塔式起重機(jī)起重臂損傷診斷方法

汪玉玲，牛向輝

（甘肅建投裝備制造有限公司，甘肅蘭州 730050）

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的迅速發(fā)展，塔式起重機(jī)行業(yè)快速擴(kuò)張[1]，但同時(shí)塔式起重機(jī)也屬于事故多發(fā)的特種設(shè)備（圖1）。塔機(jī)事故給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的威脅，為了提高塔機(jī)的安全性，減少事故的發(fā)生，各級(jí)政府不僅出臺(tái)了各項(xiàng)塔機(jī)生產(chǎn)和使用標(biāo)準(zhǔn)，還組織成立了各種安全監(jiān)管部門。雖然相關(guān)管理規(guī)定對(duì)塔機(jī)的生產(chǎn)使用做出了嚴(yán)格的要求，但是由于塔機(jī)的生產(chǎn)廠家良莠不齊，操作員安全意識(shí)不高，以及塔機(jī)自身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境等原因，塔機(jī)的安全事故仍然無(wú)法完全杜絕[2]。

圖1 塔式起重機(jī)

損傷檢測(cè)最早出現(xiàn)于1960 年，隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，現(xiàn)已較為成熟[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)損傷診斷的研究都有重大進(jìn)展，但是隨著各工程機(jī)械向全能化、復(fù)雜化、大型化和智能化的方向發(fā)展，損傷診斷也變得越來(lái)越復(fù)雜?，F(xiàn)在的損傷診斷不只是對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單比較，而是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的分析處理，得到更便于對(duì)比分析的特征信息。

起重臂損傷識(shí)別包括5 個(gè)階段[4]：①起重臂損傷的識(shí)別；②起重臂損傷位置的識(shí)別；③損傷類型的識(shí)別；④起重臂損傷嚴(yán)重性的識(shí)別；⑤起重臂剩余使用壽命及是否需要維修的判別。其中，識(shí)別起重臂是否出現(xiàn)未知損傷是這5 個(gè)階段中最基本的層次。

引起塔式起重機(jī)發(fā)生安全事故的原因有很多種，發(fā)生事故的根源就是塔機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，損傷的不斷積累最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞，造成塔機(jī)事故[5]。如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)塔機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷，及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行修復(fù)，將會(huì)避免大量的塔機(jī)事故[6]。本文基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析介紹塔式起重機(jī)起重臂損傷的診斷方法和應(yīng)用場(chǎng)合及其特點(diǎn)，可為工程技術(shù)人員在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)塔式起重機(jī)起重臂損傷的診斷提供理論依據(jù)。

1 塔式起重機(jī)起重臂損傷診斷的定義

起重臂損傷指其剛度下降、柔度上升，在模態(tài)條件下出現(xiàn)固有頻率下降，即起重臂固有形態(tài)遭到損壞。在起重臂損傷的現(xiàn)場(chǎng)診斷中，需明確判斷出起重臂損傷的位置和相關(guān)物理參數(shù)的改變。因?yàn)槠鹬乇蹞p傷是與正常起重臂作對(duì)比而言的，所以對(duì)起重臂損傷需要進(jìn)行兩次或多次不同時(shí)刻的測(cè)試與診斷，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此判別起重臂不同時(shí)刻的相關(guān)物理參數(shù)，從而對(duì)起重臂具體損傷部位及損傷程度作出判斷。

2 起重臂損傷診斷的基本思路

塔式起重機(jī)起重臂的功能為承受豎向作用和水平作用，但其水平作用的影響更大，因此對(duì)起重臂的損傷診斷常常是對(duì)起重臂抵抗或經(jīng)受水平作用的測(cè)試與診斷。

起重臂損傷診斷的關(guān)鍵是如何測(cè)試和判斷起重臂的實(shí)際狀況。首先要依據(jù)實(shí)際起重臂外形結(jié)構(gòu)，正確選用起重臂力學(xué)模型，將起重臂形態(tài)的損傷診斷問(wèn)題轉(zhuǎn)變成可借助數(shù)學(xué)模型處理的問(wèn)題，基本思路如下：

（1）以環(huán)境干擾為輸入源，量測(cè)起重臂的脈動(dòng)反應(yīng)。

（2）依據(jù)起重臂的模態(tài)脈動(dòng)響應(yīng)，選用動(dòng)力模態(tài)模型進(jìn)行分析，判斷識(shí)別起重臂相關(guān)振動(dòng)性能參數(shù)。

（3）依據(jù)步驟2 的起重臂實(shí)時(shí)動(dòng)力模態(tài)，解出起重臂動(dòng)力特征值的反向問(wèn)題，以此來(lái)判斷識(shí)別起重臂的相關(guān)物理性能參數(shù)。

（4）依據(jù)起重臂剛度和柔度等相關(guān)物理性能參數(shù)的變化，判斷識(shí)別起重臂損傷的部位和損傷程度的高低。

（5）選擇實(shí)測(cè)的起重臂相關(guān)性能參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，以此評(píng)價(jià)起重臂的實(shí)際可靠性等級(jí)。

3 塔式起重機(jī)起重臂損傷的診斷方法

起重臂損傷診斷的方法主要有以下4 種：①基于動(dòng)力學(xué)特性的模態(tài)參數(shù)起重臂損傷診斷；②基于人工智能的起重臂損傷診斷；③基于模型修正的起重臂損傷診斷；④基于信號(hào)處理的起重臂損傷診斷。

3.1 基于動(dòng)力學(xué)特性的模態(tài)參數(shù)起重臂損傷診斷

通過(guò)在起重臂的不同部位處安裝動(dòng)力響應(yīng)傳感器，對(duì)起重臂動(dòng)力響應(yīng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，建立起重臂物理、模態(tài)二者參數(shù)相對(duì)應(yīng)關(guān)系，組成與之相應(yīng)的起重臂損傷判斷識(shí)別目標(biāo)，可以以此對(duì)起重臂損傷進(jìn)行判斷識(shí)別[7]。

對(duì)起重臂損傷而引起的頻率變化進(jìn)行相關(guān)研究，使用理論頻率和起重臂自振頻率對(duì)比，判別起重臂損傷部位及其損傷的程度。但該方法受一定條件約束，原因是起重臂自振頻率為全局變量，當(dāng)起重臂出現(xiàn)不同程度的損傷時(shí)極有可能會(huì)造成起重臂自振頻率呈現(xiàn)一樣的變化，因此此種測(cè)量方法只能明確損傷程度，但難以準(zhǔn)確給出具體位置，且此重臂損傷對(duì)其自振頻率變化造成的影響并不明顯，故在對(duì)起重臂微小損傷進(jìn)行判別時(shí)較為困難[8]。在Stubbs 方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，但在識(shí)別重度損傷時(shí)效果不好。

基于動(dòng)力學(xué)特性的起重臂損傷診斷主要為借助起重臂的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)起重臂運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷識(shí)別，這種起重臂損傷診斷所受約束條件較少，只有極少數(shù)情況下受到一定約束，該測(cè)量方法簡(jiǎn)單、便捷、經(jīng)濟(jì)，工程上應(yīng)用較為廣泛[9]。

3.2 基于人工智能的起重臂損傷診斷

人工智能對(duì)起重臂的損傷診斷方法較多，主要有人工免疫算法、支持向量機(jī)、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。借助模態(tài)應(yīng)變能改變和應(yīng)變能耗散之間的聯(lián)系對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位判別，并根據(jù)人工免疫算法對(duì)待診結(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)行深入的定位和定量分析與驗(yàn)證，從而證實(shí)了人工免疫算法的可行性。支持向量機(jī)是一種新型學(xué)習(xí)機(jī)器，是一種新興的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在機(jī)器設(shè)備損傷診斷判別方面效果較為理想[10]。

對(duì)起重臂損傷診斷的理論是將小波包進(jìn)行分解從而構(gòu)造出的能量變化率作為起重臂損傷診斷測(cè)量的特征向量，然后對(duì)小波包的理論實(shí)施步驟進(jìn)行了闡述，最后采用aiNet 免疫網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)起重臂損傷的具體位置和損傷程度進(jìn)行了判別。由此可看出基于人工智能的方法對(duì)起重臂具體位置和損傷程度診斷較為精確，但同時(shí)也有一定缺陷，比如運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)起重臂損傷的識(shí)別受制于較多外界因素，相關(guān)參數(shù)的確定、損傷診斷用判別指針的構(gòu)造等均會(huì)對(duì)起重臂損傷判別的結(jié)果造成不可忽略的影響。而且該方法專業(yè)性強(qiáng)、測(cè)量費(fèi)用昂貴、測(cè)量通用性差，所以只有在特殊情況下才會(huì)選用[11]。

3.3 基于模型修正的起重臂損傷診斷

模型修正主要指借助有限元工具對(duì)起重臂損傷進(jìn)行分析判別時(shí)，需要對(duì)一些待診主體（如起重臂的邊界條件和材料特性等）進(jìn)行一定的假設(shè)、簡(jiǎn)化，這就不可避免地使所選模型與起重臂實(shí)際情況之間產(chǎn)生一定的偏差[12]。所以一般在所選模型建立后，會(huì)將實(shí)測(cè)結(jié)果與所選模型做對(duì)比和驗(yàn)證，并對(duì)所選模型與起重臂實(shí)測(cè)值之間存在的偏差原因及偏差產(chǎn)生的位置進(jìn)行判別分析，進(jìn)而對(duì)所選模型進(jìn)行修正。

借助特征值矩陣將殘余力方程同最小秩修正法聯(lián)系在一起，能夠較為理想地處理所選用的模態(tài)個(gè)數(shù)須等于剛度攝動(dòng)矩陣的秩這一難題，最后通過(guò)最小秩修正法以求得空間桁架結(jié)構(gòu)的損傷部位及損傷狀況，并對(duì)其損傷原因進(jìn)行判別。用空間桁架結(jié)構(gòu)體系對(duì)所選的最小秩修正法進(jìn)行核驗(yàn)，證實(shí)所選最小秩修正法是能夠精確診斷桁架結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)果可靠[13]。

也有學(xué)者提出了混合識(shí)別方法，對(duì)起重臂的質(zhì)量和剛性矩陣進(jìn)行調(diào)整來(lái)對(duì)起重臂損傷進(jìn)行診斷判別[14-15]。目前雖然通過(guò)模型修正方法對(duì)起重臂損傷進(jìn)行判別已取得一些成效，但仍存在一些問(wèn)題。采用最優(yōu)矩陣修正判別損傷時(shí)難以準(zhǔn)確識(shí)別單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，且該方法理論性較強(qiáng)，需要培訓(xùn)專業(yè)的技術(shù)人員，成本較高，在工程中采用較少。

3.4 基于信號(hào)處理的起重臂結(jié)構(gòu)損傷診斷

信號(hào)處理是對(duì)模擬信號(hào)和實(shí)際進(jìn)行處理的統(tǒng)稱，主要由信號(hào)放大、去噪、濾波和線性變換等組成?；跀?shù)據(jù)的方法是對(duì)起重臂的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行比較，或通過(guò)損傷敏感參數(shù)對(duì)起重臂損傷進(jìn)行診斷判別。通過(guò)將待診結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型和自回歸滑動(dòng)平均模型相結(jié)合，解出所建模型前三階系數(shù)的代數(shù)組合作為待診結(jié)構(gòu)損傷的敏感因子，并對(duì)該模型損傷辨識(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法在識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷時(shí)是有效和可行的[16]。通過(guò)時(shí)間序列模型對(duì)結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)的求解，提出結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法[17]。以待測(cè)結(jié)構(gòu)未損傷時(shí)的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立ARMA 模型，采用原始未損傷狀態(tài)和待診工況的殘差之比作為損傷診斷的指標(biāo)，有效地實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警[18]。

借助信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的時(shí)間序列分析方法在起重臂損傷診斷檢測(cè)中同樣適用，且無(wú)需通過(guò)大量的數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，該方法測(cè)量結(jié)果精確，且簡(jiǎn)單、方便，工程實(shí)際中也常常采用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，建筑施工行業(yè)的安全形勢(shì)依然不容樂(lè)觀，起塔式起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)損傷引起的安全事故會(huì)造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。本文總結(jié)梳理了塔式起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)損傷的診斷方法，并對(duì)損傷診斷方法的特點(diǎn)進(jìn)行比較，指出其適用場(chǎng)合，對(duì)推動(dòng)塔式起重機(jī)起重臂準(zhǔn)確診斷，確保安全施工起到積極作用，為工程技術(shù)人員提供理論參考。