港口机械及其结构应力监测方法探析

吴金鹏

（天津港集装箱码头有限公司，天津 300456）

1 引言

随着经济全球化和物流业的不断发展，港口在现代货物流通中的作用日益重要，其发展水平己成为衡量一个国家社会发展水平的主要标志之一。随着港口装卸机械设备朝着大型化、连续化、高速化和自动化方向发展，使得设备的组成与结构变得越来越复杂。这一方面满足了提高装卸效率，降低生产成本等客观要求。但另一方面，机械设备发生故障的机会越来越多，造成停工停产所带来的经济损失也越来越大。因此，现代化港口对机械设备工作的可靠性都提出了严格的要求。为确保各种装卸机械设备的安全运行，提高其可靠性和安全运转率，必须采取相应措施对港口装卸机械的运行状态实行有效监测和控制，以便及时发现异常情况，采取措施减少或避免突发性故障，保证设备安全可靠。

2 港口机械故障监测诊断技术要考虑的因素

对港口机械金属结构进行故障监测诊断，首先要对其工作特点及受力状况进行分析，随后才能作出监测点的分布和以何种形式获取参数，进而考虑参数的分析处理，得出有价值的或是关键数据，其中所需要考虑以下因素:

2.1 港口机械的运行工况一般有别于其他行业中的机械设备。首先各机构的运行基准点从只能是相对于结构固定、刚度不同的结构形式，在测量过程中会有很大的不同。这点明显区别于以大地为基准相对固定的运行机构。

2.2 载荷的变化范围比较大。这主要受两大方面的因素影响:第一是设备提取的货物形式不一，散货比重大小不同，件货长短不一，吊起时的振摆都将会在受力测点中反映出来;第二是人为因素，同样物体的货物在装卸过程中不同的人操作设备会得到不同的参数。

2.3 港口机械在结构的安装过程中将会产生一定的内应力。并且这部分内应力是随机械所处不同状态变化的。因此，在考虑外载荷使结构受到的外应力以外，还需兼顾内应力的因素，这样才能列出监测受力点的总体范围，从而确定设备的安全工作受力区域。

2.4 机械的结构振动测试，相对于所关心的监测点的受力分析，则会清晰得多。对机构运行关键点的观察在信号提取后的频谱分析图中显而易见，根据设计图纸中给出的技术参数，对应的振源可作一比对。

2.5 各类港口机械运用状态监测有其独特性，同时也存在不确定因素，如何对此类机械的强度、刚度进行有效测量，如何确定设备的有效安全工作参数，要做深入细致的工作，从中得到可靠的原始数据。通过定期的数据采集比对、计算，掌握和了解设备当时所处的技术状态并建立其档案。

3 港口机械金属结构的检测

为了及时发现和防止金属结构件失效及发生事故，金属结构检测是重要手段。起重机金属结构的检测方法，通常可分为目检和检验性检测两种。

目检是一般性检测，不使用测试仪器而用眼睛进行直观检查，通常有:

3.1 金属结构的铰接点、连接部位等，应注意其在作业过程中工作是否平稳、灵活，有无异常响声和卡阻现象，润滑是否良好，磨损是否严重，心轴有无窜动等。

3.2 各铆接、螺栓连接处，有无松动现象。

3.3 各主要连接件、构件焊缝处及其附近有无油漆打皱、剥落或焊缝开裂等现象。

3.4 检查各构件是否发生整体或局部变形，是否有弯、折、扭、损伤等现象。

3.5 检查是否安装了安全装置，安全装置是否齐全，性能是否可靠。

检验性检测是使用仪器设备对结构进行强度、刚度测试，进行微观、定量的检测，对结构状态作出科学的判断。一般包括:

3.5.1 静应力测试。主要是采用应变片电测法测试构件在静载荷作用下的承载能力是否符合设计和有关标准要求。静应力检测的测点，应布置在设计者提供的计算应力较大、受力较大和受力较复杂的构件断面，以及构件截面的突变和变形与损伤处。

3.5.2 动应力测试。主要是检测金属结构承受动载荷的构件的承载能力是否满足要求。其测点主要根据静应力测试结果，选择在静应力值较大的截面，以及各主要构件中承受动载荷最大的截面。通过动态应力测试，可以得出结构件的最大动应力(应力幅峰值)、动载荷系数及结构的振动频率，从而得到结构的动态响应参数。

3.5.3 刚度测试。主要是检验金属结构件在外载荷作用下的变位是否在设计允许范围内，是否满足作业要求。刚度的测试点，根据机械不同类型及作业特点，应选择在构件变位较大，而又必须加以控制的点，如门座起重机臂架端部、人字架头部、转台后部，桥架类型起重机主梁下侧等。

在检测过程中，为了确保检测数据可靠，检测仪器设备及检测系统的精度是至关重要的。按照国家技术监督局要求，检测仪器必须经有关计量部门检验合格，精度满足检测要求。

在结构应力检测中，应对检测数据进行认真的整理，注意检测数据的重复性、线性性。对异常数据要进行分析，必要时要重测，还要注意有效数据的分析，这样才能得出比较科学的结论和判断。

4 港口机械结构的应力监测方法

4.1 基于光纤光栅传感技术的应力监测方法

光纤光栅是土世纪90年代新兴的一种在光纤通一讯、光纤传感和光信息处理领域有着广泛应用前景的基础性光学器件。其利用掺杂光纤的光敏特性，经某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。当向光栅中注入宽带光时，在其中传输的光波就在这种折射率微扰下产生模式祸合，在光栅的入口反射出布拉格(Bragg)波长的反射谱。应用光纤光栅传感器的领域还包括电力、石化、航空航天和核工业等行业。电力工业中的设备大都处在高电压、强电磁场中，很多情况都无法在线检测如高压变压器绕组、发电机定子的温度和位移等参数。光纤光栅传感器是进行这些测量的很好的选择。有一些电力设备经常位于难以到达的地方，如荒山野岭。

4.2 基于电阻应变电测技术的应力监测方法

随着科学技术的发展，应力应变测量的方法也不断地完善，最常用的电测应力应变方法当属应变电测法。

应变电测法的测量系统通常由应变片、应变仪、记录仪及计算分析设备等四大部分组成。它的基本原理是:将应变片按构件的受力状况，合理的固定在被测构件上，当构件受力变形时，应变片的电阻值就发生相应的变化。通过电阻应变仪将这种电阻值的变化测量出来，并换算成应变值或输出与应变成正比的模拟电信号(电流或电压)，用记录仪器一记录此电信号，再作分析与处理。也可用分析设备或计算机按预定的要求直接接受模拟电信号并进行数据处理，从而得到应力、应变值或其他物理量。

应力应变测量按其测量的性质、方法、和测量设备构成来说，可分成静态应变测量和动态应变测量。

静态应变测量:是指在静载荷作用下，测量起重运输机械金属结构静强度特性的一种主要方法。

动态应变测量:是指结构在动态载荷作用下的应变测量。通过动态应变测量结果的分析，可一以得到结构的固有频率、动载荷系数等动力特性值和结构的应力谱，从而对结构的动态特性及疲劳强度作出正确的判断。

[1]于同工，状态监测系统在港口机械上的应，港口装卸，2001

[2]孙远韬，港机金属结构故障诊断与安全性评价系统的研究，港口装卸，2004

[3]赫荣勋，港口设备的管理与维护，港口科技，2007