起重机械结构健康监测关键技术研究

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Abstract：Aiming at the research situations of critical technical problem in structural health monitoring of hoisting ma-chinery，the paper summarizes the critical technologies regarding the structural health monitoring based on optical fiberacoustic emission，monitoring based on structural vibration analysis，monitoring based on digital image processing technol-ogy，monitoring based on structure stress and strain distribution.The research on structural monitoring of cranes is curentlyat the initial stage，with high cost and low accuracy；a large amount of emphasis shall be put on the selection of optimalquantities of sensors，reasonability of distribution locations，receiving and wiring of sensor signals，durability，anti-inter-ference，noise proof，an d recognition precision of smart sensors，as wel as the noise proof，robustness，and visuality ofsensor network，which shows a heavy and long-term chalenge for structural health monitoring of hoisting machinery。

Keywords：crane；structural health monitoring；Finite Element；research0 前言起重机结构降监测和安全预警技术是指利用无损检测技术获取起重机金属结构的实时信息，可通过数据采集与处理系统获得-定的结构降性能指标，用来反映结构的运行状况，且具有相应的提前预警功能。

结构降监测与安全预警技术的研究是-个多学科交叉的前沿综合领域，涉及测控、力学、材料、机械、电气、信息通信等多个学科研究领域。自从 1979年，美国弗吉尼亚理工学院及州立大学的 Claus等人首次将光纤传感器埋人碳纤维增强复合材料蒙皮中，使材料具有感知应力和判断损伤的能力，人类历史上便有了第-次关于结构降监测系统的初步尝试。之后，结构降监测便广泛应用于航空、航天、桥梁、大坝、公路等的监测，并且技术也逐步完善起来。

围绕起重机械结构降监测与安全预警方面的研究，目前主要有基于光纤声发射的结构降监测、基于结构振动分析的结构降监测、基于数字图形图像处理技术的结构降监测和基于结构应力应变分布的结构降监测等，采用的数据提取与采集手段多集 中在光纤光栅传感器、振弦式传感器和电阻应变式传感器等。

1 基于光纤声发射的结构降监测光纤声发射 (AE)传感技术的基本原理是：将光源的光经过人射光纤传到调制区，在调制区国家质检总局 基于物联网的起重机金属结构降监测与预警系统”(2012QK069)、广东什全生产专项 大型起重机械结构降监测与安全预警技术研究及典型工程示范 (2012-7)”、珠江科技新星专项 (2013075)《起重运输机械》 2013(8) - 69-内待测声发射 (AE)波对光进行调制，使光的光学性质的某-方面 (如强度、波长、相位、偏振态、频率等)发生变化，使已调制光携带声发射波的信息，然后将已调制光送入解调装置即可获得待测参数。声发射监测的原理框图见图 1。 ，至兰H重茎H 至H茎兰H 薹H 萎Gordon R.D.等人在航空母舰上用的电动桥式起重机主梁上进行了载荷试验，对整个载荷试验过程进行了声发射监测。研究结果表明，与仅进行载荷测试相比，采用结合声发射监测的载荷测试能够获取更多关于起重机主梁缺陷方面的信息，而且能够对这些缺陷进行定性分析。

武汉科技大学的孙德平较早将声发射技术应用到起重机检测。他对起重机主梁进行了疲劳加载实验，首次将声发射应用于起重机主梁安全评价，采用声发射技术监测加载过程，对监测到的声发射信号进行分析，通过频谱变化找出主梁裂纹的位置，然后采取适当措施。通过参照金属压力容器声发射检测和结果评价的方法对主梁声发射源强度及活度进行等级划分，不过这种划分用于起重机声发射源评定的准确性仍需要进-步验证。此外，北京航天航空大学、三峡大学、武汉理工大学都有针对起重机应用声发射技术的研究工作。

广州特检院开发了基于声发射的起重机裂纹监测系统，主要针对起重机回转支承在起重机故障诊断尤其是在早期故障诊断方面所面临的难点问题，对回转支承裂纹形成的机理进行分析，讨论了利用声发射技术对回转支承进行裂纹检测时声源定位与严重程度评价等方面的问题。

根据声发射源信号在回转支承内部的传播状况，建立基于线性时差的声发射源定位识别方法。

通过平滑伪Wigner-Vile分布对阈值的时差估计进行修正，以此为基带行模拟试验验证及数值仿真分析，利用从拉伸试验全过程中获取的声发射波形信号，选择小波包能量谱作为特征参量，根据整体拉伸过程试件经历的各个阶段，建立基于小波包能量谱及支持向量机 (SVM)的声发射信- 70 - 号严重程度识别方法。

中北大学的许蕾进行了基于光纤声发射技术的大型起重机局部损伤监测技术的研究。该研究以大型起重机的金属结构为对象，提出了针对大型起重机金属结构基于光纤声发射技术的故障诊断与在线监测新方法♂合声发射技术、光纤传输技术以及在线降检测系统，建立了大型起重机光纤声发射系统。其设计的硬件系统见图2、图3。

离发射传感器H 协 议转换ECL驱动器]APC电路ATC电路半导体激光器(LD)热敏电阻热电制冷器光隔 光纤传输电光转换模块- 图2 大型起重机光纤声发射系统硬件设计图光纤声发射在线监测软件系统传感器设置 茎，oI!，l i lo功能层 数据层图3 大型起重机光纤声发射系统硬件设计图虽然目前国内的相关研究已经取得很大成果，并大量应用非称学的分析如小波分析，支持向量机等方法进行信号处理，但在实际应用中还存《起重运输机械》 2013(8)在很多问题需要解决，需要大量现场试验和实验室实验寻找规律、开发软件。

2 基于结构振动分析的结构降监测通过监测结构中的损伤或状态变化，导致结构动力学各种参数的变化，搜集观测到的信号变化信号并与基准信号进行对比，选择其中最有可能的变化来判断结构的真实情况。目前常用到的参数有振型、频率函数、频率、模态曲率、功率谱、传递函数及能量传递谱 (ETR)等，通过比较这些参数的变化来判断结构的损伤情况。

山东大学的阎玉芹博士进行了塔式起重机钢结构降监测技术与实验的研究。该研究以塔式起重机的塔身顶端倾角为特征参量，建立了塔式起重机正常工作状态下的顶端倾角特征模型以及钢结构损伤状态下的顶端倾角模型，以此为基础进行损伤部位判断。提出了位移变化率的计算模型，并与支持向量机相结合，可较容易地判断塔式起重机结构的损伤位置〃立好模 型后，对Frz6010(80)型塔式起重机采用高强度螺栓连接的2个标准节主弦杆模型进行损伤测试试验♂果表明：当塔式起重机结构出现损伤时，其测点状态会与完好时存在较大差异。最后，通过组建塔式起重机综合监测系统来实时监测其运行情况，实现对其运行状况的实时监控及剩余寿命估计。

香港理工大学的Z.Y.SHI和 S.S.LAW应用损伤前后结构的模态应变能变化来作为损伤的识别指标。在钢结构上随机制造几处损伤然后观察模态应变能的变化情况，寻找相关规律并确定其位置〃立好相关模型之后，在-座双层的钢架结构上进行了实际测试实验，结果证明模态应变能对损伤信号具有较强的敏感性。该方法简单，容错性强。在此之后，z.Y.SHI在原有基础上提出- 种损伤程度诊断的改进方法。这种方法降低了有限元模型的误差和模态截断误差对最终计算准确性的影响，改进方法提高了上-篇相关文献算法上的收敛性。

3 基于数字图形图像处理技术的结构降监测计算机图像处理技术又称为数字图形图像处《起重运输机械》 2013(8)式 传感器 H 数据采集与处理系统结构理论模型l l厂--.叶1仿真技术损伤诊断模型 J前端 1日U塥蜜 I数据库监测状态评估---r----- 安全评估[二 寿命评估[二 事故预警[二二 管理报表报警I I网络公告l I信息查询 监控中心图4 塔机综合监测系统结构图理技术，其主要原理是将采集到的图像信息转化为数字信息，并利用计算机进行除噪、增强、复原、分割、提取等处理的方法与技术。在起重机在线降监测技术中，应用三维立体技术、激光技术、数字集成化技术等来实现安全预警与报警的功能。

韩国延世大学为塔式起重机开发了-套数字导航系统，用于扫除塔式起重机操作员在操作中可能出现的盲点地带的不安全问题。虽然现代摄像技术和防冲撞系统已经被采用，但现代摄像技术并不能够提供准确的距离判断和起重机周围的具体情况，而防冲撞系统只有在进行数据分析后才可提供准确的位置信息。延世大学设计的这套导航系统 (见图5)是通过建立好的三维立体模型以及布置好的多个传感器来判断起重机的周围环境和具体位置。其设计宗 旨是 易用”且 有用”。把做好的系统安装在-台塔式起重机上进行71 d试验后发现，研发出的导航系统的判断快速与准确性达到了93.33%，相比于依靠防冲撞系统的6.67%具有明显的优势。 韩国延世大学除了开发 了上述的塔式起重机数字导航系统外，还开发了-套基于激光技术的塔式起重机提升路径跟踪系统，这套系统有望能使塔式起重机的效率提高 9.9% ～50%。原来的塔- 71 - 管统决二控制中 己位置跟踪传感器塔式起重机控制室H 监视器 务器l I壅 笪星堡型地面控制室图5 塔机数字导航系统框架图式起重机提升路径跟踪系统存在运行路径固定，存在盲点等缺陷，在此基础上利用激光设备、编码器、加速器，并在塔式起重机的控制室内外和振动的条件下测试了基于激光技术的塔式起重机提升路径跟踪系统的可行性。试验结果表明，基于激光技术的塔式起重机提升路径跟踪系统尤其在控制室外使用，虽有限制条件，但仍有非常高的准确性。

上夯通大学结合现场数据和三维仿真进行了塔式起重机的监测与预警技术研究。但利用照相机技术在无线网络传输速度低的情况下不能满足塔式起重机降监测和预警的需要，在这种背景下，他们开发出-套基于现场数据和三维仿真的远程数据处理系统用于塔式起重机的降监测与预警技术。这套系统遵循IEEE1451.2 网络标准协议，利用局域网总线来完成数据传输。塔式起重机建立分层体系结构后对其三维模型建立动态模型，建立拈化结构 (将塔式起重机的各部分参数化和拈化后将更加有利于数据的分析)后处理数据，通过事件触发器和变异计算的方式做出事件处理决定，目前设备已经成功安装到 2台塔式起重机上使用。其三维监测系统框图如图6所示 。

4 基于结构应力应变分布的结构降监测应力是结构受到外部力以后本身产生的-个与外力平衡的力，是面积力。应变是由内力或外力引起的结构的变形与原形状的比值 (无量纲)。应力与应变在弹性范围内有相应的比例关系，orE8。

应力为面积力，无法测量，故应力应变测试是应变的测量，在通过应变与应力的关系算出应力值的。

来 自京都大学的刘正博士以及来 自宾夕法尼- 72 - 图6 基于数据处理塔机三维监测系统框图亚州立大学的 Nezih Mrad讲述了应用贝叶斯网络算法验证应变式传感器在结构降监测过程中的应用♂构降监测经常采用多传感器方式来监测钢结构的运行状况，但当其中-个传感器发生故障时就会产生不准确的信息甚至给系统带来错误的影响，这也将进-步影响到更高层的决策和服务。在此情况下，刘正等人在-个铝盘上采用贝叶斯网络算法布置传感器进行试验，验证这样的方式是否会减少上述现象的发生。贝叶斯网络算法是通过大量的试验数据 (传感器结构、传感器冗余、传感器数据的离散范围)统计而得出的布点方式，并通过试验验证了贝叶斯网络算法在布置传感器的可行性。实验结论显示，虽然传感器持续运行的准确性还依赖于传感器测量读数的离散型，但通过贝叶斯网络算法得到的数据依然具有确定性，越小的数据范围，越高的准确性，但分辨率可能会降低。

来自西班牙瓦伦西亚理工大学建设工程专业的Benjamin Tores、Ignacio Payt-Zaforteza等人发表了题为 《结构降监测中新的光纤光栅传感器应变传递分析》的文章，设计了-种应用非对称包装配置的光纤光栅应变传感器 (如图 7所示)，安装到被监测结构的表面。他们将传感器、包装粘贴于主机结构，然后应用 3D有限元数值分析方法分析：1)粘接剂的厚度和机械性能；2)结构的包装上的传感器的精度对整个传感器精度的影响。通过数值模型得到的结果显示，通过3D有限元模型建立起来的系统测得的应变与在主机结构实际 (在非对称包装配置情况下仅包含-层复合材料)测到的应变值相差小于2.5%。这种应用非对称包装设计的光纤光栅应变传感器相比于传统光纤《起重运输机械》 2013(8)--勰-勰--表面应变传感器的典型配置可以说是-种进步。

聚酯树脂呈-I--I玻璃纤维鄹 墨光纤-------曰------- 包装层图7 瓦伦西亚理工大学设计的传感器包装层结构图来自希腊 帕特雷大学机械工程与航空系的Ch.E.Katsikeros和 G.N.Labeas提出了-种基于反向传播前馈人工神经网络算法的，应用应变测量的结构降监测新方法。文章设计了-种典型飞行器搭接结构的裂纹的疲劳损伤状态预测下结构降监测方法以及识别它的能力和缺点。这种人工神经网络算法通过采集大量数据进行快速傅里叶变换 (FFr)最终得到合适架构。他们利用有限元子结构分析方法进行搭接结构的应力应变分析，这种方法通过实验验证时可行，大量数据及结果表明在破坏位置和程度不明的情况下，通过有限元计算能够准确地预测搭接结构的裂纹的位置和长度。有限元子结构分析方法除了能够简单预测疲劳损伤的位置和长度，也可以应用于更为复杂的破坏和损伤预测。

5 研究展望综述围绕起重机械结构降监测与安全预警方面的研究，从结构降监测采用的基本原理出发，分别从基于光纤声发射的结构降监测，基于结构振动分析的结构降监测，基于数字图形图像处理技术的结构降监测，基于结构应力应变分布的结构降监测4个方面进行了综述，使读者对目前结构降监测的整体研究情况有了-个全面的认识。起重机结构降监测研究与预警技术目前尚处于起步阶段，自动识别损伤能力尚不具备。以下几个方面是需要进-步研究的问题：1) 目前起重机结构降监测系统存在成本高、精度低的劣势。这些问题需要结合无线网络技术、物联网技术、传感网络优化布设方法等现代通信技术来解决。目前这些技术已经在航空航天方面广泛应用 ，但在起重机方面还缺乏有效的《起重运输机械》 2013(8)实际应用方法来改善传感器的精度和成本问题。

2)传感器最佳数量选择，布点位置的合理性，以及传感网络的抗噪性、.鲁棒性、可视性研究仍然是较空白的方面，但也是必须要解决的方面。

3)传感器信号的接收与布线仍然是急需解决的问题。如何采用无线发射信号及供电问题，要求不影响起重机固有的布线、结构及 日常的运行工作，是实际需要考虑的问题-发出的系统更可推广到大型游乐园设备的在线降监测。

4)智能传感元件耐久性及抗干扰、抗噪、识别精度问题。大部分起重机均坐落于户外，会受到强风雨、雷电、粉尘等恶劣环境的影响。