在線監(jiān)測安全評估系統(tǒng)在港口機械金屬結構應力中的應用

摘 要：伴隨經濟全球化及物流業(yè)的發(fā)展，對于港口的裝卸要求越來越高，從而對裝卸設備部件的管理提出了新的要求。為了避免港口機械金屬結構機械骨架由于承受機構傳動設備的重量及另外的負荷而產生故障，會對其進行定期的檢測，但檢測方式還停留在能過實驗人員實施檢測，再進行數(shù)據(jù)處理的階段，其效率和效果均不太理想。在線監(jiān)測及故障診斷作為當前國際最先進的檢測方案，已在大型機械設備結構狀態(tài)的檢測和故障診斷中受到重視。但在港口機械結構應力的監(jiān)測，還未得到長足的發(fā)展，因此，針對港口機械的在線監(jiān)測研究具備良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關鍵詞：在線監(jiān)測；港口機械金屬；結構應力

中圖分類號：F407 文獻標識碼：A

一、概述

港口機械作為港口裝卸作業(yè)的重要設備，一旦其機械金屬結構失效，會造成嚴重后果。曾經發(fā)生在秦皇島的港臺門機轉臺結構件的整體斷裂便產生了很大的破壞，這類事故一旦發(fā)生，不僅造成嚴重的經濟損失，還對港口工作帶來極大的不便。

（一）港口機械金屬結構的特征

金屬結構在工業(yè)發(fā)展中獲得了廣泛的應用。作為完善結構型式，發(fā)展于治金工業(yè)及機械制造的基礎上，隨著建筑業(yè)及交通運輸業(yè)的發(fā)展而得到進一步的發(fā)展。尤其經歷了十八世紀英國的產業(yè)革命，治金工業(yè)高速發(fā)展，從生鐵到鍛鐵，通過鉚釘和螺栓連接。到了20世紀，隨著煉鋼、軋鋼以及焊接技術的提升而令金屬構造產生了極大的變化，從而更加廣泛地應用于海洋工程及港口機械之中。

港口機械金屬結構的作用主要體現(xiàn)在：對機構傳動部分設備重及外載茶的承受，同時，組成整個的運動空間及工作體系，推動其整機工作性能的安全和可靠。

（二）港口機械金屬結構的失效現(xiàn)象

港口起重設備的金屬結構設計存在一些缺陷，某些部位經常發(fā)生折斷，比如門座起重機的臂架、象鼻梁、大小拉桿等，另外通過焊接的很多部位也容易發(fā)生裂開的現(xiàn)象。很多起重設備，特別是港口裝卸用的設備，裂紋現(xiàn)象十分常見，它主要存在于起重設備的金屬結構件的轉折處以及焊縫部位。結構件中的零部件很容易發(fā)生磨損，這些磨損積累到一定程度會帶來更嚴重的后果，比如連接螺栓的折斷。當起重設備長時間滿負荷或超負荷工作時，很有可能導致承載結構發(fā)生不可逆的變形。市場上常用的龍門起重機、橋式起重機主梁下?lián)狭刻螅≤囋谝苿舆^程中很容易發(fā)生爬坡或者溜車的意外。自然因素也會導致起重設備發(fā)生事故，比如在大風環(huán)境下，距離過近的兩臺起重設備很有可能互相撞擊，如果撞擊的力量過大，甚至會發(fā)生脫軌和傾倒的事故，嚴重破壞正常的金屬結構。

二、在線監(jiān)測安全評估系統(tǒng)在港口機械金屬結構應力中的應用

（一）大型設備狀態(tài)在線監(jiān)測技術的發(fā)展

我國由上世紀八十年代開始研究大型設備狀態(tài)的監(jiān)測及故障診斷，政府于1986年成立了中國振動工程學會故障診斷學會，近年來，工業(yè)部門越來越重視重要設備的維護和管理，這將保障安全生產，推動產品的質量。

受到醫(yī)學檢測及診斷的啟發(fā)，一些技術人員通過傾聽機械運轉的聲音來判斷設備的運行動上，同時通過一些現(xiàn)代化的監(jiān)測及診斷技術，比如系統(tǒng)工程、信息論、控制論等的發(fā)展，并受到這些學科及技術的交叉和滲透，繼而產生了新興綜合性的在線監(jiān)測安全評估系統(tǒng)技術，在港口機械金屬結構應力中也得到了極好的應用。

其作用主要表現(xiàn)在：

（1）通過早期預報告來防止事故的產生。

（2）進行預知性的維修，以提升設備的管理水準。

（3）提高設備的設計及制造水平，從而有助于改進產品質量。

（4）對復雜機械的工作參數(shù)進行確定，提升其效率。

（5）減少噪音及可能發(fā)生的泄漏性污染，對環(huán)境起到保護的作用。

在線監(jiān)測包括，對港口機械金屬結構的狀態(tài)進行監(jiān)測，故障實施包括故障信息檢測、故障特征分析、故障機理研究和識別、狀態(tài)監(jiān)測方式、故障識別和專家系統(tǒng)，并實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的整個系統(tǒng)。

（二）各種應力測試的方法

靜應力測試：該測試方法的原理是應變片電測法，測試條件設置為靜載荷，測試對象為承載能力，測試結果和相關標準要求進行對比，以此判斷機械的性能。該測試方法需要布置若干測點，為了測試結果的準確性，測點應該選擇在應力較大、受力較大且受力復雜的發(fā)生斷裂、變形的部位。

動應力測試：該測試被用于檢測起重設備中的金屬結構負荷動載荷的構建的承載能力會不會超出要求。該測試也要布置測點，動應力測試的測點布置是以靜應力測試結果來進行選擇的。通常我們會選擇靜應力值比較大的截面和起重設備中負荷動載荷最大的截面。該測試的目的在于找出結構件的動應力應力幅最高值、動載荷系數(shù)以及結構的震動頻率，最終確定結構的動態(tài)響應參數(shù)。

剛度測試：金屬結構件在承載重物時必然會發(fā)生一定程度的變形，剛度測試的目的就在于檢驗這種變形是否超出可接受范圍，進而確定該金屬構件能否被用于起重設備上。該測試的測點，應該設置在構件變位大而且作用重要的部位，比如門座起重機臂架兩端、橋架類型起重機主梁下等。另外，檢測儀器設備必須要有足夠的精確度，這樣才能保證檢測數(shù)據(jù)和結果的可靠性。

根據(jù)國家相關要求，所有的檢測儀器都要到政府計量部門進行審核。在結構應力檢測中，所獲得的數(shù)據(jù)和信息要進行詳細的處理。準確的檢測結果要以有效數(shù)據(jù)為依據(jù)。

（三）在線監(jiān)測安全評估系統(tǒng)的實施

要通過在線監(jiān)測獲得準確的港口機械結構應力數(shù)據(jù)，首先要實現(xiàn)實時獲取動態(tài)應力信號的功能。由于應力和應變二者之間存在的特定聯(lián)系，應變數(shù)據(jù)實際上就是應力數(shù)據(jù)的來源。

較早之前實驗固體力學也叫實驗應力分析，它的原理是在一定的實驗條件下獲取被測驗對象的力學特征，比如應力、應變、位移以及加速度等。該實驗的目的是為力學領域范圍內的工程架構和機械強度問題以及其他力學問題找到出路和對策。實驗固體力學有很多種方法可供采用，比如常見的應變電測方法、光彈性方法、激光全息干涉法、聲彈性方法等。港口機械結構應力在線監(jiān)測安全評估系統(tǒng)是由三個部分組成的，即傳感單元、采集單元以及控制處理單元，如圖1所示。

下面我們將針對這些不同的部分研究各配件在港口機械金屬結構監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。

1電阻應變片在港口機械金屬結構監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

一般來講，常溫應變片都是直接粘附在構建的外表。在測量的過程中，應變片是直接接收構件變形信息的。所以，要保證粘結劑均勻，粘貼牢固。在測量的過程中，應變片面臨的環(huán)境條件不是不變的，而這很有可能影響應變片的粘貼固定效果。為了搜集到準確的數(shù)據(jù)，還可以考慮用石蠟或是環(huán)氧樹脂在應變片的表面進行涂抹，起到一定的保護作用。同時，對測量信號處理結構也要進行篩選，保證測量結果中只有要測量的應變，排除掉溫度效應帶來的影響。當然我們也能測量溫度數(shù)據(jù)，最后再作出校正和修改。

如果是采用物理粘貼劑，必須先把被測物的表面清理一遍，粘貼劑的選擇也要考慮。除此之外，經驗也是十分重要的因素，一旦應變片粘貼不牢固，在測試的過程中就會發(fā)生蠕變，導致不可接受誤差的出現(xiàn)。

應變片固定住之后，要避免空氣中水分的影響。鑒于港口的環(huán)境空氣濕度較高，如果要長期進行監(jiān)測，對應變片的防潮措施是必不可少的。在完成了應變片的固定之后，用密封盒蓋住，然后用屏蔽線把通過水密接頭的絕緣段子引導出的信號線輸出出來，緊接著就是密封盒的固定，然后用硅膠充滿密封盒，將盒蓋擰緊。這種防潮措施十分有效，它能保證應變片較長時間的運作，從而實現(xiàn)長期監(jiān)測的目標。

2電橋盒的測試

要想得到應變片采集到的數(shù)據(jù)，一定要通過特定的測量電路把數(shù)據(jù)導入測量儀表中去。在本文的測試中，我們使用電橋測量電路。首先把應變導致的電阻變化轉換為電壓或是電流信號，電橋能夠在直流電和交流電條件下使用，它的電源一般都是采用恒壓源。

3動態(tài)應變儀的測試

應變電測方法是利用金屬的應變—電阻效應制成的電阻應變片，測量其電阻變化，間接測量構件的應變。由于構件應變較小，以應變ε=△l/l≈1000μm/m計，由金屬應變片基本特征：△R/R=Kε，一般K≈2.0，則△R/R為2‰，對于R=120Ω 的應變片，△R≈2.4Ω，如要測量微小的應變1～5μm/m，則△R≈0.00024Ω～0.0012Ω，由于電阻變化十分微小，電橋直接測量應變片電阻值的應變前后變化，需要最少6～7位精密電橋。這就需要通過一些測量電路，將電阻相對變化△R/R轉換為電壓或電流變化，放大數(shù)據(jù)，形成特用電阻應變測量儀器，來對其進行精確測量。

這種小巧方便的電阻早期叫電阻應變儀，有著廣泛的應用，它用于測量電阻變化，并于應變刻度中顯示出來。電阻應變儀在一般情況下是采用電橋電路，一旦把電阻應變片和電橋橋臂連接起來，電阻就立刻發(fā)生了變化，從而引起電橋電路中電壓和電流的變化，最后利用放大器把這種變化顯示出來。后來因為電子技術的不斷進步，該儀器經過改善后成為了數(shù)字應變儀，這時應變的過程能夠直接通過數(shù)字顯示出來，變化過程還能夠直接打印，多點應變功能也得到實現(xiàn)。另外針對變化速率很高的動態(tài)應變信號，直接由計算機控制。

4控制處理單元

控制處理單元是由兩部分組成的，即工控機和PLC模塊。工控機一邊保持著和動態(tài)應變儀的聯(lián)系，指導動態(tài)應變儀的工作的同時隨時接收來自動態(tài)應變儀的數(shù)據(jù)信息并展開分析，另一邊還要和PLC緊密相連，流程圖如圖2所示。

工控機采用的是標準總線和模板結構，和其他結構相比，它具有很多突出的特性，因此越來越受到人們的歡迎。

嵌入式主機板、Intel Pentium處理器、DDR內存、支持2個LAN網卡、支持LCD和VGA顯示、支持Audio、2個USB接口等配置。選用時可查閱相關計算機公司的產品目錄。配上系統(tǒng)軟件和設計的應用軟件后，系統(tǒng)就能實現(xiàn)相關的檢測和控制，并具有圖形顯示和打印功能。

結語

對港口機械金屬結構的安全進行科學的評估絕非易事，它不僅離不開專家的豐富經驗，利用科學的手段進行測試和分析也是必不可少的。構建一個功能齊全的計算機系統(tǒng)來完成在線監(jiān)測安全評估工作具有十分重要的意義。計算機系統(tǒng)軟件可以把專家腦海中的經驗和知識集成起來，再利用科學的計算方法進行數(shù)據(jù)分析和處理，節(jié)省了人力和物力成本。另外，所有的港口機械金屬結構安全評估都能在同一系統(tǒng)環(huán)境中進行，避免了很多人為因素引起的誤差，得到的評估數(shù)據(jù)也更為準確。

所以，將在線監(jiān)測方法引入到機械金屬結構安全評估中來，進而為定量項目的計算分析和等級標準的判斷找到解決方法具有十分重要的作用和廣闊的應用前景。由于人是具有學習能力的，專家在進行安全評估的工作過程中會不斷積累經驗，這有利于日后安全評估工作的進行。系統(tǒng)也要具備這種不斷自我學習和自我完善的能力。另外，由于計算機的儲存量遠遠超出人腦的儲存量，系統(tǒng)要在大數(shù)據(jù)庫的基礎上，實現(xiàn)創(chuàng)新功能，彌補人腦在這方面的不足。

參考文獻

[1] 黃海濤.對港口機械及其結構應力監(jiān)測的探討[J].科技信息，2010.

[2] 吳金鵬.港口機械及其結構應力監(jiān)測方法探析[J].中國新技術新產品，2010.

作者簡介：金福民 ，1975.6， 男 ，江蘇振東港口機械制造有限公司總經理， 專業(yè)方向：數(shù)控技術應用。