起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)分析

侯振寧 武珂

摘要：起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有助于判定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全狀況，及時發(fā)現(xiàn)損傷并跟蹤損傷的擴(kuò)展，能夠在損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效前及時停機(jī)維修，可提高起重機(jī)械使用安全。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械;金屬結(jié)構(gòu);健康監(jiān)測;安全評估

起重機(jī)械屬于對國家明確規(guī)定的涉及人身和財產(chǎn)安全，具有較大危險性的特種設(shè)備。在用起重機(jī)械主要由特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)采取定期檢驗(yàn)的方式來保障使用過程安全，逐臺定期檢驗(yàn)的缺點(diǎn)明顯：大部分檢驗(yàn)項(xiàng)目是在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，檢驗(yàn)結(jié)果難以反映起重機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài);單臺設(shè)備檢驗(yàn)時間有限，自動化水平低，沒有獲得起重設(shè)備以往累積的應(yīng)變、振動等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù);只能得出“合格”或“不合格”結(jié)論，無法精確評估起重機(jī)械當(dāng)前的安全等級、進(jìn)行安全預(yù)警及設(shè)備的剩余疲勞壽命預(yù)測;起重機(jī)械始終處于動態(tài)使用過程，特定日期的一次性人工檢驗(yàn)難以從根本上發(fā)現(xiàn)安全隱患、杜絕安全事故的發(fā)生;而且，隨著起重機(jī)械數(shù)量的快速增長，傳統(tǒng)的依靠檢驗(yàn)人員逐臺定檢的方式已不適應(yīng)新的形勢下現(xiàn)代社會的發(fā)展。

2014年1月1日起施行《特種設(shè)備安全法》第四十八條明確要求特種設(shè)備達(dá)到設(shè)計使用年限繼續(xù)使用的，應(yīng)當(dāng)通過安全評估。安全評估的基礎(chǔ)和前提是對起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測。所以，對起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.傳感監(jiān)測技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展是以先進(jìn)的傳感元件為技術(shù)基礎(chǔ)。傳感監(jiān)測技術(shù)有別于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)，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(tǒng)分析起重機(jī)械的健康狀態(tài)。多測點(diǎn)多狀態(tài)傳感技術(shù)可以獲得起重機(jī)械工作中狀態(tài)參數(shù)，目前應(yīng)用較廣的監(jiān)測傳感原件主要是光纖光柵傳感器和聲發(fā)射信號傳感器。

1.1應(yīng)力監(jiān)測

應(yīng)力監(jiān)測傳感裝置主要采用應(yīng)變片和光纖光柵。應(yīng)變片監(jiān)測法是利用金屬的“應(yīng)變—電阻”效應(yīng)制成電阻應(yīng)變計，應(yīng)變變化導(dǎo)致電阻變化，測量電阻變化值轉(zhuǎn)換得到應(yīng)變值。應(yīng)變片監(jiān)測存在諸多不足之處，長期在工作環(huán)境下出現(xiàn)銹蝕、信號漂移、耐久性差、受干擾能力下降等缺點(diǎn)，因而不適用于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)長期在線監(jiān)測。光纖光柵傳感裝置是利用光纖光柵的波長對溫度、應(yīng)力等物理量的敏感特性制成的光纖傳感器，光纖光柵應(yīng)力監(jiān)測法是利用光纖光柵傳感器對起重機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測的一種方法，是繼應(yīng)變片測試技術(shù)后傳感技術(shù)發(fā)展的新階段。光纖光柵傳感器與傳統(tǒng)應(yīng)變片傳感器相比具有體積小、抗電磁干擾、本質(zhì)防爆、抗腐蝕、耐高溫、集成化、本征性的特點(diǎn)，而且能串接復(fù)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，粘貼或嵌入到結(jié)構(gòu)中不會對其性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。可見，光纖光柵傳感技術(shù)十分適合長時間連續(xù)工作狀態(tài)下。光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測時，還可以增加溫度和加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)振動模態(tài)分析。

1.2聲發(fā)射信號監(jiān)測

聲發(fā)射監(jiān)測是利用聲發(fā)射技術(shù)對起重機(jī)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行監(jiān)測，從而時實(shí)在線分析判斷起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下局部損傷狀況的一種監(jiān)測方法。聲發(fā)射是材料受力變形釋放出應(yīng)力波的一種物理現(xiàn)象，應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，所以獲取并分析材料發(fā)出的聲發(fā)射信號能夠達(dá)到檢測和定位材料中缺陷的目的。聲發(fā)射檢測技術(shù)就是利用儀器獲取、記錄和分析聲發(fā)射信號并根據(jù)聲發(fā)射原理對聲發(fā)射源進(jìn)行定位和定性的技術(shù)，它的信號來自于缺陷自身，屬于動態(tài)的無損檢測技術(shù)，用聲發(fā)射檢測技術(shù)可以獲取缺陷的活動性以及損傷的嚴(yán)重性，同時也可以對應(yīng)用手段加以改進(jìn)，利用聲發(fā)射技術(shù)達(dá)到監(jiān)測和診斷的目的，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射監(jiān)測。與應(yīng)力監(jiān)測法相比，聲發(fā)射監(jiān)測法具有動態(tài)、實(shí)時、整體和連續(xù)等特點(diǎn)，聲發(fā)射技術(shù)不僅可對是否存在缺陷進(jìn)行檢測 ?，還可對缺陷的活度進(jìn)行判斷，進(jìn)而為起重機(jī)械的有效安全監(jiān)測提供準(zhǔn)確的依據(jù)，更適用于監(jiān)測起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的塑性變形、裂紋擴(kuò)展等實(shí)時狀態(tài)。聲發(fā)射技術(shù)的局限性在于復(fù)雜的起重機(jī)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聲發(fā)射源較多，典型聲發(fā)射信號的獲取還不夠完善，信號分析、聲發(fā)射源識別都有一定的難度，并且傳輸距離短。由于目前統(tǒng)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(yuǎn)距離監(jiān)測，在遠(yuǎn)距離傳輸和在充斥著電磁波的環(huán)境中使用時，目前的聲發(fā)射系統(tǒng)會變得十分不可靠，檢測結(jié)果也就沒有了其應(yīng)該具有的價值。

2.監(jiān)測和診斷系統(tǒng)

目前在起重機(jī)械上使用的監(jiān)測和診斷系統(tǒng)大致可分為：①離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：是利用嵌入式技術(shù)開發(fā)的具有簡單數(shù)據(jù)分析功能的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并集成到工程機(jī)械上，可以實(shí)時監(jiān)測工程機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)故障;②便攜式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)：是集數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、分析于一體的便攜、輕巧的狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，相對離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，具有適應(yīng)范圍廣、能夠?qū)Χ嗯_設(shè)備進(jìn)行診斷分析的優(yōu)點(diǎn);③在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：是在離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用無線通訊技術(shù)，增加遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸功能，通過服務(wù)器對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計分析和趨勢分析，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)對同類設(shè)備故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，由于受到數(shù)據(jù)存儲的限制，不能保存設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)，從而不能對設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和趨勢預(yù)測，同樣也不能實(shí)現(xiàn)對同類型設(shè)備故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析;而對于便攜式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)對部分?jǐn)?shù)據(jù)的存儲，并對存儲的數(shù)據(jù)展開統(tǒng)計分析和趨勢預(yù)測，但存儲的數(shù)據(jù)很有限，而且不能實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，加之對分散作業(yè)的工程機(jī)械來說，還需要派專人進(jìn)行現(xiàn)場巡檢，使其在工程機(jī)械上的使用還存在諸多不便。因此，在對工程機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測中推薦采用遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

3.結(jié)束語

起重機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有助于管理人員更方便地判定起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的安全狀況，及時發(fā)現(xiàn)損傷并跟蹤損傷的擴(kuò)展，能夠在損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效前發(fā)現(xiàn)損傷并及時停機(jī)維修，避免引發(fā)重大事故，這對管理起重機(jī)運(yùn)營安全有很大幫助，具有科研價值和實(shí)際的工程應(yīng)用價值。

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