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摘要：基于起重機(jī)鋼絲繩滑輪疲勞試驗臺，運(yùn)用鋼絲繩的磁檢測技術(shù)，研究了鋼絲繩周向漏磁場強(qiáng)度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著疲勞程度的增加，鋼絲繩周向漏磁場強(qiáng)度逐漸增大，磁導(dǎo)率逐漸減小，且沿鋼絲繩軸向長度的分布越來越不均勻.研究表明，可以通過分析磁化性質(zhì)的變化判斷鋼絲繩的疲勞程度.

　　關(guān)鍵詞：鋼絲繩;疲勞;漏磁場

　　中圖法分類號：TG115.28+4 doi：10.3963/j.issn.2095-3844.2013.03.051

　　引言

　　港口起重機(jī)鋼絲繩的失效模式主要是彎曲疲勞與磨損的疊加，在失效的過程中，其磁化性質(zhì)也在不斷變化.過去對鋼絲繩的失效研究主要是分析鋼絲繩的受力[1]、滑輪/鋼絲繩直徑比[2]、鋼絲繩構(gòu)造型式及材質(zhì)[3]、繞制工藝[4]、滑輪材質(zhì)、滑輪繩槽形狀[5]、潤滑等影響因素，少見對鋼絲繩磁化特性在失效過程中的變化進(jìn)行研究的文獻(xiàn)資料.實際上，在失效過程中，除了斷絲、磨損、腐蝕對鋼絲繩周邊漏磁場產(chǎn)生較大的擾動外，鋼絲材質(zhì)的微結(jié)構(gòu)變化也會使整個鋼絲繩的磁化特性發(fā)生變化，對鋼絲繩的周向漏磁產(chǎn)生一定影響.因而研究鋼絲繩周向漏磁場的強(qiáng)弱隨鋼絲繩疲勞損傷過程發(fā)生的變化，對于監(jiān)測鋼絲繩的疲勞破壞及預(yù)估壽命有實際意義.

　　1 鐵磁材料的磁化性能與鋼絲繩疲勞失效

　　1.1磁化性能

　　鐵磁材料磁化性能的主要參量[6]：磁導(dǎo)率、矯頑力、剩磁強(qiáng)度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和最大磁能積.磁化性能與材料的成分、微結(jié)構(gòu)和缺陷有密切關(guān)系.從微觀角度看，磁化過程大致分為4個階段：第一階段是疇壁的可逆位移;第二階段為不可逆磁化階段，材料的磁化強(qiáng)度急劇增加，磁疇疇壁的發(fā)生跳躍式移動，磁疇結(jié)構(gòu)體積大幅增加，這2種方式是不可逆的;第三階段是磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動，即磁矩方向轉(zhuǎn)向外磁場方向，轉(zhuǎn)向既可以是可逆的，也可以是不可逆的;第四階段是趨近飽和階段，盡管外磁場強(qiáng)度增加很大，內(nèi)部磁化強(qiáng)度的增加卻極為緩慢，磁化強(qiáng)度的增加主要靠磁矩的可逆轉(zhuǎn)動來推動的.

　　從上述的磁化過程4個階段看，磁化過程就是磁疇結(jié)構(gòu)變化的2種方式：疇壁移動和磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動.磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動與磁導(dǎo)率的大小緊密相關(guān).疇轉(zhuǎn)和壁移容易產(chǎn)生，則材料的磁導(dǎo)率就高，否則便低.

　　1.2影響磁疇運(yùn)動的因素

　　1)疇壁移動的阻力疇壁移動是有阻力的，如沒阻力，則材料的磁導(dǎo)率將是無窮大.疇壁移動的阻力來自材料的內(nèi)應(yīng)力、參雜、彌散磁場非均勻區(qū).其中內(nèi)應(yīng)力和參雜是主要阻力.

　　2)磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動磁矩轉(zhuǎn)動的障礙主要來自磁晶各向異性能、磁彈性能、內(nèi)部退磁場.磁晶各向異性能將磁矩往易軸方向拉動.磁彈性能使磁矩向應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動.對于磁致伸縮系數(shù)為正的材料，張力將使磁矩更容易向應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動.內(nèi)部退磁場使磁矩向退磁場方向轉(zhuǎn)動.

　　1.3鋼絲繩的疲勞失效

　　鋼絲繩的疲勞失效是一個累積損傷過程.從物理上講是微結(jié)構(gòu)變化的累積過程，從力學(xué)上講是宏缺陷的產(chǎn)生與擴(kuò)展過程.鋼絲繩內(nèi)部材料的微結(jié)構(gòu)變化包括：位錯滑移、微空洞擴(kuò)散、微裂紋擴(kuò)散等.鋼絲在彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸、擠壓等應(yīng)力的反復(fù)作用下，會產(chǎn)生大量的微空洞和微裂紋，微裂紋逐漸聚合成宏裂紋，宏裂紋的擴(kuò)展最終導(dǎo)致疲勞斷裂發(fā)生.根據(jù)前面的分析，鋼絲的疲勞過程所產(chǎn)生的材料微結(jié)構(gòu)變化對鋼絲的磁化性質(zhì)有一定的影響.鋼絲內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的應(yīng)力場阻礙疇壁移動和磁疇磁矩的轉(zhuǎn)向，緊靠微裂紋的疇壁移動會有較大阻力，微裂紋越多，裂紋越大，疇壁移動就越困難，因而鋼絲的磁導(dǎo)率降低，矯頑力升高.從以上分析得出一個結(jié)論：鐵磁材料的矯頑力、磁化參量、磁導(dǎo)率等靈敏地依賴于材料的缺陷.這些結(jié)論提供了磁檢測技術(shù)監(jiān)測鋼絲繩疲勞失效的理論基礎(chǔ).

　　2 鋼絲繩疲勞失效漏磁場監(jiān)測試驗

　　2.1試驗裝置

　　試驗在武漢理工大學(xué)交通部港口裝卸技術(shù)重點(diǎn)實驗室的鋼絲繩滑輪疲勞實驗機(jī)上進(jìn)行[7-8].該實驗機(jī)基本原理與組成：2大滑輪組對稱布置，長行程往復(fù)運(yùn)行，分區(qū)多弧段歷經(jīng)滑輪組，單卷筒并行收放，全自動電液伺服計算機(jī)控制，交流變頻，液壓加載，可變張力、可變行程、可變速度.配備先進(jìn)的傳感器組成計算機(jī)輔助檢測系統(tǒng).實驗機(jī)原理及基本結(jié)構(gòu)見圖1.

　　實驗選用直徑30mm多層抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，該結(jié)構(gòu)形式鋼絲繩的失效從內(nèi)部開始，斷絲首先發(fā)生在外層股與內(nèi)層股之間，而在鋼絲繩外部沒有可見的視覺特征.

　　2.2選定監(jiān)測段

　　試驗開始前，需確定監(jiān)測繩段.被監(jiān)測段分為2大段：一繩段不經(jīng)過滑輪，只作直線往復(fù)運(yùn)動，稱為A段;另一繩段經(jīng)過多個滑輪，作往復(fù)彎曲運(yùn)動，稱為B段.為了保證測試數(shù)據(jù)的可比性，實驗過程中鋼絲繩張力為恒定不變，其他實驗參數(shù)也保持不變.

　　2.3監(jiān)測記錄

　　在安裝好鋼絲繩，調(diào)整好實驗機(jī)參數(shù)，往復(fù)運(yùn)動開始前，首先測取這2個監(jiān)測段的漏磁場信號作為基準(zhǔn)值.經(jīng)過1萬次往復(fù)循環(huán)，停機(jī)測取監(jiān)測繩段漏磁信號.隨后，每隔5千次循環(huán)測取監(jiān)測段的漏磁信號，直到5萬次后完全報廢.共測取了12組漏磁信號，對應(yīng)的往復(fù)循環(huán)次數(shù)為：0次、1萬次、1.5萬次、2萬次、2.5萬次、3萬次、3.5萬次、4萬次、4.5萬次、5萬次、5.5萬次、6萬次.

　　2.4過程分析

　　監(jiān)測段A不經(jīng)過滑輪，但經(jīng)過卷筒，受張力作用.由于作直線往復(fù)運(yùn)動，往復(fù)變向時有一慣性力的沖擊，這些因素激發(fā)鋼絲繩內(nèi)部的應(yīng)力波動.

　　監(jiān)測段B經(jīng)過多個滑輪，受彎曲、拉伸、擠壓等綜合作用.5.5萬次循環(huán)后，鋼絲繩外部發(fā)現(xiàn)零星斷絲.經(jīng)過6萬次循環(huán)停止實驗.把監(jiān)測段B拆開，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有密集斷絲.

　　3 鋼絲繩漏磁監(jiān)測信號分析

　　3.1監(jiān)測段A的漏磁信號分析

　　依據(jù)所測得的原始漏磁信號，計算單位捻距下的檢測數(shù)據(jù)均值和波動均方根值并畫出變化趨勢圖，見圖2.從圖2a)可知，均值數(shù)據(jù)隨循環(huán)次數(shù)增加而減少.這說明鋼絲繩周圍的漏磁場在減弱，此段鋼絲繩的磁導(dǎo)率在增加.從圖2b)可知，均方根值隨循環(huán)次數(shù)的增加而大幅下降，3.5萬次循環(huán)后與循環(huán)開始前相比，平均下降了約40%，這說明鋼絲繩周向的漏磁場沿繩長方向隨循環(huán)次數(shù)增加，波動趨于平穩(wěn)、波動強(qiáng)度趨弱，鋼絲繩磁導(dǎo)率沿軸向分布趨向均勻.但在實驗的循環(huán)后期，均值和均方根值都在緩慢上升，說明已經(jīng)有材料疲勞特征出現(xiàn)此段鋼絲繩在試驗中，除了繞入和繞出卷筒外，基本只作直線往返運(yùn)動，在張力及來回運(yùn)動的慣性力作用下，沿鋼絲繩軸向磁化特性有明顯變化，磁導(dǎo)率增加且沿繩長方向分布趨于均勻.從本質(zhì)上講，這是鐵磁材料磁彈效應(yīng)所致.因為鋼絲繩軸向有張力作用，且鋼絲繩不斷振動，使鋼絲繩內(nèi)部以及鋼絲的內(nèi)應(yīng)力分布發(fā)生變化，鋼絲材料晶體的易磁化方向會偏向張力方向，即磁疇更容易向鋼絲繩軸向方向轉(zhuǎn)動，從而增加了張力方向的磁化強(qiáng)度，使該方向的磁導(dǎo)率增加.

　　3.2監(jiān)測段B的漏磁信號分析

　　依據(jù)檢測的原始信號，計算單位捻距下的檢測信號的均值和波動均方根值并畫出變化趨勢圖，見圖3.下面分階段分析此段鋼絲繩的磁導(dǎo)率在疲勞試驗中的變化趨勢.

　　1) 試驗初期0次循環(huán)至2.0萬次循環(huán)期間，均值隨循環(huán)次數(shù)增加而下降.這說明試驗初期，鋼絲磁導(dǎo)率增加，鋼絲繩周向漏磁場減弱，其原因與A段分析結(jié)果一致.

　　2)試驗中期2.5萬次循環(huán)至4.5萬次循環(huán)期間，均值隨循環(huán)次數(shù)緩慢增加，波動不大.這說明試驗中期，此段鋼絲漏磁密度變化不大，磁導(dǎo)率變化也不大.考慮到A段的“鋼絲繩在張力的反復(fù)作用下磁導(dǎo)率逐漸上升”分析結(jié)果，又由于B段鋼絲繩在試驗中期已經(jīng)有疲勞損傷，彎曲疲勞損傷造成的磁導(dǎo)率下降與張力作用下的磁導(dǎo)率上升共同作用下，此段鋼絲繩的磁導(dǎo)率在期間變化不大.

　　3)試驗后期4.5萬次循環(huán)至6.0萬次循環(huán)期間，均值隨循環(huán)次數(shù)增加而上升.這說明試驗后期鋼絲繩磁導(dǎo)率明顯下降，漏磁場強(qiáng)度趨大.與A段的試驗工況相比較，可以看出B段磁導(dǎo)率的下降是鋼絲繩內(nèi)部鋼絲彎曲疲勞失效所致，這里面除了內(nèi)部斷絲造成的磁導(dǎo)率下降外，還應(yīng)包含鋼絲材質(zhì)結(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的磁導(dǎo)率降低.

　　圖3b)為信號的均方根值.試驗初期，0次循環(huán)至2.0萬次循環(huán)期間，均方根保持在較低值波動，從2.5萬次循環(huán)開始，均方根值逐步上升;在5萬次和6.0萬次循環(huán)中，均方根值保持較高數(shù)值.這說明漏磁信號隨循環(huán)次數(shù)增加，波動強(qiáng)度大，沿鋼絲繩軸向長度的磁導(dǎo)率分布越來越不均勻.這里面有多層股鋼絲繩內(nèi)部斷絲造成的分布不均，同樣也有鋼絲材質(zhì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化所導(dǎo)致的磁導(dǎo)率不均勻.此段鋼絲繩磁導(dǎo)率的變化趨勢與A段鋼絲繩磁導(dǎo)率的變化趨勢正好相反.顯然，試驗結(jié)果為磁檢測技術(shù)監(jiān)測鋼絲繩疲勞程度提供方法.

　　4 結(jié)論

　　在新型的港口起重機(jī)鋼絲繩滑輪綜合性能試驗臺上，基于鐵磁理論和鋼絲繩磁檢測技術(shù)，本文完成了多層股鋼絲繩疲勞失效的漏磁場強(qiáng)弱變化的監(jiān)測試驗，深入研究了鋼絲繩周向漏磁場強(qiáng)度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律.研究結(jié)論如下.

　　1)只受張力和只作直線往復(fù)運(yùn)動的繩段，其軸向磁導(dǎo)率初期隨循環(huán)往復(fù)運(yùn)動次數(shù)的增加而增加，而后趨向穩(wěn)定，該繩段部分的漏磁場減弱并穩(wěn)定.

　　2)在滑輪上作反復(fù)彎曲運(yùn)動的繩段，其軸向磁導(dǎo)率隨循環(huán)次數(shù)增加而降低，沿繩長分布趨向不均勻，漏磁場強(qiáng)度逐漸增加且波動大.鋼絲繩疲勞失效漏磁場監(jiān)測研究表明：用漏磁檢測法監(jiān)測多層股鋼絲繩疲勞失效是一個可行的方法，工程上有潛在應(yīng)用價值.本文的研究成果對鋼絲繩電磁檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用有重要的意義.

　　第3期 董熙晨，等：港口起重機(jī)鋼絲繩失效過程中的磁化性質(zhì)研究 ·665·

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　　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)