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摘要：基于起重機鋼絲繩滑輪疲勞試驗臺，運用鋼絲繩的磁檢測技術，研究了鋼絲繩周向漏磁場強度隨疲勞循環(huán)次數的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著疲勞程度的增加，鋼絲繩周向漏磁場強度逐漸增大，磁導率逐漸減小，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的變化判斷鋼絲繩的疲勞程度.

　　關鍵詞：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]、鋼絲繩構造型式及材質[3]、繞制工藝[4]、滑輪材質、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行研究的文獻資料.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生較大的擾動外，鋼絲材質的微結構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生一定影響.因而研究鋼絲繩周向漏磁場的強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]：磁導率、矯頑力、剩磁強度、飽和磁感應強度和最大磁能積.磁化性能與材料的成分、微結構和缺陷有密切關系.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，材料的磁化強度急劇增加，磁疇疇壁的發(fā)生跳躍式移動，磁疇結構體積大幅增加，這2種方式是不可逆的;第三階段是磁疇磁矩的轉動，即磁矩方向轉向外磁場方向，轉向既可以是可逆的，也可以是不可逆的;第四階段是趨近飽和階段，盡管外磁場強度增加很大，內部磁化強度的增加卻極為緩慢，磁化強度的增加主要靠磁矩的可逆轉動來推動的.

　　從上述的磁化過程4個階段看，磁化過程就是磁疇結構變化的2種方式：疇壁移動和磁疇磁矩的轉動.磁疇結構的運動與磁導率的大小緊密相關.疇轉和壁移容易產生，則材料的磁導率就高，否則便低.

　　1.2影響磁疇運動的因素

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

　　2)磁疇磁矩的轉動磁矩轉動的障礙主要來自磁晶各向異性能、磁彈性能、內部退磁場.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力方向轉動.對于磁致伸縮系數為正的材料，張力將使磁矩更容易向應力方向轉動.內部退磁場使磁矩向退磁場方向轉動.

　　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.從物理上講是微結構變化的累積過程，從力學上講是宏缺陷的產生與擴展過程.鋼絲繩內部材料的微結構變化包括：位錯滑移、微空洞擴散、微裂紋擴散等.鋼絲在彎曲、扭轉、拉伸、擠壓等應力的反復作用下，會產生大量的微空洞和微裂紋，微裂紋逐漸聚合成宏裂紋，宏裂紋的擴展最終導致疲勞斷裂發(fā)生.根據前面的分析，鋼絲的疲勞過程所產生的材料微結構變化對鋼絲的磁化性質有一定的影響.鋼絲內部微結構變化產生的應力場阻礙疇壁移動和磁疇磁矩的轉向，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，因而鋼絲的磁導率降低，矯頑力升高.從以上分析得出一個結論：鐵磁材料的矯頑力、磁化參量、磁導率等靈敏地依賴于材料的缺陷.這些結論提供了磁檢測技術監(jiān)測鋼絲繩疲勞失效的理論基礎.

　　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交通部港口裝卸技術重點實驗室的鋼絲繩滑輪疲勞實驗機上進行[7-8].該實驗機基本原理與組成：2大滑輪組對稱布置，長行程往復運行，分區(qū)多弧段歷經滑輪組，單卷筒并行收放，全自動電液伺服計算機控制，交流變頻，液壓加載，可變張力、可變行程、可變速度.配備先進的傳感器組成計算機輔助檢測系統(tǒng).實驗機原理及基本結構見圖1.

　　實驗選用直徑30mm多層抗旋轉鋼絲繩，該結構形式鋼絲繩的失效從內部開始，斷絲首先發(fā)生在外層股與內層股之間，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：一繩段不經過滑輪，只作直線往復運動，稱為A段;另一繩段經過多個滑輪，作往復彎曲運動，稱為B段.為了保證測試數據的可比性，實驗過程中鋼絲繩張力為恒定不變，其他實驗參數也保持不變.

　　2.3監(jiān)測記錄

　　在安裝好鋼絲繩，調整好實驗機參數，往復運動開始前，首先測取這2個監(jiān)測段的漏磁場信號作為基準值.經過1萬次往復循環(huán)，停機測取監(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，對應的往復循環(huán)次數為：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不經過滑輪，但經過卷筒，受張力作用.由于作直線往復運動，往復變向時有一慣性力的沖擊，這些因素激發(fā)鋼絲繩內部的應力波動.

　　監(jiān)測段B經過多個滑輪，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.經過6萬次循環(huán)停止實驗.把監(jiān)測段B拆開，發(fā)現(xiàn)內部有密集斷絲.

　　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

　　依據所測得的原始漏磁信號，計算單位捻距下的檢測數據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，均值數據隨循環(huán)次數增加而減少.這說明鋼絲繩周圍的漏磁場在減弱，此段鋼絲繩的磁導率在增加.從圖2b)可知，均方根值隨循環(huán)次數的增加而大幅下降，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)次數增加，波動趨于平穩(wěn)、波動強度趨弱，鋼絲繩磁導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動，在張力及來回運動的慣性力作用下，沿鋼絲繩軸向磁化特性有明顯變化，磁導率增加且沿繩長方向分布趨于均勻.從本質上講，這是鐵磁材料磁彈效應所致.因為鋼絲繩軸向有張力作用，且鋼絲繩不斷振動，使鋼絲繩內部以及鋼絲的內應力分布發(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動，從而增加了張力方向的磁化強度，使該方向的磁導率增加.

　　3.2監(jiān)測段B的漏磁信號分析

　　依據檢測的原始信號，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)次數增加而下降.這說明試驗初期，鋼絲磁導率增加，鋼絲繩周向漏磁場減弱，其原因與A段分析結果一致.

　　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，磁導率變化也不大.考慮到A段的“鋼絲繩在張力的反復作用下磁導率逐漸上升”分析結果，又由于B段鋼絲繩在試驗中期已經有疲勞損傷，彎曲疲勞損傷造成的磁導率下降與張力作用下的磁導率上升共同作用下，此段鋼絲繩的磁導率在期間變化不大.

　　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)次數增加而上升.這說明試驗后期鋼絲繩磁導率明顯下降，漏磁場強度趨大.與A段的試驗工況相比較，可以看出B段磁導率的下降是鋼絲繩內部鋼絲彎曲疲勞失效所致，這里面除了內部斷絲造成的磁導率下降外，還應包含鋼絲材質結構變化所導致的磁導率降低.

　　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值.這說明漏磁信號隨循環(huán)次數增加，波動強度大，沿鋼絲繩軸向長度的磁導率分布越來越不均勻.這里面有多層股鋼絲繩內部斷絲造成的分布不均，同樣也有鋼絲材質發(fā)生結構變化所導致的磁導率不均勻.此段鋼絲繩磁導率的變化趨勢與A段鋼絲繩磁導率的變化趨勢正好相反.顯然，試驗結果為磁檢測技術監(jiān)測鋼絲繩疲勞程度提供方法.

　　4 結論

　　在新型的港口起重機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，本文完成了多層股鋼絲繩疲勞失效的漏磁場強弱變化的監(jiān)測試驗，深入研究了鋼絲繩周向漏磁場強度隨疲勞循環(huán)次數的變化規(guī)律.研究結論如下.

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

　　2)在滑輪上作反復彎曲運動的繩段，其軸向磁導率隨循環(huán)次數增加而降低，沿繩長分布趨向不均勻，漏磁場強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，工程上有潛在應用價值.本文的研究成果對鋼絲繩電磁檢測技術的推廣應用有重要的意義.

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

　　參考文獻

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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)