基于光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)的在役港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)*

張 沖 ，姚海子 ，趙 俊 ，鐘舜聰 ，3，4*，郭金泉，雷紹群，萬 當(dāng)，楊曉翔

（1.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350001；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；3.福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；4.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

0 引 言

港口起重機(jī)是一種間歇式工作機(jī)械，起重機(jī)的上升啟動(dòng)、上升制動(dòng)、下降制動(dòng)和下降制動(dòng)過程為非穩(wěn)定過程，故起重設(shè)備結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力將發(fā)生變化，它們將不同程度影響機(jī)械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性。另外，港口起重機(jī)工作環(huán)境惡劣、使用頻繁，且服役周期長(zhǎng)，其金屬結(jié)構(gòu)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。目前，我國針對(duì)起重機(jī)的主要安全保障方法仍然以定檢、監(jiān)檢為主[1]，采用的技術(shù)手段多為目測(cè)、感觀判斷、停機(jī)測(cè)量、磁粉探傷等。常規(guī)檢測(cè)手段相對(duì)落后，檢驗(yàn)人員工作量大、檢測(cè)效率低，而且常規(guī)檢測(cè)方法基本上都是在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，檢驗(yàn)結(jié)果難以反映起重機(jī)械實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)[2]。由于缺少長(zhǎng)周期運(yùn)行狀態(tài)量，人們無法預(yù)測(cè)在役起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗力水平和剩余壽命，對(duì)于超期服役起重機(jī)械，缺少安全評(píng)估的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和降級(jí)改造的科學(xué)依據(jù)。

為了確保港口起重設(shè)備安全工作，許多學(xué)者開始研究新的檢測(cè)技術(shù)和評(píng)價(jià)方法，以便對(duì)其穩(wěn)定性和安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。龔凌諸等[3]采用自然環(huán)境激勵(lì)技術(shù)對(duì)港口起重機(jī)進(jìn)行了工作振動(dòng)模態(tài)分析，為基于模態(tài)（振型[4]、固有頻率[5]等）的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和裂紋診斷提供了一種行之有效的方法。黃國健等[6]和聶龍武等[7]利用基于電阻應(yīng)變法測(cè)試了起重機(jī)結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)，分別為進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估以及動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝丝煽康臄?shù)據(jù)依據(jù)。劉元平等[8]利用現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)將起重機(jī)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集到維護(hù)維修中心，供技術(shù)人員對(duì)起重機(jī)的健康狀況作出評(píng)估。由于港口起重機(jī)尺寸比較大，往往需要很長(zhǎng)的電纜線連接傳感器和測(cè)試系統(tǒng)，這就給傳感器的布放帶來了諸多不便。特別是在傳感器使用數(shù)量比較多的場(chǎng)合，各條電纜線的互相纏繞也是個(gè)需要考慮的問題。另外，雖然無線傳感系統(tǒng)的使用是大型特種設(shè)備檢驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)，但是無線傳感設(shè)備的供電電源的長(zhǎng)時(shí)間供電也是個(gè)需要解決的問題。目前普遍使用的鋰電池一般只可以用到4 h～10 h 左右。

近年來，光纖光柵傳感器以其抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、體積小、復(fù)用能力強(qiáng)及能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分布式測(cè)量等其他傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在船舶結(jié)構(gòu)[9]、鐵道無縫線路鋼軌等[10]領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。另外，由于一條光纖上可以布置多個(gè)傳感器，沒有光纜線互相纏繞的問題；而且在傳感器上的工作不需要加電源，所以也沒有無線傳感設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間供電電源問題。

本研究利用光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)對(duì)在役港口起重機(jī)進(jìn)行狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)。

1 基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示，主要由寬頻光源、光纖耦合器、溫度光纖光柵、應(yīng)變光纖光柵、光纖解調(diào)儀、健康監(jiān)測(cè)軟件等組成。溫度光纖光柵用于溫度補(bǔ)償。具體的光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）的原理如下：由于光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，導(dǎo)致一定波長(zhǎng)的光波發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜對(duì)該波長(zhǎng)出現(xiàn)奇異性?；诠饫w光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，這是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。

圖1 基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)光纖耦合模理論，寬帶光入射光纖將產(chǎn)生模式耦合，當(dāng)滿足布拉格條件時(shí)，光柵將起到一個(gè)反射鏡的作用，反射回一個(gè)窄帶光波（其余的光波從光柵的另一端透射出去），入射光譜、透射光譜及反射光譜如圖2 所示。

圖2 入射光譜、透射光譜及反射光譜

該窄帶光波的中心波長(zhǎng)即為光柵布拉格波長(zhǎng)λB，即：

式中：neff—纖芯的有效折射率，Λ—光柵周期。

當(dāng)光柵受到外界溫度、應(yīng)變等作用時(shí)，Λ和neff都會(huì)受外界環(huán)境影響而發(fā)生變化，表示為ΔΛ和Δneff，導(dǎo)致符合Bragg 條件的反射波長(zhǎng)發(fā)生位移，即ΔλB。對(duì)式（1）進(jìn)行微分運(yùn)算，可得：

式（2）即為光柵傳感檢測(cè)機(jī)理，通過檢測(cè)滿足Bragg 條件的反射波中心波長(zhǎng)發(fā)生位移ΔλB 來檢測(cè)作用在光纖上的溫度、應(yīng)變等外界被測(cè)信號(hào)。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，為了檢驗(yàn)自研發(fā)的反射式光纖光柵傳感港口起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作情況，本研究利用應(yīng)變光纖光柵傳感器與電阻式應(yīng)變片分別對(duì)加載砝碼的等強(qiáng)度梁進(jìn)行測(cè)量。電阻式應(yīng)變片以及校準(zhǔn)后的應(yīng)變光纖光柵傳感器的測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 應(yīng)變光纖光柵傳感器與電阻式應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果比較圖

由圖3 可知，兩種測(cè)量結(jié)果有較好的一致性，從而驗(yàn)證了該港口起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)效性。

2 港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

某港口起重機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，該港口起重機(jī)的4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C 和D 如圖4（b）所示，本研究同時(shí)對(duì)4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)變和溫度光纖光柵如圖4（c）所示。本研究利用自研發(fā)的港口起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)以下3 種典型起重機(jī)的工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 起重機(jī)臂架變幅（工況一）

起重機(jī)變幅的過程如下：

（1）最大幅度狀態(tài)下進(jìn)行吊重；

（2）重物起升；

（3）變幅使臂架角度達(dá)到允許的最小角度；

（4）變幅使臂架角度達(dá)到允許的最大角度；

（5）重物下降；

（6）載荷落地。

變幅過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)D 的應(yīng)變曲線如圖5（a）所示。該應(yīng)變曲線中波動(dòng)的部分記錄了變幅過程中起重機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化，同時(shí)也顯示了變幅過程中結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的變化過程。

圖4 某港起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及測(cè)試分布

2.2 旋轉(zhuǎn)起重機(jī)臂架（工況二）

起重機(jī)旋轉(zhuǎn)臂架的過程如下：

（1）最大幅度狀態(tài)下進(jìn)行吊重；

（2）重物起升；

（3）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180 °；

（4）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180 °；

（5）重物下降；

（6）載荷落地。

起重機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)D 的應(yīng)變曲線如圖5（b）所示。旋轉(zhuǎn)過程中起重機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍有大約30με的波動(dòng)。

2.3 一次完整起吊和卸載過程（工況三）

起重機(jī)完成一次起吊和卸載過程如下：

（1）最大幅度狀態(tài)下進(jìn)行吊重；

（2）重物起升；

（3）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)135 °；

（4）重物起升；

（5）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 °；

（6）下降制動(dòng)；

（7）載荷落地；

（8）起升；

圖5 起重機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D 應(yīng)變曲線

（9）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 °；

（10）變幅至最大；

（11）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)135 °；

（12）下降制動(dòng)；

（13）載荷落地；

（14）起升；

（15）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45 °；

（16）變幅至最??；

（17）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)135 °；

（18）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180 °；

（19）變幅至最大；

（20）下降；

（21）載荷落地。

一次完整的起吊和卸載過程對(duì)應(yīng)的應(yīng)變曲線如圖5（c）所示，在實(shí)際工況中，應(yīng)力的波動(dòng)范圍比變幅和旋轉(zhuǎn)過程更大。實(shí)際中，起重機(jī)在載荷多變的工作環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間服役中，其應(yīng)力持續(xù)發(fā)生著變化。這些應(yīng)力的變化將不同程度影響機(jī)械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性，因此對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)是非常必要的。

由圖5 可以看出，應(yīng)變曲線很好地記錄了整個(gè)變幅、旋轉(zhuǎn)和整個(gè)起吊卸載工作的過程，信號(hào)有較好的信噪比?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，可為港口起重機(jī)的在線安全診斷和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語

港口起重機(jī)工作環(huán)境惡劣（受臺(tái)風(fēng)、地震和腐蝕等影響）、使用頻繁、載荷多變，且服役周期長(zhǎng)，其金屬結(jié)構(gòu)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。港口起重機(jī)是一種間歇式工作機(jī)械，起重機(jī)的上升啟動(dòng)、上升制動(dòng)、下降制動(dòng)和下降制動(dòng)過程為非穩(wěn)定過程，故起重設(shè)備結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力將發(fā)生變化，它們將不同程度影響機(jī)械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性。為了掌握在役港口起重機(jī)運(yùn)行時(shí)的健康狀態(tài)，筆者研究了基于光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)的在役港口起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)，采用具有溫度補(bǔ)償功能的反射式光纖光柵傳感系統(tǒng)對(duì)港口起重機(jī)幾種典型工況（變幅、旋轉(zhuǎn)、吊重和卸載等）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性并突出了港口起重機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)的必要性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為港口起重機(jī)的在線安全診斷和預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支撐。

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