状态监测技术在起重机械安全评估中的作用

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雏 熏 蠛襄 鼹 謦鼹王伟雄 王新华 黄国健王东辉 谢小鹏对大型起重机金属结构进行安全评估的目的是要全面、客观反映金属结构的安全性、可用性与耐久性 ，并以此为依据提出维护决策 引。在对金属结构进行安全评估时，需综合利用现代数学和力学分析的理论，结合现代化的检测、监测、分析等手段，采用多学科交叉结合的形式，才能得到合理的评估结果” 。在众多安全评估技术中，状态监测技术也渐渐得到重视，本文将对状态监测在安全评估中的应用进行研究 。

状态监测就是对运转中的整体设备或其它零部件的技术状态进行检查、鉴定，并判断其运转是否正常，有没有异常与劣化征兆 ，或者对异常情况来进行追踪 ，预测其劣化趋势，并确定其劣化及磨损程度等 J。国内对起重机械安全保证仍然以维保单位的 定期保养 ，事后维修”和质检部门的定期验证性检验为主，缺乏-种大型起重机结构降监测与预警技术，亟需提出有针对性的措施来预防此类事故发生。物联网技术和现赤测监控的紧密结合，是现赤测监控技术特别是特种设备安全监测技术的发展的趋势 。其中，由传感网、因特网、移动通信网三网”有机融合的基于物联网的起重机结构降监测与安全预警技术在起重机械监测监控的应用中，实现了起重设备远程监测和预警所必须的信号采集、信号处理、智能组网、信息服务以及输出控制等功能，是对起重机械监测、监控、安全评估的重要发展趋势之- 。

本文将从介绍状态监测技术的应用状况人手，具体阐述基于降监测系统的大型起重机状态检测技术及其在起重机械安全评估中的作用。

广州市特种机电设备检测研究院华南理工大学1状态监测技术1.1状态监测应用现状状态监测是为基于状态的维护 (Condition-Based Maintenance，CBM)或预知性维护(Predictive Maintenance，PM)服务的-种技术。起重机状态监测是-种掌握起重机动态特性的检查技术。它包括各种主要的非破坏性检查技术，如振动理论 、噪音控制 、振动监测、应力监测、腐蚀监测、泄漏监测、温度监测、磨粒测试 (铁谱技术)、光谱分析及其他各种监测技术等。 起重机状态监测的实现方式多种多样，其中基于物联网的结构降监测是目前实现状态检测的有效途径之-。

基于物联网的结构降监测系统在桥梁上的应用 已非常广泛 ，美 国ClarkS0n UniVersitY的Gangone， Michael V等人开发了基于物联网技术的桥梁状态 评估 和监控监 测系统 ，英 国Liverpool John Moores University的Mason，A.等人 ，针对压力气瓶使用范围广、使用工况复杂对气瓶库存和安全管理提出的特殊需求，开发了-种基于物联网技术的压力气瓶库存管理和气瓶状态监测系统。此外 ，基于物联网的结构降监测系统也 已大量 应用于电厂设备、汽车、医院设备等的监测 ，并得到较好的应用效果 。鉴于起重机金属结构与其他设备的共同性 ，可将基于物联网的结构降检测与预警系统的思路延用到起重机的在线监测中。满足在恶劣环境下长期稳定工作的要求。

试验与研夯1.2基于物联网的起重机结构降监测与预警系统为满足强风雨、雷电、粉尘等恶劣环境下监测系统能长期稳定工作的要求，可选用光纤光栅传感器建立基于物联网的结构降检测与预警系统。为了适应恶劣的环境 ，物联网感知层采用抗干扰能力强的传感器件，以可靠获取起重机械结构在整机运行过程中关键参数 ；物联网网络层的传感数据经解调、压缩后通过高速现代移动通信网络向中央服务器发送 ，切实体现安全监测的实时性；物联网应用层通过对起重机械金属构件应力 、应变等关键特征信号的提韧准确识别方法 ，对起重机结构健康状况进行在线监测 ，建立起重机械结构降风险等级评价准则 ，提出起重机械结构降预警技术，利用每 日的监测数据 ，可以编制载荷谱 ，为起重机安全评估工作提供更翔实 的数据。基于物联 网的起重机械结构降监测与预警系统总体技术方案如图1所示。

厂l数据通信I 人机界面 在线评估～ ☆系统参数设置☆起重机 ：维模l ☆安令预警磁据二 厂 ☆系统工作状态 ·1. ☆T作日评f 监测与预警提 累计报告处理 ☆自动预警短信 ☆寿命预测☆数据储 ☆检修、维护经图1起重机械结构降监测与预营系统总体技术方案图其中，物联网感知层采用光纤光栅传感技术 ，实现无电磁干扰、远距离、分布式地获取起重机械结构在整机运行过程 中关键参数 ；物联网网络层的传感数据经解调、压缩后通过高速现代移动通信网络 向中央服务器发送 ，切实提高安全监测的实时性；物联网应用层通过对起重机械金属构件应力、应变等关键特征信号的提韧准确识别，实现起重机结构降状况进行在线监测，建立起重机械结构降风险等级评价准则，最终形成起重机械结构健康预警规范。

起重机金属结构状态是否正常，有没有异常征兆或者故障出现 ，可以根据监测所得到的构件动态参数(如温度、振动、应力等)与缺陷状态对比来加以鉴别。基于物联网的起重机结构降监测系统的实现标准见表1。

系统属性表1判断起重机金属结构状态的标准表构件设备状态性能 缺陷状态正常 在允许值内 满足规定 微小缺陷 满足规定预警 超过允许值 部分降低 缺陷扩大 接近规定，部分降低报警 达到破坏值 达不到规定 破损 达不到规定正常标准，起重机状态监测数值等于或小于允许值时，说明起重机金属结构状态 良好，完全可以正常运行使用；预警标准，起重机状态监测数值达到或超过允许值时，说明起重机金属结构已出现异常，需要注意检查监测，必要时缩短检修周期；报警标准，起重机状态监测数值达到或超过破坏值时，说明起重机金属结构已发生较严重的故障，必须立即进行检修。

2状态监测在起重机安全评估中的应用状态监测的实现技术多样，但能够在强风暴、雷电、粉尘等恶劣环境下长期正常运行的监测方式却较少。利用光纤光栅传感器建立基于物联网的起重机结构降监测与预警系统，不仅能够在恶劣工作环境如电磁尝温度、湿度、化学腐蚀等条件下正常工作，而且具有寿命长，复用性好，实现对现场的实时在线绝对测量、本质防爆、测量范围广、稳定性能好等特点。下面以-台MQ2533门座式起重机为例，介绍基于光纤光栅传感器的结构降监测系统的状态监测技术在起重机安全评估中的应用。

2.1监测系统设计思路在综合考虑起重机的设计强度和典型工况条件下，采取虚拟仿真技术对起重机的应力分布特征进行仿真分析 ，为传感器布设的位置与数量提供参考依据。采用光纤光栅传感技术对门座式起重机关键结构应变进行测量，实现在线实时监测需要布置的传感器往往有几十个甚至更多，应变测量结果存在多参数、多传感耦合现象♂合起重机金属结构实时应变信息，研究出-种起重机械金属构件损伤特征信号的提韧损伤识别方法，最终开发-套基于光纤光栅传感器的起重机结构降监测与预警系统。

2.2监测系统传感器布置设计系统主要由解调仪、光纤光栅传感器、安装在司机室的触摸屏显示器组成。传感器的布置主要依据有限元建模与分析 ，根据被检测设备的实际工况，对整机进行结构应力应变分析，从而把传感器布置在各应力集中点。整个监测系统包括1 5个通道 ，共21个应变传感器 ，I1个温度传感器。由于应变传感器对温度的变化比较敏感，故在算法 中加入了温度校正算法 。图2显示出各组传感器的具体分布位置。

图2 1 5组通道传感器分布图2.3起重机结构降监测与预警系统软件开发起重机械降监测与预警软件平台分成五大功能拈，即用户信息处理拈、系统设置拈、数据库管理、降监测拈和帮助拈，各个功能拈下面又有不同的子功能拈。软件平台主界面如图3所示。

图3软件平台主界面图2.4系统应用情况所研发的光纤光栅传感器起重机结构降监测系统己应用于某港口-台MQ2533门座式起重机。通过全天候实时监测起重机金属结构的降安全状况。

1)起重机械降监测与预警系统通过对光纤光栅传感器配置，实现了解调仪数据读娶同时能够进行温度及应变计算和数据存储。

2)实现基于TCP/IP技术B/S模式的起重机械监测信息数据库管理(建库、存储及根据权限查询)。

3)实现起重机械金属构件应力、应变等关键特征信号的实时显示、报警判断基准管理和降预警功能。

4)在监测信息超出预警或报警阈值时向指定的手机 (如起重机管理者等)发出告警信息。

5)对起重机结构降状况进行在线监测，建立起重机械结构降风险等级评价准则，提出起重机械结构降预警技术，利用每日的监测数据，定期编制载荷谱，为起重机安全评估工作提供翔实数据。

监测系统为分布在起重机钢架结构上的每-个应变传感器设置-个临界报警值。正常工作情况下应力温度的显示呈现绿色，并相应的记录数据。当超出设定的临界值时传感器在显示屏上的显示变为红色，并向相关负责人发送报警短信。整个状态监测系统能够提前预防和报警起重机金属构件可能出现的危险情况。

3结论基于光纤光栅传感器的起重机结构降监测技术是起重机状态监测技术的-个重要发展方向，该技术(下转第55页)