基于光纤光栅应变传感系统的在役港口起重机结构健康监测*

张 冲 ，姚海子 ，赵 俊 ，钟舜聪 ，3，4*，郭金泉，雷绍群，万 当，杨晓翔

（1.福建省特种设备检验研究院，福建 福州 350001；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108；3.福建省医疗器械和医药技术重点实验室，福建 福州 350002；4.华东理工大学 承压系统安全科学教育部重点实验室，上海 200237）

0 引 言

港口起重机是一种间歇式工作机械，起重机的上升启动、上升制动、下降制动和下降制动过程为非稳定过程，故起重设备结构将产生冲击和振动，结构中的应力将发生变化，它们将不同程度影响机械零件的寿命、结构可靠性。另外，港口起重机工作环境恶劣、使用频繁，且服役周期长，其金属结构随着服役时间的增长必然会出现不同程度的损伤。目前，我国针对起重机的主要安全保障方法仍然以定检、监检为主[1]，采用的技术手段多为目测、感观判断、停机测量、磁粉探伤等。常规检测手段相对落后，检验人员工作量大、检测效率低，而且常规检测方法基本上都是在停机状态下进行，检验结果难以反映起重机械实际运行状态[2]。由于缺少长周期运行状态量，人们无法预测在役起重机械结构的抗力水平和剩余寿命，对于超期服役起重机械，缺少安全评估的准确数据和降级改造的科学依据。

为了确保港口起重设备安全工作，许多学者开始研究新的检测技术和评价方法，以便对其稳定性和安全状况进行监测和评价。龚凌诸等[3]采用自然环境激励技术对港口起重机进行了工作振动模态分析，为基于模态（振型[4]、固有频率[5]等）的结构状态监测和裂纹诊断提供了一种行之有效的方法。黄国健等[6]和聂龙武等[7]利用基于电阻应变法测试了起重机结构与载荷响应，分别为进行金属结构耐久性评估以及动态测试试验模型提供了可靠的数据依据。刘元平等[8]利用现有无线网络将起重机的应力、应变数据远程采集到维护维修中心，供技术人员对起重机的健康状况作出评估。由于港口起重机尺寸比较大，往往需要很长的电缆线连接传感器和测试系统，这就给传感器的布放带来了诸多不便。特别是在传感器使用数量比较多的场合，各条电缆线的互相缠绕也是个需要考虑的问题。另外，虽然无线传感系统的使用是大型特种设备检验的发展趋势，但是无线传感设备的供电电源的长时间供电也是个需要解决的问题。目前普遍使用的锂电池一般只可以用到4 h～10 h 左右。

近年来，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、体积小、复用能力强及能实现实时分布式测量等其他传统传感器无法比拟的优势，在船舶结构[9]、铁道无缝线路钢轨等[10]领域有广泛的应用。另外，由于一条光纤上可以布置多个传感器，没有光缆线互相缠绕的问题；而且在传感器上的工作不需要加电源，所以也没有无线传感设备的长时间供电电源问题。

本研究利用光纤光栅应变传感系统对在役港口起重机进行状态健康监测。

1 基于反射式光纤光栅传感的港口起重机结构健康监测系统

基于反射式光纤光栅传感的港口起重机健康监测系统如图1 所示，主要由宽频光源、光纤耦合器、温度光纤光栅、应变光纤光栅、光纤解调仪、健康监测软件等组成。温度光纤光栅用于温度补偿。具体的光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）的原理如下：由于光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性。基于光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长的调制来获取传感信息，这是一种波长调制型光纤传感器。

图1 基于反射式光纤光栅传感的港口起重机健康监测系统

根据光纤耦合模理论，宽带光入射光纤将产生模式耦合，当满足布拉格条件时，光栅将起到一个反射镜的作用，反射回一个窄带光波（其余的光波从光栅的另一端透射出去），入射光谱、透射光谱及反射光谱如图2 所示。

图2 入射光谱、透射光谱及反射光谱

该窄带光波的中心波长即为光栅布拉格波长λB，即：

式中：neff—纤芯的有效折射率，Λ—光栅周期。

当光栅受到外界温度、应变等作用时，Λ和neff都会受外界环境影响而发生变化，表示为ΔΛ和Δneff，导致符合Bragg 条件的反射波长发生位移，即ΔλB。对式（1）进行微分运算，可得：

式（2）即为光栅传感检测机理，通过检测满足Bragg 条件的反射波中心波长发生位移ΔλB 来检测作用在光纤上的温度、应变等外界被测信号。

在实验室条件下，为了检验自研发的反射式光纤光栅传感港口起重机健康监测系统的工作情况，本研究利用应变光纤光栅传感器与电阻式应变片分别对加载砝码的等强度梁进行测量。电阻式应变片以及校准后的应变光纤光栅传感器的测试结果如图3 所示。

图3 应变光纤光栅传感器与电阻式应变片测量结果比较图

由图3 可知，两种测量结果有较好的一致性，从而验证了该港口起重机健康监测系统的实效性。

2 港口起重机结构健康监测

某港口起重机的结构如图4（a）所示，该港口起重机的4 个监测点A、B、C 和D 如图4（b）所示，本研究同时对4 个监测点的应变和温度进行监测，应变和温度光纤光栅如图4（c）所示。本研究利用自研发的港口起重机健康监测系统针对以下3 种典型起重机的工作状况进行监测。

2.1 起重机臂架变幅（工况一）

起重机变幅的过程如下：

（1）最大幅度状态下进行吊重；

（2）重物起升；

（3）变幅使臂架角度达到允许的最小角度；

（4）变幅使臂架角度达到允许的最大角度；

（5）重物下降；

（6）载荷落地。

变幅过程中监测点D 的应变曲线如图5（a）所示。该应变曲线中波动的部分记录了变幅过程中起重机产生振动引起结构中的应力变化，同时也显示了变幅过程中结构压应力和拉应力的变化过程。

图4 某港起重机的结构及测试分布

2.2 旋转起重机臂架（工况二）

起重机旋转臂架的过程如下：

（1）最大幅度状态下进行吊重；

（2）重物起升；

（3）顺时针旋转180 °；

（4）逆时针旋转180 °；

（5）重物下降；

（6）载荷落地。

起重机旋转过程中监测点D 的应变曲线如图5（b）所示。旋转过程中起重机产生振动引起结构应力变化范围有大约30με的波动。

2.3 一次完整起吊和卸载过程（工况三）

起重机完成一次起吊和卸载过程如下：

（1）最大幅度状态下进行吊重；

（2）重物起升；

（3）顺时针旋转135 °；

（4）重物起升；

（5）顺时针旋转45 °；

（6）下降制动；

（7）载荷落地；

（8）起升；

图5 起重机监测点D 应变曲线

（9）逆时针旋转45 °；

（10）变幅至最大；

（11）逆时针旋转135 °；

（12）下降制动；

（13）载荷落地；

（14）起升；

（15）逆时针旋转45 °；

（16）变幅至最小；

（17）逆时针旋转135 °；

（18）顺时针旋转180 °；

（19）变幅至最大；

（20）下降；

（21）载荷落地。

一次完整的起吊和卸载过程对应的应变曲线如图5（c）所示，在实际工况中，应力的波动范围比变幅和旋转过程更大。实际中，起重机在载荷多变的工作环境中长时间服役中，其应力持续发生着变化。这些应力的变化将不同程度影响机械零件的寿命、结构可靠性，因此对起重机的结构进行健康检测是非常必要的。

由图5 可以看出，应变曲线很好地记录了整个变幅、旋转和整个起吊卸载工作的过程，信号有较好的信噪比。现场实测结果验证了该方法的可行性，可为港口起重机的在线安全诊断和预测提供数据支撑。

3 结束语

港口起重机工作环境恶劣（受台风、地震和腐蚀等影响）、使用频繁、载荷多变，且服役周期长，其金属结构随着服役时间的增长必然会出现不同程度的损伤。港口起重机是一种间歇式工作机械，起重机的上升启动、上升制动、下降制动和下降制动过程为非稳定过程，故起重设备结构将产生冲击和振动，结构中的应力将发生变化，它们将不同程度影响机械零件的寿命、结构可靠性。为了掌握在役港口起重机运行时的健康状态，笔者研究了基于光纤光栅应变传感系统的在役港口起重机健康监测，采用具有温度补偿功能的反射式光纤光栅传感系统对港口起重机几种典型工况（变幅、旋转、吊重和卸载等）进行实时在线监测。

实验室和现场实测结果验证了该方法的可行性并突出了港口起重机结构状态检测的必要性。现场实测结果为港口起重机的在线安全诊断和预测提供了数据支撑。

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