李繼承 戚政武 楊寧祥

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院 珠海 519002）

1 引言

起重機(jī)是承擔(dān)貨物吊裝和搬運(yùn)任務(wù)的重要機(jī)械，廣泛應(yīng)用于碼頭、廠房、室內(nèi)外倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所，在國(guó)民生產(chǎn)中起著相當(dāng)重要的作用。起重機(jī)是一種間歇式動(dòng)作機(jī)械，具有短暫、重復(fù)、周期性循環(huán)的工作特點(diǎn)，且工作環(huán)境惡劣，其金屬結(jié)構(gòu)失效事故的后果十分嚴(yán)重。引起起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效的故障類型主要有裂紋、局部或整體變形、折斷、銹蝕、剛度不足等。其中，裂紋損傷會(huì)顯著降低金屬結(jié)構(gòu)承載面積，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)承載能力下降，在外加載荷周期性作用下，裂紋長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，最終引起金屬結(jié)構(gòu)斷裂，發(fā)生災(zāi)難性事故。

TSG 51—2023《起重機(jī)械安全技術(shù)規(guī)程》C3.7.3金屬結(jié)構(gòu)檢查中第（1）條要求：“主要受力結(jié)構(gòu)件的連接焊縫無明顯可見的裂紋?！盙B/T 6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1 部分：總則》3.9.3 條規(guī)定：“主要受力構(gòu)件產(chǎn)生裂紋時(shí)，應(yīng)根據(jù)受力情況和裂紋情況采取阻止措施，并采取加強(qiáng)或改變應(yīng)力分布措施，或停止使用?！?/p>

大型起重機(jī)械尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分金屬構(gòu)架難于接觸，在定期檢驗(yàn)和日常巡查中存在盲區(qū)。在裂紋損傷發(fā)生初期，損傷尺寸小，外觀表現(xiàn)不明顯，檢驗(yàn)人員靠目視方法很難發(fā)現(xiàn)[1]。同時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋后，在達(dá)到一定限度之前，是容許其在規(guī)定的壽命期或檢修期內(nèi)安全可靠地工作的[2]。針對(duì)大型起重機(jī)械，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在初始裂紋損傷時(shí)，若任其繼續(xù)工作，則安全生產(chǎn)無法保障；若將其全部做報(bào)廢處理，因大部分出現(xiàn)損傷的起重機(jī)尚在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，報(bào)廢不僅會(huì)影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，而且會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提出一種針對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋損傷的監(jiān)測(cè)方法對(duì)保障起重機(jī)械安全生產(chǎn)具有重大意義。

2 監(jiān)測(cè)原理

壓電阻抗（Electro-Mechanical Impedance，EMI）技術(shù)是20 世紀(jì)末發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法。其基本思想：結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)其機(jī)械阻抗將發(fā)生變化，但該變化難以通過直接測(cè)試得到，利用壓電材料的機(jī)電耦合特性，通過測(cè)量其電阻抗信號(hào)的變化間接反映出被測(cè)結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化。對(duì)粘貼于結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電材料施加交流電場(chǎng)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)作用壓電材料將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并帶動(dòng)被測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。該響應(yīng)傳遞到壓電材料上，由于正壓電效應(yīng)作用引起其電阻抗信號(hào)變化。通過比較結(jié)構(gòu)有無缺陷時(shí)所測(cè)得電阻抗信號(hào)的差別，可以對(duì)其內(nèi)部損傷狀況進(jìn)行判定。

壓電阻抗技術(shù)的理論模型最早于1993 年由Liang等[3]首次提出。PZT 壓電傳感器粘貼到被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面后，兩者組成的系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，如圖1 所示。圖1 中，V為施加在PZT 傳感器兩端的電壓，v為V的振幅，ω為角頻率，t為時(shí)間。I為流經(jīng)PZT 傳感器的電流，i為I的振幅，φ為初始相位角。Z為耦合電阻抗的復(fù)數(shù)形式，Re(Z)為Z的實(shí)部，Im(Z)為Z的虛部，j為虛部符號(hào)。PZT傳感器的電壓V沿z軸方向施加，PZT 傳感器沿x軸方向振動(dòng)，x=0 處為PZT 傳感器的固定端，x=la處為PZT 傳感器的振動(dòng)伸縮端，la為PZT 傳感器的長(zhǎng)度。m、c、k分別為被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和彈簧剛度。

圖1 PZT 傳感器與被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的一維機(jī)電耦合模型

PZT 傳感器的電阻抗信號(hào)Z(ω)與被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗之間的關(guān)系可以用式（1）表示：

式中：

wa，ha—— 分別為矩形PZT 傳感器的寬度和厚度；

Za—— PZT 傳感器的機(jī)械阻抗；

Zs—— 被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗；

d31—— 壓電常數(shù)；

在PZT 傳感器的特征參量保持不變的條件下，其電阻抗信號(hào)Z(ω)僅與被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗Zs相關(guān)。

對(duì)于PZT 傳感器電阻抗信號(hào)的測(cè)量，目前比較常用的方法是借助商用阻抗分析儀[4]。該儀器具有測(cè)量頻帶范圍寬、電阻抗值測(cè)量精度高、單次測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，該儀器也存在一些局限，如設(shè)備笨重?cái)y帶不便，尤其是對(duì)大型起重機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，很難將該設(shè)備攜帶至起重機(jī)主梁等多個(gè)監(jiān)測(cè)位置[5]。同時(shí)，阻抗分析儀需要外接220 V 交流電源，在某些起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)難以滿足遠(yuǎn)距離供電。目前大多數(shù)阻抗分析儀僅支持單通道數(shù)據(jù)采集，不能實(shí)現(xiàn)多通道多頻段數(shù)據(jù)采集和同時(shí)顯示，造成監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集效率較低。針對(duì)上述不足，本研究團(tuán)隊(duì)在前期已經(jīng)研發(fā)出便攜式電阻抗測(cè)試系統(tǒng)，并在試驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)一維鋁梁結(jié)構(gòu)上的裂紋損傷進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[6-7]。

3 有限元模型仿真

本研究的監(jiān)測(cè)對(duì)象為額定載重量41 t 的輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)，見圖2，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。為了確定該型號(hào)起重機(jī)在額載情況下最大應(yīng)力所在位置，為后期壓電阻抗監(jiān)測(cè)部位的選取提供參考，首先采用有限元建模的方法，對(duì)起重機(jī)在小車處于不同位置時(shí)的整體受力情況進(jìn)行分析。龍門起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)包括2 個(gè)主梁、4 個(gè)支腿、2 個(gè)鞍梁、2 個(gè)支撐，在ANSYS 中采用梁?jiǎn)卧?。進(jìn)行受力分析時(shí)考慮的載荷情況包括固定載荷、小車載荷、吊具載荷、額定起升載荷、小車運(yùn)行慣性力載荷。計(jì)算時(shí)考慮小車在主梁上的5 種特殊位置，見圖3，分別是（a）小車位于左極限位、（b）小車位于主梁1/4 處、（c）小車位于跨中、（d）小車位于主梁3/4 處、（e）小車位于右極限位，在圖3 中分別對(duì)應(yīng)位置1 ～位置5。采用有限元分析方法計(jì)算時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)材料的彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，受力構(gòu)件所用材料為Q345B，在小車處于主梁上不同位置時(shí)，起重機(jī)最大應(yīng)力的分布云圖見圖4。

表1 龍門起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖2 輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 小車處于不同位置處最大應(yīng)力云圖

觀察圖4 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)起重機(jī)小車處于主梁上的不同位置時(shí)，起重機(jī)整體受力情況差異較大，最大應(yīng)力分布位置也不相同。其中，比較容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位為主梁上靠近小車?？课恢?，支腿與主梁連接部位和右側(cè)2 條支腿的上中部。分別統(tǒng)計(jì)小車停靠不同位置時(shí)最大應(yīng)力數(shù)值及其對(duì)應(yīng)位置，見表2。根據(jù)表2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，當(dāng)小車位于主梁中部即位置3 時(shí)，在距離主梁中心1 730 mm 位置處出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為107.006 MPa。觀察圖4（c）和圖4中其他應(yīng)力分布云圖，圖4（c）中除了出現(xiàn)最大應(yīng)力外，支腿與主梁連接部位和右側(cè)2 條支腿的上中部等其他應(yīng)力集中部位，相互之間的應(yīng)力分布情況差別不大。因此，當(dāng)小車位于位置3 時(shí)，整個(gè)龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布具有典型性，后期壓電阻抗監(jiān)測(cè)時(shí)選取該種工況作為代表。

表2 工作工況計(jì)算列表

4 監(jiān)測(cè)實(shí)施及結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析的結(jié)果，以龍門起重機(jī)小車位于位置3 時(shí)的典型工況作為監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，選取4 處應(yīng)力集中部位作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在其附近分別粘貼壓電傳感器。1#和2#傳感器粘貼于右前支腿焊縫位置附近，其中1#傳感器粘貼于支腿下部1/4 位置處，2#傳感器粘貼于支腿上部與主梁平行位置處。3#和4#傳感器粘貼于起重機(jī)主梁上蓋板，其中3#傳感器粘貼于主梁左側(cè)1/4 位置處，4#傳感器粘貼于主梁1/2 位置處。對(duì)于每個(gè)壓電傳感器，分別選擇4 組頻段作為監(jiān)測(cè)頻段，其頻率范圍為20 ～23.98 kHz、30 ～33.98 kHz、40 ～43.98 kHz、55 ～58.98 kHz，各監(jiān)測(cè)頻段的數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)均為200，頻率間隔均為20 Hz。所用監(jiān)測(cè)裝置為自行研發(fā)的便攜式電阻抗測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖5。

圖5 壓電阻抗監(jiān)測(cè)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)

完成1#～4#壓電傳感器粘貼后，首先在龍門起重機(jī)空載的情況下進(jìn)行電阻抗信號(hào)測(cè)量。然后將小車移動(dòng)到位置3 處，加載30 t 集裝箱，其為額載41 t 的73%，在集裝箱吊起的狀態(tài)下進(jìn)行傳感器電阻抗信號(hào)測(cè)量。最后，將集裝箱卸載，起重機(jī)再次處于空載狀態(tài)下進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。1#～4#壓電傳感器在不同加載狀態(tài)下所測(cè)得的電阻抗信號(hào)如圖6 ～圖9 所示。

圖6 1#壓電傳感器電阻抗測(cè)量結(jié)果

圖7 2#壓電傳感器電阻抗測(cè)量結(jié)果

圖8 3#壓電傳感器電阻抗測(cè)量結(jié)果

圖9 4#壓電傳感器電阻抗測(cè)量結(jié)果

觀察圖6 ～圖9 所測(cè)得的各壓電傳感器電阻抗信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，在不同的監(jiān)測(cè)頻段范圍內(nèi)，隨著測(cè)量頻率增大，電阻抗幅度整體上呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢(shì)。在某些特定的頻率點(diǎn)，電阻抗幅度會(huì)出現(xiàn)峰值和谷值。由式（1）可知，電阻抗峰值和谷值對(duì)應(yīng)的特征頻率，間接反映了被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化，進(jìn)而反映了被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和阻尼特征的變化。相對(duì)于低頻段，在高頻段范圍內(nèi)特征峰值和谷值的數(shù)量更多，因而對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷變化更加敏感。當(dāng)被監(jiān)測(cè)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋損傷后，其機(jī)械承載能力下降，結(jié)構(gòu)剛度降低，特征峰值和谷值對(duì)應(yīng)頻率向低頻方向偏移。

在1#和2#傳感器的4 個(gè)監(jiān)測(cè)頻段中，起重機(jī)加載前、加載中和加載后特征峰值、谷值對(duì)應(yīng)頻率和電阻抗幅度均未觀察到明顯變化。對(duì)于3#傳感器，在起重機(jī)加載前后，電阻抗幅度隨檢測(cè)頻率的整體變化趨勢(shì)存在比較明顯的差別，即電阻抗譜的斜率出現(xiàn)明顯變化。電阻抗峰值和谷值對(duì)應(yīng)的特征頻率并未發(fā)生明顯變化，個(gè)別特征頻率僅發(fā)生20 ～40 Hz 的偏移，即1 ～2 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏移。4#傳感器各監(jiān)測(cè)頻段在起重機(jī)加載前后，電阻抗特征頻率和幅度均未發(fā)生明顯變化，僅在40 ～43.98 kHz 頻段中，加載后的電阻抗譜相對(duì)于加載前和加載中存在一定的斜率變化。

參考第3 章得到的龍門起重機(jī)加載過程中最大應(yīng)力分布云圖可知，在小車位于位置3 的加載過程中，最大應(yīng)力的分布位置為4#傳感器附近。在加載的3 個(gè)階段，4#傳感器電阻抗譜對(duì)應(yīng)的特征頻率均未發(fā)生明顯偏移。同時(shí)，1#～3#傳感器的電阻抗譜也未發(fā)生明顯偏移?？梢哉J(rèn)為，該龍門起重機(jī)在加載至30 t 重物情況下處于安全狀態(tài)，未觀察到反映裂紋出現(xiàn)或裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。

對(duì)于3#傳感器不同監(jiān)測(cè)頻段出現(xiàn)的電阻抗譜斜率變化，參考孫佳[8]的研究結(jié)果，可以推斷為由環(huán)境溫度的變化引起。在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，3#傳感器處于陽光直射位置，不同監(jiān)測(cè)時(shí)段傳感器可能由于附近金屬結(jié)構(gòu)吸熱而出現(xiàn)溫度變化，進(jìn)而導(dǎo)致電阻抗幅度隨監(jiān)測(cè)頻率的斜率發(fā)生變化。

5 結(jié)論

采用壓電阻抗技術(shù)對(duì)額定載重量41 t 的龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。采用有限元分析的方法確定小車在主梁上5 種不同?？课恢锰帲鹬貦C(jī)應(yīng)力分布云圖。選取典型加載條件下應(yīng)力集中部位作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在起重機(jī)加載前、加載中和加載后分別進(jìn)行壓電傳感器電阻抗信號(hào)測(cè)量。研究結(jié)果表明：當(dāng)被監(jiān)測(cè)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂紋損傷時(shí)，電阻抗譜峰值和谷值對(duì)應(yīng)頻率不會(huì)出現(xiàn)明顯偏移，電阻抗幅值相差較小。利用壓電阻抗技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)裂紋損傷的在線監(jiān)測(cè)。環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電阻抗譜斜率的變化，進(jìn)而對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)盡量減小環(huán)境溫度的變化范圍。