在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)在港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力中的應(yīng)用

摘 要：伴隨經(jīng)濟(jì)全球化及物流業(yè)的發(fā)展，對(duì)于港口的裝卸要求越來(lái)越高，從而對(duì)裝卸設(shè)備部件的管理提出了新的要求。為了避免港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)機(jī)械骨架由于承受機(jī)構(gòu)傳動(dòng)設(shè)備的重量及另外的負(fù)荷而產(chǎn)生故障，會(huì)對(duì)其進(jìn)行定期的檢測(cè)，但檢測(cè)方式還停留在能過(guò)實(shí)驗(yàn)人員實(shí)施檢測(cè)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的階段，其效率和效果均不太理想。在線監(jiān)測(cè)及故障診斷作為當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)的檢測(cè)方案，已在大型機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢測(cè)和故障診斷中受到重視。但在港口機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，還未得到長(zhǎng)足的發(fā)展，因此，針對(duì)港口機(jī)械的在線監(jiān)測(cè)研究具備良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè)；港口機(jī)械金屬；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

中圖分類號(hào)：F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

港口機(jī)械作為港口裝卸作業(yè)的重要設(shè)備，一旦其機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)失效，會(huì)造成嚴(yán)重后果。曾經(jīng)發(fā)生在秦皇島的港臺(tái)門機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)件的整體斷裂便產(chǎn)生了很大的破壞，這類事故一旦發(fā)生，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)港口工作帶來(lái)極大的不便。

（一）港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的特征

金屬結(jié)構(gòu)在工業(yè)發(fā)展中獲得了廣泛的應(yīng)用。作為完善結(jié)構(gòu)型式，發(fā)展于治金工業(yè)及機(jī)械制造的基礎(chǔ)上，隨著建筑業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展而得到進(jìn)一步的發(fā)展。尤其經(jīng)歷了十八世紀(jì)英國(guó)的產(chǎn)業(yè)革命，治金工業(yè)高速發(fā)展，從生鐵到鍛鐵，通過(guò)鉚釘和螺栓連接。到了20世紀(jì)，隨著煉鋼、軋鋼以及焊接技術(shù)的提升而令金屬構(gòu)造產(chǎn)生了極大的變化，從而更加廣泛地應(yīng)用于海洋工程及港口機(jī)械之中。

港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的作用主要體現(xiàn)在：對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分設(shè)備重及外載茶的承受，同時(shí)，組成整個(gè)的運(yùn)動(dòng)空間及工作體系，推動(dòng)其整機(jī)工作性能的安全和可靠。

（二）港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的失效現(xiàn)象

港口起重設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一些缺陷，某些部位經(jīng)常發(fā)生折斷，比如門座起重機(jī)的臂架、象鼻梁、大小拉桿等，另外通過(guò)焊接的很多部位也容易發(fā)生裂開的現(xiàn)象。很多起重設(shè)備，特別是港口裝卸用的設(shè)備，裂紋現(xiàn)象十分常見，它主要存在于起重設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)件的轉(zhuǎn)折處以及焊縫部位。結(jié)構(gòu)件中的零部件很容易發(fā)生磨損，這些磨損積累到一定程度會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的后果，比如連接螺栓的折斷。當(dāng)起重設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷或超負(fù)荷工作時(shí)，很有可能導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的變形。市場(chǎng)上常用的龍門起重機(jī)、橋式起重機(jī)主梁下?lián)狭刻?，小車在移?dòng)過(guò)程中很容易發(fā)生爬坡或者溜車的意外。自然因素也會(huì)導(dǎo)致起重設(shè)備發(fā)生事故，比如在大風(fēng)環(huán)境下，距離過(guò)近的兩臺(tái)起重設(shè)備很有可能互相撞擊，如果撞擊的力量過(guò)大，甚至?xí)l(fā)生脫軌和傾倒的事故，嚴(yán)重破壞正常的金屬結(jié)構(gòu)。

二、在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)在港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力中的應(yīng)用

（一）大型設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)由上世紀(jì)八十年代開始研究大型設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及故障診斷，政府于1986年成立了中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)故障診斷學(xué)會(huì)，近年來(lái)，工業(yè)部門越來(lái)越重視重要設(shè)備的維護(hù)和管理，這將保障安全生產(chǎn)，推動(dòng)產(chǎn)品的質(zhì)量。

受到醫(yī)學(xué)檢測(cè)及診斷的啟發(fā)，一些技術(shù)人員通過(guò)傾聽機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音來(lái)判斷設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)上，同時(shí)通過(guò)一些現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)，比如系統(tǒng)工程、信息論、控制論等的發(fā)展，并受到這些學(xué)科及技術(shù)的交叉和滲透，繼而產(chǎn)生了新興綜合性的在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)技術(shù)，在港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力中也得到了極好的應(yīng)用。

其作用主要表現(xiàn)在：

（1）通過(guò)早期預(yù)報(bào)告來(lái)防止事故的產(chǎn)生。

（2）進(jìn)行預(yù)知性的維修，以提升設(shè)備的管理水準(zhǔn)。

（3）提高設(shè)備的設(shè)計(jì)及制造水平，從而有助于改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）對(duì)復(fù)雜機(jī)械的工作參數(shù)進(jìn)行確定，提升其效率。

（5）減少噪音及可能發(fā)生的泄漏性污染，對(duì)環(huán)境起到保護(hù)的作用。

在線監(jiān)測(cè)包括，對(duì)港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，故障實(shí)施包括故障信息檢測(cè)、故障特征分析、故障機(jī)理研究和識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式、故障識(shí)別和專家系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的整個(gè)系統(tǒng)。

（二）各種應(yīng)力測(cè)試的方法

靜應(yīng)力測(cè)試：該測(cè)試方法的原理是應(yīng)變片電測(cè)法，測(cè)試條件設(shè)置為靜載荷，測(cè)試對(duì)象為承載能力，測(cè)試結(jié)果和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比，以此判斷機(jī)械的性能。該測(cè)試方法需要布置若干測(cè)點(diǎn)，為了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)點(diǎn)應(yīng)該選擇在應(yīng)力較大、受力較大且受力復(fù)雜的發(fā)生斷裂、變形的部位。

動(dòng)應(yīng)力測(cè)試：該測(cè)試被用于檢測(cè)起重設(shè)備中的金屬結(jié)構(gòu)負(fù)荷動(dòng)載荷的構(gòu)建的承載能力會(huì)不會(huì)超出要求。該測(cè)試也要布置測(cè)點(diǎn)，動(dòng)應(yīng)力測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布置是以靜應(yīng)力測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)行選擇的。通常我們會(huì)選擇靜應(yīng)力值比較大的截面和起重設(shè)備中負(fù)荷動(dòng)載荷最大的截面。該測(cè)試的目的在于找出結(jié)構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)力幅最高值、動(dòng)載荷系數(shù)以及結(jié)構(gòu)的震動(dòng)頻率，最終確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)。

剛度測(cè)試：金屬結(jié)構(gòu)件在承載重物時(shí)必然會(huì)發(fā)生一定程度的變形，剛度測(cè)試的目的就在于檢驗(yàn)這種變形是否超出可接受范圍，進(jìn)而確定該金屬構(gòu)件能否被用于起重設(shè)備上。該測(cè)試的測(cè)點(diǎn)，應(yīng)該設(shè)置在構(gòu)件變位大而且作用重要的部位，比如門座起重機(jī)臂架兩端、橋架類型起重機(jī)主梁下等。另外，檢測(cè)儀器設(shè)備必須要有足夠的精確度，這樣才能保證檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果的可靠性。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)要求，所有的檢測(cè)儀器都要到政府計(jì)量部門進(jìn)行審核。在結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)中，所獲得的數(shù)據(jù)和信息要進(jìn)行詳細(xì)的處理。準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果要以有效數(shù)據(jù)為依據(jù)。

（三）在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)施

要通過(guò)在線監(jiān)測(cè)獲得準(zhǔn)確的港口機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)，首先要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)應(yīng)力信號(hào)的功能。由于應(yīng)力和應(yīng)變二者之間存在的特定聯(lián)系，應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)際上就是應(yīng)力數(shù)據(jù)的來(lái)源。

較早之前實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)也叫實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析，它的原理是在一定的實(shí)驗(yàn)條件下獲取被測(cè)驗(yàn)對(duì)象的力學(xué)特征，比如應(yīng)力、應(yīng)變、位移以及加速度等。該實(shí)驗(yàn)的目的是為力學(xué)領(lǐng)域范圍內(nèi)的工程架構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題以及其他力學(xué)問(wèn)題找到出路和對(duì)策。實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)有很多種方法可供采用，比如常見的應(yīng)變電測(cè)方法、光彈性方法、激光全息干涉法、聲彈性方法等。港口機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)是由三個(gè)部分組成的，即傳感單元、采集單元以及控制處理單元，如圖1所示。

下面我們將針對(duì)這些不同的部分研究各配件在港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1電阻應(yīng)變片在港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

一般來(lái)講，常溫應(yīng)變片都是直接粘附在構(gòu)建的外表。在測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)變片是直接接收構(gòu)件變形信息的。所以，要保證粘結(jié)劑均勻，粘貼牢固。在測(cè)量的過(guò)程中，應(yīng)變片面臨的環(huán)境條件不是不變的，而這很有可能影響應(yīng)變片的粘貼固定效果。為了搜集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還可以考慮用石蠟或是環(huán)氧樹脂在應(yīng)變片的表面進(jìn)行涂抹，起到一定的保護(hù)作用。同時(shí)，對(duì)測(cè)量信號(hào)處理結(jié)構(gòu)也要進(jìn)行篩選，保證測(cè)量結(jié)果中只有要測(cè)量的應(yīng)變，排除掉溫度效應(yīng)帶來(lái)的影響。當(dāng)然我們也能測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，最后再作出校正和修改。

如果是采用物理粘貼劑，必須先把被測(cè)物的表面清理一遍，粘貼劑的選擇也要考慮。除此之外，經(jīng)驗(yàn)也是十分重要的因素，一旦應(yīng)變片粘貼不牢固，在測(cè)試的過(guò)程中就會(huì)發(fā)生蠕變，導(dǎo)致不可接受誤差的出現(xiàn)。

應(yīng)變片固定住之后，要避免空氣中水分的影響。鑒于港口的環(huán)境空氣濕度較高，如果要長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)應(yīng)變片的防潮措施是必不可少的。在完成了應(yīng)變片的固定之后，用密封盒蓋住，然后用屏蔽線把通過(guò)水密接頭的絕緣段子引導(dǎo)出的信號(hào)線輸出出來(lái)，緊接著就是密封盒的固定，然后用硅膠充滿密封盒，將盒蓋擰緊。這種防潮措施十分有效，它能保證應(yīng)變片較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)作，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

2電橋盒的測(cè)試

要想得到應(yīng)變片采集到的數(shù)據(jù)，一定要通過(guò)特定的測(cè)量電路把數(shù)據(jù)導(dǎo)入測(cè)量?jī)x表中去。在本文的測(cè)試中，我們使用電橋測(cè)量電路。首先把應(yīng)變導(dǎo)致的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或是電流信號(hào)，電橋能夠在直流電和交流電條件下使用，它的電源一般都是采用恒壓源。

3動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的測(cè)試

應(yīng)變電測(cè)方法是利用金屬的應(yīng)變—電阻效應(yīng)制成的電阻應(yīng)變片，測(cè)量其電阻變化，間接測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變。由于構(gòu)件應(yīng)變較小，以應(yīng)變?chǔ)?△l/l≈1000μm/m計(jì)，由金屬應(yīng)變片基本特征：△R/R=Kε，一般K≈2.0，則△R/R為2‰，對(duì)于R=120Ω 的應(yīng)變片，△R≈2.4Ω，如要測(cè)量微小的應(yīng)變1～5μm/m，則△R≈0.00024Ω～0.0012Ω，由于電阻變化十分微小，電橋直接測(cè)量應(yīng)變片電阻值的應(yīng)變前后變化，需要最少6～7位精密電橋。這就需要通過(guò)一些測(cè)量電路，將電阻相對(duì)變化△R/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，放大數(shù)據(jù)，形成特用電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x器，來(lái)對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量。

這種小巧方便的電阻早期叫電阻應(yīng)變儀，有著廣泛的應(yīng)用，它用于測(cè)量電阻變化，并于應(yīng)變刻度中顯示出來(lái)。電阻應(yīng)變儀在一般情況下是采用電橋電路，一旦把電阻應(yīng)變片和電橋橋臂連接起來(lái)，電阻就立刻發(fā)生了變化，從而引起電橋電路中電壓和電流的變化，最后利用放大器把這種變化顯示出來(lái)。后來(lái)因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)的不斷進(jìn)步，該儀器經(jīng)過(guò)改善后成為了數(shù)字應(yīng)變儀，這時(shí)應(yīng)變的過(guò)程能夠直接通過(guò)數(shù)字顯示出來(lái)，變化過(guò)程還能夠直接打印，多點(diǎn)應(yīng)變功能也得到實(shí)現(xiàn)。另外針對(duì)變化速率很高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)，直接由計(jì)算機(jī)控制。

4控制處理單元

控制處理單元是由兩部分組成的，即工控機(jī)和PLC模塊。工控機(jī)一邊保持著和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的聯(lián)系，指導(dǎo)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的工作的同時(shí)隨時(shí)接收來(lái)自動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)信息并展開分析，另一邊還要和PLC緊密相連，流程圖如圖2所示。

工控機(jī)采用的是標(biāo)準(zhǔn)總線和模板結(jié)構(gòu)，和其他結(jié)構(gòu)相比，它具有很多突出的特性，因此越來(lái)越受到人們的歡迎。

嵌入式主機(jī)板、Intel Pentium處理器、DDR內(nèi)存、支持2個(gè)LAN網(wǎng)卡、支持LCD和VGA顯示、支持Audio、2個(gè)USB接口等配置。選用時(shí)可查閱相關(guān)計(jì)算機(jī)公司的產(chǎn)品目錄。配上系統(tǒng)軟件和設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件后，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的檢測(cè)和控制，并具有圖形顯示和打印功能。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的安全進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估絕非易事，它不僅離不開專家的豐富經(jīng)驗(yàn)，利用科學(xué)的手段進(jìn)行測(cè)試和分析也是必不可少的。構(gòu)建一個(gè)功能齊全的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估工作具有十分重要的意義。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件可以把專家腦海中的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)集成起來(lái)，再利用科學(xué)的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，節(jié)省了人力和物力成本。另外，所有的港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)估都能在同一系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行，避免了很多人為因素引起的誤差，得到的評(píng)估數(shù)據(jù)也更為準(zhǔn)確。

所以，將在線監(jiān)測(cè)方法引入到機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)估中來(lái)，進(jìn)而為定量項(xiàng)目的計(jì)算分析和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的判斷找到解決方法具有十分重要的作用和廣闊的應(yīng)用前景。由于人是具有學(xué)習(xí)能力的，專家在進(jìn)行安全評(píng)估的工作過(guò)程中會(huì)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，這有利于日后安全評(píng)估工作的進(jìn)行。系統(tǒng)也要具備這種不斷自我學(xué)習(xí)和自我完善的能力。另外，由于計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人腦的儲(chǔ)存量，系統(tǒng)要在大數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新功能，彌補(bǔ)人腦在這方面的不足。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃海濤.對(duì)港口機(jī)械及其結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的探討[J].科技信息，2010.

[2] 吳金鵬.港口機(jī)械及其結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法探析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010.

作者簡(jiǎn)介：金福民 ，1975.6， 男 ，江蘇振東港口機(jī)械制造有限公司總經(jīng)理， 專業(yè)方向：數(shù)控技術(shù)應(yīng)用。