港口機(jī)械及其結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法探析

吳金鵬

（天津港集裝箱碼頭有限公司，天津 300456）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和物流業(yè)的不斷發(fā)展，港口在現(xiàn)代貨物流通中的作用日益重要，其發(fā)展水平己成為衡量一個(gè)國(guó)家社會(huì)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著港口裝卸機(jī)械設(shè)備朝著大型化、連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化方向發(fā)展，使得設(shè)備的組成與結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜。這一方面滿足了提高裝卸效率，降低生產(chǎn)成本等客觀要求。但另一方面，機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障的機(jī)會(huì)越來越多，造成停工停產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失也越來越大。因此，現(xiàn)代化港口對(duì)機(jī)械設(shè)備工作的可靠性都提出了嚴(yán)格的要求。為確保各種裝卸機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行，提高其可靠性和安全運(yùn)轉(zhuǎn)率，必須采取相應(yīng)措施對(duì)港口裝卸機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行有效監(jiān)測(cè)和控制，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取措施減少或避免突發(fā)性故障，保證設(shè)備安全可靠。

2 港口機(jī)械故障監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)要考慮的因素

對(duì)港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)診斷，首先要對(duì)其工作特點(diǎn)及受力狀況進(jìn)行分析，隨后才能作出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布和以何種形式獲取參數(shù)，進(jìn)而考慮參數(shù)的分析處理，得出有價(jià)值的或是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其中所需要考慮以下因素:

2.1 港口機(jī)械的運(yùn)行工況一般有別于其他行業(yè)中的機(jī)械設(shè)備。首先各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行基準(zhǔn)點(diǎn)從只能是相對(duì)于結(jié)構(gòu)固定、剛度不同的結(jié)構(gòu)形式，在測(cè)量過程中會(huì)有很大的不同。這點(diǎn)明顯區(qū)別于以大地為基準(zhǔn)相對(duì)固定的運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

2.2 載荷的變化范圍比較大。這主要受兩大方面的因素影響:第一是設(shè)備提取的貨物形式不一，散貨比重大小不同，件貨長(zhǎng)短不一，吊起時(shí)的振擺都將會(huì)在受力測(cè)點(diǎn)中反映出來;第二是人為因素，同樣物體的貨物在裝卸過程中不同的人操作設(shè)備會(huì)得到不同的參數(shù)。

2.3 港口機(jī)械在結(jié)構(gòu)的安裝過程中將會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。并且這部分內(nèi)應(yīng)力是隨機(jī)械所處不同狀態(tài)變化的。因此，在考慮外載荷使結(jié)構(gòu)受到的外應(yīng)力以外，還需兼顧內(nèi)應(yīng)力的因素，這樣才能列出監(jiān)測(cè)受力點(diǎn)的總體范圍，從而確定設(shè)備的安全工作受力區(qū)域。

2.4 機(jī)械的結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試，相對(duì)于所關(guān)心的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的受力分析，則會(huì)清晰得多。對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)行關(guān)鍵點(diǎn)的觀察在信號(hào)提取后的頻譜分析圖中顯而易見，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中給出的技術(shù)參數(shù)，對(duì)應(yīng)的振源可作一比對(duì)。

2.5 各類港口機(jī)械運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)有其獨(dú)特性，同時(shí)也存在不確定因素，如何對(duì)此類機(jī)械的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行有效測(cè)量，如何確定設(shè)備的有效安全工作參數(shù)，要做深入細(xì)致的工作，從中得到可靠的原始數(shù)據(jù)。通過定期的數(shù)據(jù)采集比對(duì)、計(jì)算，掌握和了解設(shè)備當(dāng)時(shí)所處的技術(shù)狀態(tài)并建立其檔案。

3 港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和防止金屬結(jié)構(gòu)件失效及發(fā)生事故，金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)是重要手段。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法，通常可分為目檢和檢驗(yàn)性檢測(cè)兩種。

目檢是一般性檢測(cè)，不使用測(cè)試儀器而用眼睛進(jìn)行直觀檢查，通常有:

3.1 金屬結(jié)構(gòu)的鉸接點(diǎn)、連接部位等，應(yīng)注意其在作業(yè)過程中工作是否平穩(wěn)、靈活，有無異常響聲和卡阻現(xiàn)象，潤(rùn)滑是否良好，磨損是否嚴(yán)重，心軸有無竄動(dòng)等。

3.2 各鉚接、螺栓連接處，有無松動(dòng)現(xiàn)象。

3.3 各主要連接件、構(gòu)件焊縫處及其附近有無油漆打皺、剝落或焊縫開裂等現(xiàn)象。

3.4 檢查各構(gòu)件是否發(fā)生整體或局部變形，是否有彎、折、扭、損傷等現(xiàn)象。

3.5 檢查是否安裝了安全裝置，安全裝置是否齊全，性能是否可靠。

檢驗(yàn)性檢測(cè)是使用儀器設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度測(cè)試，進(jìn)行微觀、定量的檢測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出科學(xué)的判斷。一般包括:

3.5.1 靜應(yīng)力測(cè)試。主要是采用應(yīng)變片電測(cè)法測(cè)試構(gòu)件在靜載荷作用下的承載能力是否符合設(shè)計(jì)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。靜應(yīng)力檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)，應(yīng)布置在設(shè)計(jì)者提供的計(jì)算應(yīng)力較大、受力較大和受力較復(fù)雜的構(gòu)件斷面，以及構(gòu)件截面的突變和變形與損傷處。

3.5.2 動(dòng)應(yīng)力測(cè)試。主要是檢測(cè)金屬結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載荷的構(gòu)件的承載能力是否滿足要求。其測(cè)點(diǎn)主要根據(jù)靜應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，選擇在靜應(yīng)力值較大的截面，以及各主要構(gòu)件中承受動(dòng)載荷最大的截面。通過動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試，可以得出結(jié)構(gòu)件的最大動(dòng)應(yīng)力(應(yīng)力幅峰值)、動(dòng)載荷系數(shù)及結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率，從而得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)。

3.5.3 剛度測(cè)試。主要是檢驗(yàn)金屬結(jié)構(gòu)件在外載荷作用下的變位是否在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，是否滿足作業(yè)要求。剛度的測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械不同類型及作業(yè)特點(diǎn)，應(yīng)選擇在構(gòu)件變位較大，而又必須加以控制的點(diǎn)，如門座起重機(jī)臂架端部、人字架頭部、轉(zhuǎn)臺(tái)后部，橋架類型起重機(jī)主梁下側(cè)等。

在檢測(cè)過程中，為了確保檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠，檢測(cè)儀器設(shè)備及檢測(cè)系統(tǒng)的精度是至關(guān)重要的。按照國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局要求，檢測(cè)儀器必須經(jīng)有關(guān)計(jì)量部門檢驗(yàn)合格，精度滿足檢測(cè)要求。

在結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)中，應(yīng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真的整理，注意檢測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)性、線性性。對(duì)異常數(shù)據(jù)要進(jìn)行分析，必要時(shí)要重測(cè)，還要注意有效數(shù)據(jù)的分析，這樣才能得出比較科學(xué)的結(jié)論和判斷。

4 港口機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

4.1 基于光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

光纖光柵是土世紀(jì)90年代新興的一種在光纖通一訊、光纖傳感和光信息處理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景的基礎(chǔ)性光學(xué)器件。其利用摻雜光纖的光敏特性，經(jīng)某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。當(dāng)向光柵中注入寬帶光時(shí)，在其中傳輸?shù)墓獠ň驮谶@種折射率微擾下產(chǎn)生模式禍合，在光柵的入口反射出布拉格(Bragg)波長(zhǎng)的反射譜。應(yīng)用光纖光柵傳感器的領(lǐng)域還包括電力、石化、航空航天和核工業(yè)等行業(yè)。電力工業(yè)中的設(shè)備大都處在高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)中，很多情況都無法在線檢測(cè)如高壓變壓器繞組、發(fā)電機(jī)定子的溫度和位移等參數(shù)。光纖光柵傳感器是進(jìn)行這些測(cè)量的很好的選擇。有一些電力設(shè)備經(jīng)常位于難以到達(dá)的地方，如荒山野嶺。

4.2 基于電阻應(yīng)變電測(cè)技術(shù)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的方法也不斷地完善，最常用的電測(cè)應(yīng)力應(yīng)變方法當(dāng)屬應(yīng)變電測(cè)法。

應(yīng)變電測(cè)法的測(cè)量系統(tǒng)通常由應(yīng)變片、應(yīng)變儀、記錄儀及計(jì)算分析設(shè)備等四大部分組成。它的基本原理是:將應(yīng)變片按構(gòu)件的受力狀況，合理的固定在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻值就發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻應(yīng)變儀將這種電阻值的變化測(cè)量出來，并換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號(hào)(電流或電壓)，用記錄儀器一記錄此電信號(hào)，再作分析與處理。也可用分析設(shè)備或計(jì)算機(jī)按預(yù)定的要求直接接受模擬電信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到應(yīng)力、應(yīng)變值或其他物理量。

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量按其測(cè)量的性質(zhì)、方法、和測(cè)量設(shè)備構(gòu)成來說，可分成靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量:是指在靜載荷作用下，測(cè)量起重運(yùn)輸機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度特性的一種主要方法。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量:是指結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷作用下的應(yīng)變測(cè)量。通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的分析，可一以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、動(dòng)載荷系數(shù)等動(dòng)力特性值和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力譜，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性及疲勞強(qiáng)度作出正確的判斷。

[1]于同工，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在港口機(jī)械上的應(yīng)，港口裝卸，2001

[2]孫遠(yuǎn)韜，港機(jī)金屬結(jié)構(gòu)故障診斷與安全性評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究，港口裝卸，2004

[3]赫榮勛，港口設(shè)備的管理與維護(hù)，港口科技，2007