基于超聲波信號的門式起重機(jī)無損快速探傷研究

車渝立 李群 楊泉

關(guān)鍵詞：超聲波信號，起重機(jī)，無損探傷，濾波算法

0 引言

在門式起重機(jī)工作運(yùn)行的過程中，起重機(jī)內(nèi)部的零件通常會受到摩擦或沖擊等外力作用，導(dǎo)致零件出現(xiàn)磨損的情況。而開裂程度較大的裂縫如果不能得到及時(shí)修復(fù)，不僅會影響到門式起重機(jī)的運(yùn)行效率，更有可能威脅到工作人員的作業(yè)安全。因此，在裝卸作業(yè)開始之前，通常需要對門式起重機(jī)的內(nèi)部情況進(jìn)行探傷檢測，從而降低起重機(jī)的安全使用風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前最為傳統(tǒng)的起重機(jī)檢測手段主要是通過采用人工攀爬的方式，對起重機(jī)內(nèi)部的各個零件完整度以及損壞情況進(jìn)行檢查。該方法不僅耗費(fèi)了大量的人力，同時(shí)也具有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)檢測結(jié)果具有不穩(wěn)定的特點(diǎn)，無法作為可靠的隱患排查手段。因此，目前針對于門式起重機(jī)的裂縫檢測工作，眾多學(xué)者研究出了更為合理的無損檢測技術(shù)。例如，劉延川等[1]通過對裂縫檢測的多指標(biāo)信息進(jìn)行融合處理，提出了一種針對于起重機(jī)表面裂紋的檢測方法。林海[2]采用超聲波技術(shù)，對探傷檢測方法進(jìn)行優(yōu)化。鄭繼偉等[3]以海上大型起重機(jī)吊鉤作為研究對象，對裂紋的探傷手段以及修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了深入探討。張劍等[4]以起重機(jī)主梁裂紋作為識別對象，采用EMD-SVM算法對表面裂紋圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而識別出裂紋特征。但目前的起重機(jī)無損探傷技術(shù)在裂紋檢測精度上還有一定的提升空間。對此，本文結(jié)合超聲探測基礎(chǔ)，提出了一種新型的無損探傷技術(shù)，旨在優(yōu)化探傷效果，檢測出細(xì)節(jié)特征更多的裂紋損傷，為裝卸作業(yè)的操作安全提供可靠保障[5]。

1 基于超聲波信號的門式起重機(jī)無損快速探傷研究

1.1 起重機(jī)超聲探頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文所提出的門式起重機(jī)無損快速探傷技術(shù)主要通過采用超聲波探頭對起重機(jī)的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，并結(jié)合信號分析手段實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)的無損探傷。在針對門式起重機(jī)內(nèi)部的缺陷進(jìn)行掃描與檢測時(shí)，需要降低噪聲，同時(shí)由于起重機(jī)內(nèi)部空間較大，因此還需要靈活調(diào)整檢測范圍，從而獲取到不同區(qū)域的超聲波信號。對此，本文選用靈敏度較高，且檢測范圍可調(diào)的雙晶片探頭作為實(shí)現(xiàn)無損探傷的主要工具。通過對超聲探頭的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高探頭的檢測性能，從而為后續(xù)的無損快速探傷提供幫助[6]。

由于雙晶片探頭所支持的探傷角度有所不同，而不同的探傷角度也會影響到對不同區(qū)域的檢測范圍以及檢測效果，因此本文首先針對門式起重機(jī)的無損探傷需求，對探頭角度進(jìn)行選取。一般來說，37°和70°的探頭主要適用于范圍較小的表面裂紋檢測，而0°的探頭可以用于多種方向的斜裂紋檢測?？紤]到門式起重機(jī)在工作運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)生的裂紋通常是多角度的，因此本文選用0°的雙晶直探頭作為優(yōu)化對象，最終優(yōu)化完成的探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為提高無損探傷范圍，本文采用4個0°超聲雙晶直探頭分別從前后左右四個方向?qū)μ絺麉^(qū)域進(jìn)行掃查，從而獲取到更詳細(xì)的超聲信號[7]。對于門式起重機(jī)的盲區(qū)范圍，本文通過對不同角度的探頭進(jìn)行組合，從而擴(kuò)大有效探傷范圍。通過將0°雙晶直探頭以及70°斜探頭進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)對盲區(qū)范圍的雙向掃查，從而有效縮小盲區(qū)檢測范圍。盲區(qū)縮減范圍的具體示意圖如2所示[8]。

通過上述步驟即可完成對于超聲探頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過采用多個相互獨(dú)立且型號不同的超聲探頭進(jìn)行組合，從而構(gòu)成無損探測儀。采用該探測儀對門式起重機(jī)進(jìn)行無損檢測，從而得到超聲波信號[9]。

1.2 超聲波信號去噪與特征提取

在完成了對于超聲探頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用本文設(shè)計(jì)出的探測儀對門式起重機(jī)進(jìn)行無損探測，針對獲取到的超聲信號圖像，對其進(jìn)行濾波處理等操作，從而實(shí)現(xiàn)噪聲去除以及特征提取[10]。由于本文獲取到的超聲信號圖像中除了噪聲以外還包含很多邊緣細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，因此對于去噪手段會有著較為嚴(yán)格的要求。若去噪程度過高，將會丟失較多的信號邊緣數(shù)據(jù)，從而影響后續(xù)的無損探傷分析。若去噪程度過低，將會提升后續(xù)信號特征提取以及分析的工作量[11]。因此在對超聲信號圖像進(jìn)行去噪處理時(shí)，不僅需要考慮到噪聲去除效果，同時(shí)還要最大限度地保留超聲信號中的邊緣信號數(shù)據(jù)。對此，本文采用小波閾值法，對超聲信號圖像進(jìn)行去噪處理。離散小波的具體計(jì)算公式如下：

式中： 代表采集到的初始超聲信號；代表小波基； 代表離散變換后的去噪系數(shù)；j 代表分解層；k代表小波數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)個數(shù)；d 代表去噪點(diǎn)數(shù)。通過對小波變換結(jié)果設(shè)定閾值，對噪聲強(qiáng)度進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)對超聲信號噪聲的去除處理。小波閾值的具體計(jì)算公式如下：

通過上述步驟即可完成對于超聲信號的去噪以及特征提取處理，得到超聲信號的時(shí)域能量分布特征，為后續(xù)的無損探傷檢測提供可靠幫助。

1.3 門式起重機(jī)裂紋探傷檢測

本文所提出的門式起重機(jī)無損快速探傷檢測原理如圖3所示。

通過探傷檢測原理可以看出，超聲波信號在沿著門式起重機(jī)表面進(jìn)行傳播時(shí)，如遇到因摩擦或外力沖擊作用所生成的表面裂紋，其反射回來的超聲波阻抗會出現(xiàn)變化[14]。因此，通過對裂紋處的反射回波以及信號接收與發(fā)送的時(shí)間差進(jìn)行分析，可以獲取到裂紋的具體位置，從而實(shí)現(xiàn)裂紋無損檢測。門式起重機(jī)表面裂紋的損傷位置獲取公式如下：

通過上述步驟即可完成對于門式起重機(jī)裂紋的無損探傷檢測，通過對回波信號的傳輸時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，從而獲取裂紋的具體位置。將本節(jié)內(nèi)容與上述提到的超聲波探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及超聲波信號去噪與特征提取等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，至此，基于超聲波信號的門式起重機(jī)無損快速探傷方法設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)論證

為了證明本文提出的基于超聲波信號的門式起重機(jī)無損快速探傷方法的探傷效果優(yōu)于常規(guī)的門式起重機(jī)無損快速探傷方法，在理論部分的設(shè)計(jì)完成后，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對本文方法的探傷效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)說明

為驗(yàn)證本文提出的基于超聲波信號的門式起重機(jī)無損快速探傷方法的探傷效果的有效性，本次實(shí)驗(yàn)選取了兩種常規(guī)的門式起重機(jī)無損快速探傷方法作為對比對象，分別為基于無人機(jī)視覺的門式起重機(jī)無損快速探傷方法，以及基于多指標(biāo)信息的門式起重機(jī)無損快速探傷方法。通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺，采用三種控制方法對同一組數(shù)據(jù)擁塞情況進(jìn)行控制，對比不同控制方法的實(shí)際控制性能。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)對象為裝卸行業(yè)的某大型集裝箱無軌起重機(jī)，通過對該起重機(jī)的部分區(qū)域進(jìn)行掃描，作為本次實(shí)驗(yàn)的探傷識別區(qū)域。采用三種方法對探傷識別區(qū)域的圖像進(jìn)行獲取，構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，部分待探傷檢測原始圖像如圖4所示。

為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本次實(shí)驗(yàn)選取了兩種不同類型的起重機(jī)缺陷作為識別對象，分別為內(nèi)部缺陷以及外部缺陷。每組缺陷的深度以及長度均有所不同，為便于分析，采用仿真軟件對內(nèi)外部缺陷進(jìn)行仿真，從而得到不同缺陷類型的徑向分布圖，具體仿真結(jié)果如圖5～6所示。

針對上述兩種不同類型的缺陷仿真模擬結(jié)果，采用三種無損快速探傷技術(shù)對其進(jìn)行檢測。本次實(shí)驗(yàn)所選取的起重機(jī)裂紋長度在8～25mm之間，缺陷位置分為軸向深度與徑向深度兩種。實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)配置如表1所示。

由于本次實(shí)驗(yàn)所選取的門式起重機(jī)表面缺陷中，橫向分布的缺陷裂紋較多，因此本文在進(jìn)行結(jié)果比較時(shí)，主要針對缺陷的軸向定位誤差進(jìn)行檢驗(yàn)。采用三種無損檢測方法分別針對內(nèi)部缺陷和外部缺陷的不同測試數(shù)據(jù)集進(jìn)行檢測，并記錄下不同方法的軸向定位誤差。

2.3 無損檢測精度對比結(jié)果

本次對比實(shí)驗(yàn)選取的對比指標(biāo)為不同檢測方法對于缺陷裂紋的檢測精度，具體衡量指標(biāo)為軸向定位誤差，該值越低，代表無損檢測技術(shù)的檢測精度就越高，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～8所示。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在針對不同類型的缺陷裂紋進(jìn)行無損探傷檢測時(shí)，不同方法在檢測精度上呈現(xiàn)出了較大的差異。通過對比不同方法的軸向定位誤差可以看出，本文提出的基于超聲波信號的門式起重機(jī)無損快速探傷方法的定位誤差明顯低于兩種常規(guī)的起重機(jī)無損快速探傷方法，由此可以證明本文方法的探傷精度優(yōu)于常規(guī)方法。

在進(jìn)行門式起重機(jī)無損快速探傷研究中，基于超聲波信號的方法表現(xiàn)出了較高的探測精度和性能。通過采用多個相互獨(dú)立且角度不同的超聲探頭進(jìn)行組合，能夠縮小檢測掃描盲區(qū)，提高探傷精度。同時(shí)，結(jié)合濾波算法對采集到的超聲波信號數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，能夠減少噪音干擾，提取有效的超聲信號特征。通過計(jì)算超聲波信號傳輸往返時(shí)間，可以準(zhǔn)確獲取起重機(jī)表面裂紋缺陷的具體位置，實(shí)現(xiàn)無損快速探傷檢測?；诔暡ㄐ盘柕拈T式起重機(jī)無損快速探傷方法具有較高的探測精度，可以在門式起重機(jī)的檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過引入這一方法來提高起重機(jī)的安全性和可靠性。通過進(jìn)一步研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以不斷改進(jìn)基于超聲波信號的無損快速探傷方法，以提高其性能和適用范圍。同時(shí)，與其他無損快速探傷方法進(jìn)行對比分析，找出各自的優(yōu)勢和不足，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)選擇和應(yīng)用。

在使用基于超聲波信號的探傷方法時(shí)，建議建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，明確檢測參數(shù)、設(shè)備要求和數(shù)據(jù)分析處理的方法等，確保各個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一和可比性。這有助于提高門式起重機(jī)無損快速探傷的標(biāo)準(zhǔn)化水平，并推動行業(yè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。培訓(xùn)和提升從事門式起重機(jī)無損快速探傷工作的專業(yè)人員的技能和知識水平至關(guān)重要。組織相關(guān)培訓(xùn)和培養(yǎng)人才，確保探傷工作的準(zhǔn)確性和有效性，保障門式起重機(jī)的安全運(yùn)行。通過這些管理思考，可以進(jìn)一步推動門式起重機(jī)無損快速探傷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文針對常規(guī)的門式起重機(jī)無損快速探傷方法無法對不同類型的缺陷裂紋進(jìn)行精準(zhǔn)識別檢測的問題，通過結(jié)合超聲波探測技術(shù)，提出了一種新型的探傷檢測技術(shù)。通過對超聲波探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，不僅能夠提高檢測精度，同時(shí)有效縮小了檢測盲區(qū)的范圍。在今后的研究工作中，還需針對檢測流程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以此提高對于不同缺陷裂紋的識別效果。