廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院　尤志軒

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門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院尤志軒

摘要：基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在門座起重機(jī)上的應(yīng)用，概述了對(duì)門座起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)范圍。對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變法、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析法、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)法及聲發(fā)射法等4種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行分析和選擇。論述了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)架，完成了系統(tǒng)的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)； 門座起重機(jī)； 光纖光柵； 傳感器

起重機(jī)械是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)作業(yè)主要的搬運(yùn)設(shè)備，在物料裝卸、設(shè)備安裝及工程施工等各類起重作業(yè)中被普遍使用。隨著生產(chǎn)復(fù)雜程度的提高，起重機(jī)械正向結(jié)構(gòu)大型化、功能多元化的方向發(fā)展。目前，我國(guó)針對(duì)在用起重機(jī)械的檢驗(yàn)，主要是由特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)采取定期檢驗(yàn)的方式進(jìn)行。基本上采用的是目視檢測(cè)、感觀判斷、磁粉探傷及動(dòng)作試驗(yàn)等常規(guī)的檢驗(yàn)檢測(cè)方法。由于大部分的檢驗(yàn)項(xiàng)目是在起重機(jī)械停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行的，檢驗(yàn)結(jié)果難以體現(xiàn)起重機(jī)械實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)和安全隱患。由于無(wú)法獲取起重機(jī)械長(zhǎng)期運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)，檢驗(yàn)人員無(wú)法對(duì)在用起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的抗力水平和剩余壽命進(jìn)行分析；對(duì)于超期服役的起重機(jī)械，更是缺少進(jìn)行改造和安全評(píng)估的相關(guān)依據(jù)和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)[1]?！短胤N設(shè)備安全法》于2014年1月1日起施行，其中第四十八條明確要求，起重機(jī)械達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限繼續(xù)使用的，應(yīng)當(dāng)通過(guò)安全評(píng)估。起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是進(jìn)行安全評(píng)估的基礎(chǔ)和前提，因此，開(kāi)展針對(duì)起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，是起重機(jī)械得以安全運(yùn)行和使用的重要保障[2]。門座起重機(jī)是港口、碼頭、船舶制造及大型水電站的生產(chǎn)和建設(shè)過(guò)程中廣泛使用的大型生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)范圍

門座起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)主要由臂架系統(tǒng)、人字架、轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)柱和門架系統(tǒng)4大部分組成。臂架系統(tǒng)是將載荷重量傳遞到整體金屬結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，通常為單臂架系統(tǒng)或組合臂架系統(tǒng)。為支承臂架系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)有人字架，變幅機(jī)構(gòu)的推桿、組合臂架的拉桿及平衡重杠桿等均與人字架相連。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)柱包括旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和轉(zhuǎn)柱2部分，臂架系統(tǒng)和人字架都支承在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，臂架的2個(gè)下支承座焊接在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的主承重梁端部；轉(zhuǎn)柱一般為箱形薄壁結(jié)構(gòu)，為保證局部穩(wěn)定性和剛性，轉(zhuǎn)柱內(nèi)壁設(shè)有加強(qiáng)橫筋和縱筋。門架系統(tǒng)常見(jiàn)的有轉(zhuǎn)柱式門架和軸承式門架，其承受自身重量、荷載重量和其余附加載荷的共同作用，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度[3]。門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，范圍應(yīng)包括以下4個(gè)方面。

(1)臂架系統(tǒng)。對(duì)臂架系統(tǒng)中的象鼻粱、臂架和拉桿等主要受力構(gòu)件進(jìn)行包括應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵受力部位的疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)，及其靜剛度監(jiān)測(cè)等。

(2)人字架。對(duì)與人字架相連的組合臂架的拉桿、平衡重系統(tǒng)杠桿和變幅機(jī)構(gòu)的推桿部位分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)包括上述相應(yīng)關(guān)鍵受力部位的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

(3)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)柱。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)柱的組成結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)與圓筒的連接處、圓筒與門架系統(tǒng)的連接處及焊接在轉(zhuǎn)臺(tái)上的臂架下支承座等疲勞值較高的部位進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)；對(duì)轉(zhuǎn)柱靜剛度及局部穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)等。

(4)門架系統(tǒng)。門架系統(tǒng)承受著整臺(tái)設(shè)備的全部載荷，對(duì)門架系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，關(guān)鍵受力部位進(jìn)行疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè)、靜剛度監(jiān)測(cè)，門架支腿平面內(nèi)外的局部穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，門架支腿結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度監(jiān)測(cè)等。

2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法的選擇

門座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是以當(dāng)前快速發(fā)展的傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，利用多測(cè)點(diǎn)多狀態(tài)的傳感器來(lái)獲取金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)參數(shù)，在經(jīng)過(guò)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)后，獲得金屬結(jié)構(gòu)的工作運(yùn)行狀況和性能指標(biāo)。目前，針對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法主要有以下4種方法[4]。

2.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變法

結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變法根據(jù)所采用的傳感裝置的不同，又可分為應(yīng)變片法和光纖光柵法。應(yīng)變片法是利用金屬在應(yīng)力下應(yīng)變的變化導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量電阻的變化值，從而得到相應(yīng)的應(yīng)變值。但應(yīng)變片在長(zhǎng)時(shí)期工作條件下容易出現(xiàn)表面銹蝕、耐久性差、信號(hào)漂移、抗干擾能力下降等缺點(diǎn)，不適用于起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。

光纖光柵法是利用光纖光柵反射光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)力、溫度等物理量敏感的特征原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)械的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種方法。光纖光柵傳感器與應(yīng)變片相比較，具有集成化、體積小、耐高溫、抗腐蝕、本質(zhì)安全、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。光纖光柵傳感器在使用上能夠串接復(fù)用，利用一根光纖就能提供多個(gè)物理量的精確測(cè)量；同時(shí)可以集合成分布網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)，還可以增加溫度和加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)模態(tài)的分析。由此可見(jiàn)，光纖光柵法適合于在露天環(huán)境下連續(xù)工作的門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)使用。

2.2結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析法

金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷或狀態(tài)變化，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)發(fā)生變化。通過(guò)適當(dāng)?shù)膬x器對(duì)發(fā)生變化的參數(shù)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將其與基準(zhǔn)參數(shù)信號(hào)進(jìn)行比較，從而篩選出其中變化幾率最大的參數(shù)信號(hào)，據(jù)此來(lái)判斷金屬結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。目前，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析法中常用到的參數(shù)有：頻率、振型、功率譜、傳遞函數(shù)及能量傳遞譜等，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)信號(hào)變化的監(jiān)測(cè)，可以判斷金屬結(jié)構(gòu)的損傷情況。

2.3計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)法

計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)法的原理是將采集到的圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行除噪、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取等處理的方法與技術(shù)。在起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中，可應(yīng)用激光技術(shù)、三維立體技術(shù)、數(shù)字集成化技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警與報(bào)警的功能。

2.4聲發(fā)射法

聲發(fā)射是材料受力產(chǎn)生變形，釋放出應(yīng)力波的物理現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)在結(jié)構(gòu)中傳播的應(yīng)力波的分析和處理，能夠達(dá)到快速檢測(cè)和定位材料中缺陷的目的。聲發(fā)射法是利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)在線分析起重機(jī)械在運(yùn)行狀態(tài)下結(jié)構(gòu)損傷狀況的方法。

聲發(fā)射法具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性和連續(xù)性等特點(diǎn)，不僅可對(duì)缺陷的存在進(jìn)行判斷，還可對(duì)缺陷的活度進(jìn)行檢測(cè)，因而適用于對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展、塑性變形等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射法的局限性在于：起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，致使聲發(fā)射信號(hào)源較多，對(duì)于典型聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別和分析都較困難，并且信號(hào)傳輸距離受到限制，無(wú)法完成遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。

綜合上述4種起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的方法，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性等角度進(jìn)行多方面考量，對(duì)門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變法中的光纖光柵法較為合適。

3系統(tǒng)構(gòu)架

門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主體由光纖光柵傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、數(shù)據(jù)管理查詢模塊和數(shù)據(jù)預(yù)警分析模塊等4部分構(gòu)成。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程管理、狀態(tài)評(píng)估和預(yù)警分析等基本功能，也可根據(jù)工程實(shí)際增加需要的擴(kuò)展功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

3.1硬件組成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由光纖光柵傳感器和光纖光柵解調(diào)儀組成。傳感器有應(yīng)變傳感器和溫度傳感器2種，其中光纖光柵應(yīng)變傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)門座起重機(jī)主梁的應(yīng)變，光纖光柵溫度傳感器用于對(duì)溫度敏感的應(yīng)變部位進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)光纖光柵傳感器布設(shè)方法的確定及光纖光柵解調(diào)技術(shù)和儀器的選擇，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)[5]。

(1)光纖光柵傳感器的布設(shè)

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器布設(shè)的數(shù)量越多，對(duì)結(jié)構(gòu)特征的監(jiān)測(cè)就能做到越精確，但傳感器的使用也要考慮到成本因素。在門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)范圍已經(jīng)明確的情況下，為達(dá)到使用盡可能少的傳感器，獲得盡可能多的監(jiān)測(cè)信號(hào)；同時(shí)使監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)變化敏感具有良好的魯棒性，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)信號(hào)的最優(yōu)采集，應(yīng)從狀態(tài)評(píng)估的需求出發(fā)，結(jié)合門座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行傳感器的優(yōu)化布設(shè)。

(2)光纖光柵解調(diào)儀的選擇

光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)的發(fā)展是光纖光柵傳感器得以在實(shí)際工程領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵。光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)是將傳感信號(hào)從波長(zhǎng)編碼中解調(diào)出來(lái)，對(duì)傳感信號(hào)的幅值大小進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，同時(shí)將監(jiān)測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變換的過(guò)程進(jìn)行同步再現(xiàn)。根據(jù)要測(cè)量的監(jiān)測(cè)信號(hào)特征的不同，解調(diào)技術(shù)可以分為靜態(tài)解調(diào)法和動(dòng)態(tài)解調(diào)法2種類型。

當(dāng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)變化緩慢時(shí)，適合用靜態(tài)解調(diào)方案。根據(jù)所采用的光濾波器的不同，靜態(tài)解調(diào)法主要包括匹配濾波法、可調(diào)窄帶光源檢測(cè)法和可調(diào)光纖F-P濾波法等。當(dāng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)變化比較快時(shí)，動(dòng)態(tài)解調(diào)法比較適用，主要是利用邊沿濾波法、干涉解調(diào)法和啁啾光纖光柵解調(diào)法來(lái)解調(diào)。當(dāng)前，在光纖光柵解調(diào)技術(shù)中，常采用邁克爾遜干涉儀、薩格奈克干涉儀和馬赫-澤德干涉儀等應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

3.2軟件組成

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要由數(shù)據(jù)查詢管理模塊和數(shù)據(jù)預(yù)警分析模塊組成。其中，數(shù)據(jù)查詢管理模塊包括傳感器的參數(shù)設(shè)置、波長(zhǎng)信號(hào)曲線及存儲(chǔ)和光柵光譜實(shí)時(shí)顯示部分。數(shù)據(jù)預(yù)警分析模塊包括結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別、結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警和結(jié)構(gòu)可靠性分析部分。系統(tǒng)軟件組成見(jiàn)圖2。

圖2　結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件組成框圖

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)是基于一種G語(yǔ)言(Graphics Language)的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。系統(tǒng)軟件可以充分利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)、運(yùn)算、顯示、回放、調(diào)用及文件管理等基本功能，使用工程技術(shù)人員常見(jiàn)的圖標(biāo)等圖形化模塊代替普通的程序語(yǔ)言，通過(guò)鏈接或定義不同功能模塊的圖標(biāo)，使得每個(gè)模塊都可作為一個(gè)單獨(dú)的程序被其它子程序所調(diào)用[6]。同時(shí)，利用若干個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)VI，而這些模塊也可以通過(guò)若干個(gè)子VI組合而成。在進(jìn)行相應(yīng)的軟件部分設(shè)計(jì)時(shí)，在面板上將具有所需功能的VI組合起來(lái)即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

4結(jié)語(yǔ)

起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是機(jī)械工程領(lǐng)域關(guān)注度較高的研究方向，推廣及應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)有利于改變當(dāng)前起重機(jī)械行業(yè)廣泛實(shí)行的“事后維修”和“定期保養(yǎng)”的工作方式。研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在門座起重機(jī)上的應(yīng)用，有助于門座起重機(jī)安全管理和維修保養(yǎng)水平的提高，保障門座起重機(jī)的安全高效運(yùn)行，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]丁克勤，王志杰，趙娜,等．大型起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2012，62 (8)：1-4．

[2]侯振寧，武珂．起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析[J]．中國(guó)機(jī)械，2015，44 (3)：95-96．

[3]陳紅艷，朱龍彪，張一輝，等．門座式起重機(jī)安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35 (9)：58-61．

[4]謝小鵬，王東輝，黃國(guó)健，等．起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2013，63 (8)：69-74．

[5]夏杰．大型門式起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器優(yōu)化布置研究[D]．南京：東南大學(xué)，2013．

[6]孫蕾．基于光纖光柵的起重設(shè)備安全監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)：[D]．黑龍江：黑龍江大學(xué)，2014．

尤志軒: 361004, 廈門市思明區(qū)湖濱南路170號(hào)之一310室

Health Monitoring of Portal Crane Structure

Xiamen Special Equipment Inspection InstituteYou Zhixuan

Abstract:This paper outlines the focus range of the portal crane when monitoring its structure based on the application of structural health monitoring system. The four structural health monitoring methods such as structure Stress-strain, structural vibration analysis, computer image processing technology and acoustic emission are analyzed and selected. This paper discusses the basic framework of structural health monitoring system, completes hardware selection and software design of the system, and achieves the engineering application for structural health monitoring.

Key words:structural health monitoring; portal crane; fiber bragg grating; sensor

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.01.012

收稿日期：2015-11-02