起重机械结构健康监测关键技术分析

侯振宁 武珂

摘要：起重机械结构健康监测有助于判定起重机金属结构的安全状况，及时发现损伤并跟踪损伤的扩展，能够在损伤导致结构失效前及时停机维修，可提高起重机械使用安全。

关键词：起重机械;金属结构;健康监测;安全评估

起重机械属于对国家明确规定的涉及人身和财产安全，具有较大危险性的特种设备。在用起重机械主要由特种设备检验检测机构采取定期检验的方式来保障使用过程安全，逐台定期检验的缺点明显：大部分检验项目是在停机状态下进行，检验结果难以反映起重机械的实际运行状态;单台设备检验时间有限，自动化水平低，没有获得起重设备以往累积的应变、振动等运行状态数据;只能得出“合格”或“不合格”結论，无法精确评估起重机械当前的安全等级、进行安全预警及设备的剩余疲劳寿命预测;起重机械始终处于动态使用过程，特定日期的一次性人工检验难以从根本上发现安全隐患、杜绝安全事故的发生;而且，随着起重机械数量的快速增长，传统的依靠检验人员逐台定检的方式已不适应新的形势下现代社会的发展。

2014年1月1日起施行《特种设备安全法》第四十八条明确要求特种设备达到设计使用年限继续使用的，应当通过安全评估。安全评估的基础和前提是对起重机械的金属结构进行健康状态监测。所以，对起重机械结构健康监测具有十分重要的现实意义。

1.传感监测技术

结构健康监测技术的发展是以先进的传感元件为技术基础。传感监测技术有别于传统的检测技术，如射线检测、超声检测等只能完成特定工作状况下特定部位检测，无法全面系统分析起重机械的健康状态。多测点多状态传感技术可以获得起重机械工作中状态参数，目前应用较广的监测传感原件主要是光纤光栅传感器和声发射信号传感器。

1.1应力监测

应力监测传感装置主要采用应变片和光纤光栅。应变片监测法是利用金属的“应变—电阻”效应制成电阻应变计，应变变化导致电阻变化，测量电阻变化值转换得到应变值。应变片监测存在诸多不足之处，长期在工作环境下出现锈蚀、信号漂移、耐久性差、受干扰能力下降等缺点，因而不适用于起重机金属结构长期在线监测。光纤光栅传感装置是利用光纤光栅的波长对温度、应力等物理量的敏感特性制成的光纤传感器，光纤光栅应力监测法是利用光纤光栅传感器对起重机的应力应变进行监测的一种方法，是继应变片测试技术后传感技术发展的新阶段。光纤光栅传感器与传统应变片传感器相比具有体积小、抗电磁干扰、本质防爆、抗腐蚀、耐高温、集成化、本征性的特点，而且能串接复用、通过一根光纤能提供各种物理参量的精确和绝对测量，可集合成分布传感网络系统，粘贴或嵌入到结构中不会对其性能和结构产生影响。可见，光纤光栅传感技术十分适合长时间连续工作状态下。光纤光栅传感技术进行应力监测时，还可以增加温度和加速度传感器，实现振动模态分析。

1.2声发射信号监测

声发射监测是利用声发射技术对起重机产生的声发射信号进行监测，从而时实在线分析判断起重机运行状态下局部损伤状况的一种监测方法。声发射是材料受力变形释放出应力波的一种物理现象，应力波在结构中传播时会携带大量的信息，而通过对这些信息处理，能够提取出反映材料缺陷的数据，所以获取并分析材料发出的声发射信号能够达到检测和定位材料中缺陷的目的。声发射检测技术就是利用仪器获取、记录和分析声发射信号并根据声发射原理对声发射源进行定位和定性的技术，它的信号来自于缺陷自身，属于动态的无损检测技术，用声发射检测技术可以获取缺陷的活动性以及损伤的严重性，同时也可以对应用手段加以改进，利用声发射技术达到监测和诊断的目的，实现声发射监测。与应力监测法相比，声发射监测法具有动态、实时、整体和连续等特点，声发射技术不仅可对是否存在缺陷进行检测  ，还可对缺陷的活度进行判断，进而为起重机械的有效安全监测提供准确的依据，更适用于监测起重机金属结构的塑性变形、裂纹扩展等实时状态。声发射技术的局限性在于复杂的起重机结构，导致声发射源较多，典型声发射信号的获取还不够完善，信号分析、声发射源识别都有一定的难度，并且传输距离短。由于目前统测量装置一般都采用电缆传输测量信号，受传输电缆固有的物理特性影响，使得传输距离受到限制，无法完成远距离监测，在远距离传输和在充斥着电磁波的环境中使用时，目前的声发射系统会变得十分不可靠，检测结果也就没有了其应该具有的价值。

2.监测和诊断系统

目前在起重机械上使用的监测和诊断系统大致可分为：①离线状态监测系统：是利用嵌入式技术开发的具有简单数据分析功能的实时状态监测系统，并集成到工程机械上，可以实时监测工程机械的运行状态，以便及时发现故障;②便携式状态监测与故障诊断系统：是集数据采集、监测、分析于一体的便携、轻巧的状态监测与诊断系统，相对离线状态监测系统，具有适应范围广、能够对多台设备进行诊断分析的优点;③在线状态监测系统：是在离线状态监测系统的基础上，采用无线通讯技术，增加远程无线数据传输功能，通过服务器对设备进行统计分析和趋势分析，而且可以方便地实现对同类设备故障数据的统计分析。

离线状态监测系统，由于受到数据存储的限制，不能保存设备运行的数据，从而不能对设备的数据进行统计分析和趋势预测，同样也不能实现对同类型设备故障数据的统计分析;而对于便携式状态监测与故障诊断系统虽然能实现对部分数据的存储，并对存储的数据展开统计分析和趋势预测，但存储的数据很有限，而且不能实现对设备运行状态的实时监测，加之对分散作业的工程机械来说，还需要派专人进行现场巡检，使其在工程机械上的使用还存在诸多不便。因此，在对工程机械的状态监测中推荐采用远程状态监测系统。

3.结束语

起重机械结构健康监测有助于管理人员更方便地判定起重机金属结构的安全状况，及时发现损伤并跟踪损伤的扩展，能够在损伤导致结构失效前发现损伤并及时停机维修，避免引发重大事故，这对管理起重机运营安全有很大帮助，具有科研价值和实际的工程应用价值。

参考文献：

[1]熊峻江.疲劳断裂可靠性工程学[M].国防工业出版社，2008.

[2]李宏男，任亮.结构健康监测光纤传感技术[M].中国建筑工业出版社，2008.