起重機械結構健康監測關鍵技術分析

侯振寧 武珂

摘要：起重機械結構健康監測有助于判定起重機金屬結構的安全狀況，及時發現損傷并跟蹤損傷的擴展，能夠在損傷導致結構失效前及時停機維修，可提高起重機械使用安全。

關鍵詞：起重機械;金屬結構;健康監測;安全評估

起重機械屬于對國家明確規定的涉及人身和財產安全，具有較大危險性的特種設備。在用起重機械主要由特種設備檢驗檢測機構采取定期檢驗的方式來保障使用過程安全，逐臺定期檢驗的缺點明顯：大部分檢驗項目是在停機狀態下進行，檢驗結果難以反映起重機械的實際運行狀態;單臺設備檢驗時間有限，自動化水平低，沒有獲得起重設備以往累積的應變、振動等運行狀態數據;只能得出“合格”或“不合格”結論，無法精確評估起重機械當前的安全等級、進行安全預警及設備的剩余疲勞壽命預測;起重機械始終處于動態使用過程，特定日期的一次性人工檢驗難以從根本上發現安全隱患、杜絕安全事故的發生;而且，隨著起重機械數量的快速增長，傳統的依靠檢驗人員逐臺定檢的方式已不適應新的形勢下現代社會的發展。

2014年1月1日起施行《特種設備安全法》第四十八條明確要求特種設備達到設計使用年限繼續使用的，應當通過安全評估。安全評估的基礎和前提是對起重機械的金屬結構進行健康狀態監測。所以，對起重機械結構健康監測具有十分重要的現實意義。

1.傳感監測技術

結構健康監測技術的發展是以先進的傳感元件為技術基礎。傳感監測技術有別于傳統的檢測技術，如射線檢測、超聲檢測等只能完成特定工作狀況下特定部位檢測，無法全面系統分析起重機械的健康狀態。多測點多狀態傳感技術可以獲得起重機械工作中狀態參數，目前應用較廣的監測傳感原件主要是光纖光柵傳感器和聲發射信號傳感器。

1.1應力監測

應力監測傳感裝置主要采用應變片和光纖光柵。應變片監測法是利用金屬的“應變—電阻”效應制成電阻應變計，應變變化導致電阻變化，測量電阻變化值轉換得到應變值。應變片監測存在諸多不足之處，長期在工作環境下出現銹蝕、信號漂移、耐久性差、受干擾能力下降等缺點，因而不適用于起重機金屬結構長期在線監測。光纖光柵傳感裝置是利用光纖光柵的波長對溫度、應力等物理量的敏感特性制成的光纖傳感器，光纖光柵應力監測法是利用光纖光柵傳感器對起重機的應力應變進行監測的一種方法，是繼應變片測試技術后傳感技術發展的新階段。光纖光柵傳感器與傳統應變片傳感器相比具有體積小、抗電磁干擾、本質防爆、抗腐蝕、耐高溫、集成化、本征性的特點，而且能串接復用、通過一根光纖能提供各種物理參量的精確和絕對測量，可集合成分布傳感網絡系統，粘貼或嵌入到結構中不會對其性能和結構產生影響。可見，光纖光柵傳感技術十分適合長時間連續工作狀態下。光纖光柵傳感技術進行應力監測時，還可以增加溫度和加速度傳感器，實現振動模態分析。

1.2聲發射信號監測

聲發射監測是利用聲發射技術對起重機產生的聲發射信號進行監測，從而時實在線分析判斷起重機運行狀態下局部損傷狀況的一種監測方法。聲發射是材料受力變形釋放出應力波的一種物理現象，應力波在結構中傳播時會攜帶大量的信息，而通過對這些信息處理，能夠提取出反映材料缺陷的數據，所以獲取并分析材料發出的聲發射信號能夠達到檢測和定位材料中缺陷的目的。聲發射檢測技術就是利用儀器獲取、記錄和分析聲發射信號并根據聲發射原理對聲發射源進行定位和定性的技術，它的信號來自于缺陷自身，屬于動態的無損檢測技術，用聲發射檢測技術可以獲取缺陷的活動性以及損傷的嚴重性，同時也可以對應用手段加以改進，利用聲發射技術達到監測和診斷的目的，實現聲發射監測。與應力監測法相比，聲發射監測法具有動態、實時、整體和連續等特點，聲發射技術不僅可對是否存在缺陷進行檢測 ?，還可對缺陷的活度進行判斷，進而為起重機械的有效安全監測提供準確的依據，更適用于監測起重機金屬結構的塑性變形、裂紋擴展等實時狀態。聲發射技術的局限性在于復雜的起重機結構，導致聲發射源較多，典型聲發射信號的獲取還不夠完善，信號分析、聲發射源識別都有一定的難度，并且傳輸距離短。由于目前統測量裝置一般都采用電纜傳輸測量信號，受傳輸電纜固有的物理特性影響，使得傳輸距離受到限制，無法完成遠距離監測，在遠距離傳輸和在充斥著電磁波的環境中使用時，目前的聲發射系統會變得十分不可靠，檢測結果也就沒有了其應該具有的價值。

2.監測和診斷系統

目前在起重機械上使用的監測和診斷系統大致可分為：①離線狀態監測系統：是利用嵌入式技術開發的具有簡單數據分析功能的實時狀態監測系統，并集成到工程機械上，可以實時監測工程機械的運行狀態，以便及時發現故障;②便攜式狀態監測與故障診斷系統：是集數據采集、監測、分析于一體的便攜、輕巧的狀態監測與診斷系統，相對離線狀態監測系統，具有適應范圍廣、能夠對多臺設備進行診斷分析的優點;③在線狀態監測系統：是在離線狀態監測系統的基礎上，采用無線通訊技術，增加遠程無線數據傳輸功能，通過服務器對設備進行統計分析和趨勢分析，而且可以方便地實現對同類設備故障數據的統計分析。

離線狀態監測系統，由于受到數據存儲的限制，不能保存設備運行的數據，從而不能對設備的數據進行統計分析和趨勢預測，同樣也不能實現對同類型設備故障數據的統計分析;而對于便攜式狀態監測與故障診斷系統雖然能實現對部分數據的存儲，并對存儲的數據展開統計分析和趨勢預測，但存儲的數據很有限，而且不能實現對設備運行狀態的實時監測，加之對分散作業的工程機械來說，還需要派專人進行現場巡檢，使其在工程機械上的使用還存在諸多不便。因此，在對工程機械的狀態監測中推薦采用遠程狀態監測系統。

3.結束語

起重機械結構健康監測有助于管理人員更方便地判定起重機金屬結構的安全狀況，及時發現損傷并跟蹤損傷的擴展，能夠在損傷導致結構失效前發現損傷并及時停機維修，避免引發重大事故，這對管理起重機運營安全有很大幫助，具有科研價值和實際的工程應用價值。

參考文獻：

[1]熊峻江.疲勞斷裂可靠性工程學[M].國防工業出版社，2008.

[2]李宏男，任亮.結構健康監測光纖傳感技術[M].中國建筑工業出版社，2008.