门座起重机结构健康监测



门座起重机结构健康监测

厦门市特种设备检验检测院　尤志轩

摘　要： 基于结构健康监测系统在门座起重机上的应用，概述了对门座起重机进行结构健康监测的重点范围。对结构应力应变法、结构振动分析法、计算机图像处理技术法及声发射法等4种结构健康监测的方法进行分析和选择。论述了结构健康监测系统的基本构架，完成了系统的硬件选型和软件设计，实现了门座起重机结构健康监测的工程应用。

关键词： 结构健康监测； 门座起重机； 光纤光栅； 传感器

起重机械是现代工业生产作业主要的搬运设备，在物料装卸、设备安装及工程施工等各类起重作业中被普遍使用。随着生产复杂程度的提高，起重机械正向结构大型化、功能多元化的方向发展。目前，我国针对在用起重机械的检验，主要是由特种设备检验检测机构采取定期检验的方式进行。基本上采用的是目视检测、感观判断、磁粉探伤及动作试验等常规的检验检测方法。由于大部分的检验项目是在起重机械停机状态下进行的，检验结果难以体现起重机械实际的运行状态和安全隐患。由于无法获取起重机械长期运行的状态参数，检验人员无法对在用起重机械金属结构的抗力水平和剩余寿命进行分析；对于超期服役的起重机械，更是缺少进行改造和安全评估的相关依据和准确数据[1]。《特种设备安全法》于2014年1月1日起施行，其中第四十八条明确要求，起重机械达到设计使用年限继续使用的，应当通过安全评估。起重机械金属结构的健康监测是进行安全评估的基础和前提，因此，开展针对起重机械的结构健康监测，是起重机械得以安全运行和使用的重要保障[2]。门座起重机是港口、码头、船舶制造及大型水电站的生产和建设过程中广泛使用的大型生产设备，对其进行结构健康监测具有十分重要的现实意义。

1　门座起重机结构健康监测的重点范围

门座起重机的金属结构主要由臂架系统、人字架、转台转柱和门架系统4大部分组成。臂架系统是将载荷重量传递到整体金属结构的重要构件，通常为单臂架系统或组合臂架系统。为支承臂架系统，在旋转平台上设有人字架，变幅机构的推杆、组合臂架的拉杆及平衡重杠杆等均与人字架相连。转台转柱包括旋转平台和转柱2部分，臂架系统和人字架都支承在旋转平台上，臂架的2个下支承座焊接在旋转平台的主承重梁端部；转柱一般为箱形薄壁结构，为保证局部稳定性和刚性，转柱内壁设有加强横筋和纵筋。门架系统常见的有转柱式门架和轴承式门架，其承受自身重量、荷载重量和其余附加载荷的共同作用，必须具有足够的强度和刚度[3]。门座起重机结构健康监测的重点是对结构应力状态的监测，范围应包括以下4个方面。

(1)臂架系统。对臂架系统中的象鼻粱、臂架和拉杆等主要受力构件进行包括应力应变监测、关键受力部位的疲劳应力监测、振动监测、温度监测，及其静刚度监测等。

(2)人字架。对与人字架相连的组合臂架的拉杆、平衡重系统杠杆和变幅机构的推杆部位分别进行监测，应包括上述相应关键受力部位的应力监测。

(3)转台转柱。根据转台转柱的组成结构和受力特点，对转台与圆筒的连接处、圆筒与门架系统的连接处及焊接在转台上的臂架下支承座等疲劳值较高的部位进行应力应变监测；对转柱静刚度及局部稳定性进行监测等。

(4)门架系统。门架系统承受着整台设备的全部载荷，对门架系统的主要受力构件应进行结构应力应变监测，关键受力部位进行疲劳应力监测、静刚度监测，门架支腿平面内外的局部稳定性监测，门架支腿结构的动刚度监测等。

2　结构健康监测方法的选择

门座起重机的结构健康监测是以当前快速发展的传感技术为基础，利用多测点多状态的传感器来获取金属结构的实时工作状态参数，在经过信号采集与处理系统后，获得金属结构的工作运行状况和性能指标。目前，针对起重机械结构健康监测的方法主要有以下4种方法[4]。

2.1　结构应力应变法

结构应力应变法根据所采用的传感装置的不同，又可分为应变片法和光纤光栅法。应变片法是利用金属在应力下应变的变化导致电阻值发生改变，通过测量电阻的变化值，从而得到相应的应变值。但应变片在长时期工作条件下容易出现表面锈蚀、耐久性差、信号漂移、抗干扰能力下降等缺点，不适用于起重机械金属结构的长期在线监测。

光纤光栅法是利用光纤光栅反射光波长对应力、温度等物理量敏感的特征原理，实现对起重机械的应力应变进行监测的一种方法。光纤光栅传感器与应变片相比较，具有集成化、体积小、耐高温、抗腐蚀、本质安全、抗干扰能力强等特点。光纤光栅传感器在使用上能够串接复用，利用一根光纤就能提供多个物理量的精确测量；同时可以集合成分布网络传感系统，还可以增加温度和加速度传感器，实现对振动模态的分析。由此可见，光纤光栅法适合于在露天环境下连续工作的门座起重机结构健康监测使用。

2.2　结构振动分析法

金属结构发生损伤或状态变化，会导致结构动力学的参数发生变化。通过适当的仪器对发生变化的参数信号进行监测，并将其与基准参数信号进行比较，从而筛选出其中变化几率最大的参数信号，据此来判断金属结构的实际状态。目前，在结构振动分析法中常用到的参数有：频率、振型、功率谱、传递函数及能量传递谱等，通过对这些参数信号变化的监测，可以判断金属结构的损伤情况。

2.3　计算机图像处理技术法

计算机图像处理技术法的原理是将采集到的图像信息转化为数字信息，同时利用计算机软件进行除噪、增强、复原、分割、提取等处理的方法与技术。在起重机械结构健康监测技术中，可应用激光技术、三维立体技术、数字集成化技术等来实现安全预警与报警的功能。

2.4　声发射法

声发射是材料受力产生变形，释放出应力波的物理现象，通过对在结构中传播的应力波的分析和处理，能够达到快速检测和定位材料中缺陷的目的。声发射法是利用声发射检测技术对金属结构产生的声发射信号进行监测，从而实现在线分析起重机械在运行状态下结构损伤状况的方法。

声发射法具有实时性、动态性和连续性等特点，不仅可对缺陷的存在进行判断，还可对缺陷的活度进行检测，因而适用于对金属结构的裂纹扩展、塑性变形等进行实时监测。声发射法的局限性在于：起重机械的金属结构较复杂，致使声发射信号源较多，对于典型声发射信号的识别和分析都较困难，并且信号传输距离受到限制，无法完成远距离监测。

综合上述4种起重机械结构健康监测的方法，从监测系统的准确性、可靠性和稳定性等角度进行多方面考量，对门座起重机结构健康监测系统采用结构应力应变法中的光纤光栅法较为合适。

3　系统构架

门座起重机结构健康监测系统主体由光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、数据管理查询模块和数据预警分析模块等4部分构成。可实现数据查询、远程管理、状态评估和预警分析等基本功能，也可根据工程实际增加需要的扩展功能。系统框图如图1所示。

图1　门座起重机结构健康监测系统框图

3.1　硬件组成

结构健康监测系统的硬件部分主要由光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪组成。传感器有应变传感器和温度传感器2种，其中光纤光栅应变传感器用来监测门座起重机主梁的应变，光纤光栅温度传感器用于对温度敏感的应变部位进行温度补偿。对光纤光栅传感器布设方法的确定及光纤光栅解调技术和仪器的选择，是结构健康监测系统应用的关键基础[5]。

(1)光纤光栅传感器的布设

在结构健康监测系统中，传感器布设的数量越多，对结构特征的监测就能做到越精确，但传感器的使用也要考虑到成本因素。在门座起重机结构健康监测的重点范围已经明确的情况下，为达到使用尽可能少的传感器，获得尽可能多的监测信号；同时使监测信号对结构变化敏感具有良好的鲁棒性，实现对结构状态信号的最优采集，应从状态评估的需求出发，结合门座起重机的结构特点进行传感器的优化布设。

(2)光纤光栅解调仪的选择

光纤光栅波长解调技术的发展是光纤光栅传感器得以在实际工程领域中应用的关键。光纤光栅波长解调技术是将传感信号从波长编码中解调出来，对传感信号的幅值大小进行快速、准确的测量，同时将监测信号随时间变换的过程进行同步再现。根据要测量的监测信号特征的不同，解调技术可以分为静态解调法和动态解调法2种类型。

当系统的监测信号变化缓慢时，适合用静态解调方案。根据所采用的光滤波器的不同，静态解调法主要包括匹配滤波法、可调窄带光源检测法和可调光纤F-P滤波法等。当系统的监测信号变化比较快时，动态解调法比较适用，主要是利用边沿滤波法、干涉解调法和啁啾光纤光栅解调法来解调。当前，在光纤光栅解调技术中，常采用迈克尔逊干涉仪、萨格奈克干涉仪和马赫-泽德干涉仪等应用于结构健康监测。

3.2　软件组成

结构健康监测系统的软件部分主要由数据查询管理模块和数据预警分析模块组成。其中，数据查询管理模块包括传感器的参数设置、波长信号曲线及存储和光栅光谱实时显示部分。数据预警分析模块包括结构损伤识别、结构损伤预警和结构可靠性分析部分。系统软件组成见图2。

图2　结构健康监测系统软件组成框图

结构健康监测系统软件的开发是基于一种G语言(Graphics Language)的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)测试系统软件开发平台。系统软件可以充分利用计算机的存储、运算、显示、回放、调用及文件管理等基本功能，使用工程技术人员常见的图标等图形化模块代替普通的程序语言，通过链接或定义不同功能模块的图标，使得每个模块都可作为一个单独的程序被其它子程序所调用[6]。同时，利用若干个模块可以实现一个VI，而这些模块也可以通过若干个子VI组合而成。在进行相应的软件部分设计时，在面板上将具有所需功能的VI组合起来即可实现相应的功能。

4　结语

起重机械的结构健康监测是机械工程领域关注度较高的研究方向，推广及应用结构健康监测有利于改变当前起重机械行业广泛实行的“事后维修”和“定期保养”的工作方式。研究结构健康监测系统在门座起重机上的应用，有助于门座起重机安全管理和维修保养水平的提高，保障门座起重机的安全高效运行，具有广泛的实际应用前景和社会经济效益。

参 考 文 献

[1]　丁克勤，王志杰，赵娜,等．大型起重机械结构健康监测技术研究进展[J]．起重运输机械，2012，62 (8)：1-4．

[2]　侯振宁，武珂．起重机械结构健康监测关键技术分析[J]．中国机械，2015，44 (3)：95-96．

[3]　陈红艳，朱龙彪，张一辉，等．门座式起重机安全健康监测系统研究[J]．制造业自动化，2013，35 (9)：58-61．

[4]　谢小鹏，王东辉，黄国健，等．起重机械结构健康监测关键技术研究[J]．起重运输机械，2013，63 (8)：69-74．

[5]　夏杰．大型门式起重机健康监测系统传感器优化布置研究[D]．南京：东南大学，2013．

[6]　孙蕾．基于光纤光栅的起重设备安全监测的实现：[D]．黑龙江：黑龙江大学，2014．

尤志轩: 361004, 厦门市思明区湖滨南路170号之一310室

Health Monitoring of Portal Crane Structure

Xiamen Special Equipment Inspection Institute　You 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