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)備檢驗研究院，福建 福州 350001；2.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108；3.福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350002；4.華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點實驗室，上海 200237）

0 引 言

港口起重機是一種間歇式工作機械，起重機的上升啟動、上升制動、下降制動和下降制動過程為非穩(wěn)定過程，故起重設(shè)備結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生沖擊和振動，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械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性。另外，港口起重機工作環(huán)境惡劣、使用頻繁，且服役周期長，其金屬結(jié)構(gòu)隨著服役時間的增長必然會出現(xiàn)不同程度的損傷。目前，我國針對起重機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、感觀判斷、停機測量、磁粉探傷等。常規(guī)檢測手段相對落后，檢驗人員工作量大、檢測效率低，而且常規(guī)檢測方法基本上都是在停機狀態(tài)下進行，檢驗結(jié)果難以反映起重機械實際運行狀態(tài)[2]。由于缺少長周期運行狀態(tài)量，人們無法預(yù)測在役起重機械結(jié)構(gòu)的抗力水平和剩余壽命，對于超期服役起重機械，缺少安全評估的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和降級改造的科學(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技術(shù)和評價方法，以便對其穩(wěn)定性和安全狀況進行監(jiān)測和評價。龔凌諸等[3]采用自然環(huán)境激勵技術(shù)對港口起重機進行了工作振動模態(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)變法測試了起重機結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)，分別為進行金屬結(jié)構(gòu)耐久性評估以及動態(tài)測試試驗?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)將起重機的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集到維護維修中心，供技術(shù)人員對起重機的健康狀況作出評估。由于港口起重機尺寸比較大，往往需要很長的電纜線連接傳感器和測試系統(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)量比較多的場合，各條電纜線的互相纏繞也是個需要考慮的問題。另外，雖然無線傳感系統(tǒng)的使用是大型特種設(shè)備檢驗的發(fā)展趨勢，但是無線傳感設(shè)備的供電電源的長時間供電也是個需要解決的問題。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)用能力強及能實現(xiàn)實時分布式測量等其他傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)勢，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)備的長時間供電電源問題。

本研究利用光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)對在役港口起重機進行狀態(tài)健康監(jiān)測。

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

基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機健康監(jiān)測系統(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)測軟件等組成。溫度光纖光柵用于溫度補償。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該波長出現(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布拉格中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息，這是一種波長調(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健康監(jiān)測系統(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，光柵將起到一個反射鏡的作用，反射回一個窄帶光波（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即為光柵布拉格波長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，Λ和neff都會受外界環(huán)境影響而發(fā)生變化，表示為ΔΛ和Δneff，導(dǎo)致符合Bragg 條件的反射波長發(fā)生位移，即ΔλB。對式（1）進行微分運算，可得：

式（2）即為光柵傳感檢測機理，通過檢測滿足Bragg 條件的反射波中心波長發(fā)生位移ΔλB 來檢測作用在光纖上的溫度、應(yīng)變等外界被測信號。

在實驗室條件下，為了檢驗自研發(fā)的反射式光纖光柵傳感港口起重機健康監(jiān)測系統(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)變片分別對加載砝碼的等強度梁進行測量。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)變片測量結(jié)果比較圖

由圖3 可知，兩種測量結(jié)果有較好的一致性，從而驗證了該港口起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)的實效性。

2 港口起重機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

某港口起重機的結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，該港口起重機的4 個監(jiān)測點A、B、C 和D 如圖4（b）所示，本研究同時對4 個監(jiān)測點的應(yīng)變和溫度進行監(jiān)測，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)的港口起重機健康監(jiān)測系統(tǒng)針對以下3 種典型起重機的工作狀況進行監(jiān)測。

2.1 起重機臂架變幅（工況一）

起重機變幅的過程如下：

（1）最大幅度狀態(tài)下進行吊重；

（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)測點D 的應(yīng)變曲線如圖5（a）所示。該應(yīng)變曲線中波動的部分記錄了變幅過程中起重機產(chǎn)生振動引起結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力變化，同時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 某港起重機的結(jié)構(gòu)及測試分布

2.2 旋轉(zhuǎn)起重機臂架（工況二）

起重機旋轉(zhuǎn)臂架的過程如下：

（1）最大幅度狀態(tài)下進行吊重；

（2）重物起升；

（3）順時針旋轉(zhuǎn)180 °；

（4）逆時針旋轉(zhuǎn)180 °；

（5）重物下降；

（6）載荷落地。

起重機旋轉(zhuǎn)過程中監(jiān)測點D 的應(yīng)變曲線如圖5（b）所示。旋轉(zhuǎn)過程中起重機產(chǎn)生振動引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍有大約30με的波動。

2.3 一次完整起吊和卸載過程（工況三）

起重機完成一次起吊和卸載過程如下：

（1）最大幅度狀態(tài)下進行吊重；

（2）重物起升；

（3）順時針旋轉(zhuǎn)135 °；

（4）重物起升；

（5）順時針旋轉(zhuǎn)45 °；

（6）下降制動；

（7）載荷落地；

（8）起升；

圖5 起重機監(jiān)測點D 應(yīng)變曲線

（9）逆時針旋轉(zhuǎn)45 °；

（10）變幅至最大；

（11）逆時針旋轉(zhuǎn)135 °；

（12）下降制動；

（13）載荷落地；

（14）起升；

（15）逆時針旋轉(zhuǎn)45 °；

（16）變幅至最?。?/p>

（17）逆時針旋轉(zhuǎn)135 °；

（18）順時針旋轉(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應(yīng)的應(yīng)變曲線如圖5（c）所示，在實際工況中，應(yīng)力的波動范圍比變幅和旋轉(zhuǎn)過程更大。實際中，起重機在載荷多變的工作環(huán)境中長時間服役中，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械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性，因此對起重機的結(jié)構(gòu)進行健康檢測是非常必要的。

由圖5 可以看出，應(yīng)變曲線很好地記錄了整個變幅、旋轉(zhuǎn)和整個起吊卸載工作的過程，信號有較好的信噪比。現(xiàn)場實測結(jié)果驗證了該方法的可行性，可為港口起重機的在線安全診斷和預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié)束語

港口起重機工作環(huán)境惡劣（受臺風(fēng)、地震和腐蝕等影響）、使用頻繁、載荷多變，且服役周期長，其金屬結(jié)構(gòu)隨著服役時間的增長必然會出現(xiàn)不同程度的損傷。港口起重機是一種間歇式工作機械，起重機的上升啟動、上升制動、下降制動和下降制動過程為非穩(wěn)定過程，故起重設(shè)備結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生沖擊和振動，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械零件的壽命、結(jié)構(gòu)可靠性。為了掌握在役港口起重機運行時的健康狀態(tài)，筆者研究了基于光纖光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)的在役港口起重機健康監(jiān)測，采用具有溫度補償功能的反射式光纖光柵傳感系統(tǒng)對港口起重機幾種典型工況（變幅、旋轉(zhuǎn)、吊重和卸載等）進行實時在線監(jiān)測。

實驗室和現(xiàn)場實測結(jié)果驗證了該方法的可行性并突出了港口起重機結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測的必要性?，F(xiàn)場實測結(jié)果為港口起重機的在線安全診斷和預(yù)測提供了數(shù)據(jù)支撐。

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