发生.根据前面的分析,钢丝的疲劳过程所产生的材料微结构变化对钢丝的磁化性质有一定的影响.钢丝内部微结构变化产生的应力场阻碍畴壁移动和磁畴磁矩的转向,紧靠微裂纹的畴壁移动会有较大阻力,微裂纹越多,裂纹越大,畴壁移动就越困难,因而钢丝的磁导率降低,矫顽力升高.从以上分析得出一个结论:铁磁材料的矫顽力、磁化参量、磁导率等灵敏地依赖于材料的缺陷.这些结论提供了磁检测技术监测钢丝绳疲劳失效的理论基础.


  2 钢丝绳疲劳失效漏磁场监测试验

  2.1试验装置

  试验在武汉理工大学交通部港口装卸技术重点实验室的钢丝绳滑轮疲劳实验机上进行[7-8].该实验机基本原理与组成:2大滑轮组对称布置,长行程往复运行,分区多弧段历经滑轮组,单卷筒并行收放,全自动电液伺服计算机控制,交流变频,液压加载,可变张力、可变行程、可变速度.配备先进的传感器组成计算机辅助检测系统.实验机原理及基本结构见图1.

  实验选用直径30mm多层抗旋转钢丝绳,该结构形式钢丝绳的失效从内部开始,断丝首先发生在外层股与内层股之间,而在钢丝绳外部没有可见的视觉特征.

  2.2选定监测段

  试验开始前,需确定监测绳段.被监测段分为2大段:一绳段不经过滑轮,只作直线往复运动,称为A段;另一绳段经过多个滑轮,作往复弯曲运动,称为B段.为了保证测试数据的可比性,实验过程中钢丝绳张力为恒定不变,其他实验参数也保持不变.

  2.3监测记录

  在安装好钢丝绳,调整好实验机参数,往复运动开始前,首先测取这2个监测段的漏磁场信号作为基准值.经过1万次往复循环,停机测取监测绳段漏磁信号.随后,每隔5千次循环测取监测段的漏磁信号,直到5万次后完全报废.共测取了12组漏磁信号,对应的往复循环次数为:0次、1万次、1.5万次、2万次、2.5万次、3万次、3.5万次、4万次、4.5万次、5万次、5.5万次、6万次.

  2.4过程分析

  监测段A不经过滑轮,但经过卷筒,受张力作用.由于作直线往复运动,往复变向时有一惯性力的冲击,这些因素激发钢丝绳内部的应力波动.

  监测段B经过多个滑轮,受弯曲、拉伸、挤压等综合作用.5.5万次循环后,钢丝绳外部发现零星断丝.经过6万次循环停止实验.把监测段B拆开,发现内部有密集断丝.

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  3 钢丝绳漏磁监测信号分析

  3.1监测段A的漏磁信号分析

  依据所测得的原始漏磁信号,计算单位捻距下的检测数据均值和波动均方根值并画出变化趋势图,见图2.从图2a)可知,均值数据随循环次数增加而减少.这说明钢丝绳周围的漏磁场在减弱,此段钢丝绳的磁导率在增加.从图2b)可知,均方根值随循环次数的增加而大幅下降,3.5万次循环后与循环开始前相比,平均下降了约40%,这说明钢丝绳周向的漏磁场沿绳长方向随循环次数增加,波动趋于平稳、波动强度趋弱,钢丝绳磁导率沿轴向分布趋向均匀.但在实验的循环后期,均值和均方根值都在缓慢上升,说明已经有材料疲劳特征出现此段钢丝绳在试验中,除了绕入和绕出卷筒外,基本只作直线往返运动,在张力及来回运动的惯性力作用下,沿钢丝绳轴向磁化特性有明显变化,磁导率增加且沿绳长方向分布趋于均匀.从本质上讲,这是铁磁材料磁弹效应所致.因为钢丝绳轴向有张力作用,且钢丝绳不断振动,使钢丝绳内部以及钢丝的内应力分布发生变化,钢丝材料晶体的易磁化方向会偏向张力方向,即磁畴更容易向钢丝绳轴向方向转动,从而增加了张力方向的磁化强度,使该方向的磁导率增加.

  3.2监测段B的漏磁信号分析

  依据检测的原始信号,计算单位捻距下的检测信号的均值和波动均方根值并画出变化趋势图,见图3.下面分阶段分析此段钢丝绳的磁导率在疲劳试验中的变化趋势.

  1) 试验初期0次循环至2.0万次循环期间,均值随循环次数增加而下降.这说明试验初期,钢丝磁导率增加,钢丝绳周向漏磁场减弱,其原因与A段分析结果一致.

  2)试验中期2.5万次循环至4.5万次循环期间,均值随循环次数缓慢增加,波动不大.这说明试验中期,此段钢丝漏磁密度变化不大,磁导率变化也不大.考虑到A段的“钢丝绳在张力的反复作用下磁导率逐渐上升”分析结果,又由于B段钢丝绳在试验中期已经有疲劳损伤,弯曲疲劳损伤造成的磁导率下降与张力作用下的磁导率上升共同作用下,此段钢丝绳的磁导率在期间变化不大.

  3)试验后期4.5万次循环至6.0万次循环期间,均值随循环次数增加而上升.这说明试验后期钢丝绳磁导率明显下降,漏磁场强度趋大.与A段的试验工况相比较,可以看出B段磁导率的下降是钢丝绳内部钢丝弯曲疲劳失效所致,这里面除了内部断丝造成的磁导率下降外,还应包含钢丝材质结构变化所导致的磁导率降低.

  图3b)为信号的均方根值.试验初期,0次循环至2.0万次循环期间,均方根保持在较低值波动,从2.5万次循环开始,均方根值逐步上升;在5万次和6.0万次循环中,均方根值保持较高数值.这说明漏磁信号随循环次数增加,波动强度大,沿钢丝绳轴向长度的磁导率分布越来越不均匀.这里面有多层股钢丝绳内部断丝造成的分布不均,同样也有钢丝材质发生结构变化所导致的磁导率不均匀.此段钢丝绳磁导率的变化趋势与A段钢丝绳磁导率的变化趋势正好相反.显然,试验结果为磁检测技术监测钢丝绳疲劳程度提供方法.

  4 结论

  在新型的港口起重机钢丝绳滑轮综合性能试验台上,基于铁磁理论和钢丝绳磁检测技术,本文完成了多层股钢丝绳疲劳失效的漏磁场强弱变化的监测试验,深入研究了钢丝绳周向漏磁场强度随疲劳循环次数的变化规律.研究结论如下.

  1)只受张力和只作直线往复运动的绳段,其轴向磁导率初期随循环往复运动次数的增加而增加,而后趋向稳定,该绳段部分的漏磁场减弱并稳定.

  2)在滑轮上作反复弯曲运动的绳段,其轴向磁导率随循环次数增加而降低,沿绳长分布趋向不均匀,漏磁场强度逐渐增加且波动大.钢丝绳疲劳失效漏磁场监测研究表明:用漏磁检测法监测多层股钢丝绳疲劳失效是一个可行的方法,工程上有潜在应用价值.本文的研究成果对钢丝绳电磁检测技术的推广应用有重要的意义.

  第3期 董熙晨,等:港口起重机钢丝绳失效过程中的磁化性质研究 ·665·


  参考文献

  [1]GEORGEA.Theory of wire rope[M].New York:Springer,1997.

  [2]FEYRERK.Wire ropes:Tension,endurance,reliabilityEM].NewYork:Springer,2007.

  [3]COSTELLOGA.Theory of wire rope[M].2nd.New York:Springer Verlags,1997.

  [4]范旭琪.热处理工艺与钢丝绳疲劳寿命关系的探讨[J].金属制品,2000,26(3):21—23.

  [5]廖红卫.钢丝绳的疲劳行为特性与损伤机理研究[D].武汉:武汉理工大学,2006.

  [6]钟文定.铁磁学:中册[M].北京:科学出版社,1998.

  [7]周强,陶德馨,肖汉斌.新型钢丝绳:滑轮综合性能实验机的开发[J].实验技术与管理,2003,20(4):33—35.

  [8]V0R0NTS0V A,V0L0KH()VSKY A.Combined approach to damaged wire ropes life-time assessment based on NDT results and rope mechanics[c]//9th International Conference on Damage Assessment of Structures(DAMAS2011),Cardiff,WaIes,UK:278—286.

  Study on the Magnetization Properties in the Failure Process

  Of Port Crane Steel Wire Ropes

  DONG Xichen GAO Tianyou ZHOU Qiang WANG Guoxian

  (School of Logistics Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

  Abstract:Based on the fatigue test—bed for the crane steel wire rope and sheave assembly,this study aims at using the magnetic testing technologies for steel wire ropes to identify the rule how the circumferential MFI(MagneticFluxIeakage) intensity changes along with the numbers of the running cvcles.It is fount that along with increment of the fatigue extent,i.e.,the numbers of the running cvc1es。The circumferential MFL intensity of the wire rope gradually increases while the magnetic permeabilitv gradually decreases.Additionally the values measured distributes more non-homogeneously along the axle of the wire rope.The results indicates that the fatigue extent of the steel wire rope can be detected by analyzing the changes of the wire rope’s magnetization properties.

  Keywords:wire rope;fatigue;Magnetic Flux Leakage (MFL)

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