基于光纖光柵應變傳感系統的在役港口起重機結構健康監測*

張 沖 ，姚海子 ，趙 俊 ，鐘舜聰 ，3，4*，郭金泉，雷紹群，萬 當，楊曉翔

（1.福建省特種設備檢驗研究院，福建 福州 350001；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州 350108；3.福建省醫療器械和醫藥技術重點實驗室，福建 福州 350002；4.華東理工大學 承壓系統安全科學教育部重點實驗室，上海 200237）

0 引 言

港口起重機是一種間歇式工作機械，起重機的上升啟動、上升制動、下降制動和下降制動過程為非穩定過程，故起重設備結構將產生沖擊和振動，結構中的應力將發生變化，它們將不同程度影響機械零件的壽命、結構可靠性。另外，港口起重機工作環境惡劣、使用頻繁，且服役周期長，其金屬結構隨著服役時間的增長必然會出現不同程度的損傷。目前，我國針對起重機的主要安全保障方法仍然以定檢、監檢為主[1]，采用的技術手段多為目測、感觀判斷、停機測量、磁粉探傷等。常規檢測手段相對落后，檢驗人員工作量大、檢測效率低，而且常規檢測方法基本上都是在停機狀態下進行，檢驗結果難以反映起重機械實際運行狀態[2]。由于缺少長周期運行狀態量，人們無法預測在役起重機械結構的抗力水平和剩余壽命，對于超期服役起重機械，缺少安全評估的準確數據和降級改造的科學依據。

為了確保港口起重設備安全工作，許多學者開始研究新的檢測技術和評價方法，以便對其穩定性和安全狀況進行監測和評價。龔凌諸等[3]采用自然環境激勵技術對港口起重機進行了工作振動模態分析，為基于模態（振型[4]、固有頻率[5]等）的結構狀態監測和裂紋診斷提供了一種行之有效的方法。黃國健等[6]和聶龍武等[7]利用基于電阻應變法測試了起重機結構與載荷響應，分別為進行金屬結構耐久性評估以及動態測試試驗模型提供了可靠的數據依據。劉元平等[8]利用現有無線網絡將起重機的應力、應變數據遠程采集到維護維修中心，供技術人員對起重機的健康狀況作出評估。由于港口起重機尺寸比較大，往往需要很長的電纜線連接傳感器和測試系統，這就給傳感器的布放帶來了諸多不便。特別是在傳感器使用數量比較多的場合，各條電纜線的互相纏繞也是個需要考慮的問題。另外，雖然無線傳感系統的使用是大型特種設備檢驗的發展趨勢，但是無線傳感設備的供電電源的長時間供電也是個需要解決的問題。目前普遍使用的鋰電池一般只可以用到4 h～10 h 左右。

近年來，光纖光柵傳感器以其抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、體積小、復用能力強及能實現實時分布式測量等其他傳統傳感器無法比擬的優勢，在船舶結構[9]、鐵道無縫線路鋼軌等[10]領域有廣泛的應用。另外，由于一條光纖上可以布置多個傳感器，沒有光纜線互相纏繞的問題；而且在傳感器上的工作不需要加電源，所以也沒有無線傳感設備的長時間供電電源問題。

本研究利用光纖光柵應變傳感系統對在役港口起重機進行狀態健康監測。

1 基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機結構健康監測系統

基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機健康監測系統如圖1 所示，主要由寬頻光源、光纖耦合器、溫度光纖光柵、應變光纖光柵、光纖解調儀、健康監測軟件等組成。溫度光纖光柵用于溫度補償。具體的光纖布拉格光柵（fiber Bragg grating，FBG）的原理如下：由于光纖芯區折射率周期變化造成光纖波導條件的改變，導致一定波長的光波發生相應的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜對該波長出現奇異性。基于光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對布拉格中心波長的調制來獲取傳感信息，這是一種波長調制型光纖傳感器。

圖1 基于反射式光纖光柵傳感的港口起重機健康監測系統

根據光纖耦合模理論，寬帶光入射光纖將產生模式耦合，當滿足布拉格條件時，光柵將起到一個反射鏡的作用，反射回一個窄帶光波（其余的光波從光柵的另一端透射出去），入射光譜、透射光譜及反射光譜如圖2 所示。

圖2 入射光譜、透射光譜及反射光譜

該窄帶光波的中心波長即為光柵布拉格波長λB，即：

式中：neff—纖芯的有效折射率，Λ—光柵周期。

當光柵受到外界溫度、應變等作用時，Λ和neff都會受外界環境影響而發生變化，表示為ΔΛ和Δneff，導致符合Bragg 條件的反射波長發生位移，即ΔλB。對式（1）進行微分運算，可得：

式（2）即為光柵傳感檢測機理，通過檢測滿足Bragg 條件的反射波中心波長發生位移ΔλB 來檢測作用在光纖上的溫度、應變等外界被測信號。

在實驗室條件下，為了檢驗自研發的反射式光纖光柵傳感港口起重機健康監測系統的工作情況，本研究利用應變光纖光柵傳感器與電阻式應變片分別對加載砝碼的等強度梁進行測量。電阻式應變片以及校準后的應變光纖光柵傳感器的測試結果如圖3 所示。

圖3 應變光纖光柵傳感器與電阻式應變片測量結果比較圖

由圖3 可知，兩種測量結果有較好的一致性，從而驗證了該港口起重機健康監測系統的實效性。

2 港口起重機結構健康監測

某港口起重機的結構如圖4（a）所示，該港口起重機的4 個監測點A、B、C 和D 如圖4（b）所示，本研究同時對4 個監測點的應變和溫度進行監測，應變和溫度光纖光柵如圖4（c）所示。本研究利用自研發的港口起重機健康監測系統針對以下3 種典型起重機的工作狀況進行監測。

2.1 起重機臂架變幅（工況一）

起重機變幅的過程如下：

（1）最大幅度狀態下進行吊重；

（2）重物起升；

（3）變幅使臂架角度達到允許的最小角度；

（4）變幅使臂架角度達到允許的最大角度；

（5）重物下降；

（6）載荷落地。

變幅過程中監測點D 的應變曲線如圖5（a）所示。該應變曲線中波動的部分記錄了變幅過程中起重機產生振動引起結構中的應力變化，同時也顯示了變幅過程中結構壓應力和拉應力的變化過程。

圖4 某港起重機的結構及測試分布

2.2 旋轉起重機臂架（工況二）

起重機旋轉臂架的過程如下：

（1）最大幅度狀態下進行吊重；

（2）重物起升；

（3）順時針旋轉180 °；

（4）逆時針旋轉180 °；

（5）重物下降；

（6）載荷落地。

起重機旋轉過程中監測點D 的應變曲線如圖5（b）所示。旋轉過程中起重機產生振動引起結構應力變化范圍有大約30με的波動。

2.3 一次完整起吊和卸載過程（工況三）

起重機完成一次起吊和卸載過程如下：

（1）最大幅度狀態下進行吊重；

（2）重物起升；

（3）順時針旋轉135 °；

（4）重物起升；

（5）順時針旋轉45 °；

（6）下降制動；

（7）載荷落地；

（8）起升；

圖5 起重機監測點D 應變曲線

（9）逆時針旋轉45 °；

（10）變幅至最大；

（11）逆時針旋轉135 °；

（12）下降制動；

（13）載荷落地；

（14）起升；

（15）逆時針旋轉45 °；

（16）變幅至最小；

（17）逆時針旋轉135 °；

（18）順時針旋轉180 °；

（19）變幅至最大；

（20）下降；

（21）載荷落地。

一次完整的起吊和卸載過程對應的應變曲線如圖5（c）所示，在實際工況中，應力的波動范圍比變幅和旋轉過程更大。實際中，起重機在載荷多變的工作環境中長時間服役中，其應力持續發生著變化。這些應力的變化將不同程度影響機械零件的壽命、結構可靠性，因此對起重機的結構進行健康檢測是非常必要的。

由圖5 可以看出，應變曲線很好地記錄了整個變幅、旋轉和整個起吊卸載工作的過程，信號有較好的信噪比。現場實測結果驗證了該方法的可行性，可為港口起重機的在線安全診斷和預測提供數據支撐。

3 結束語

港口起重機工作環境惡劣（受臺風、地震和腐蝕等影響）、使用頻繁、載荷多變，且服役周期長，其金屬結構隨著服役時間的增長必然會出現不同程度的損傷。港口起重機是一種間歇式工作機械，起重機的上升啟動、上升制動、下降制動和下降制動過程為非穩定過程，故起重設備結構將產生沖擊和振動，結構中的應力將發生變化，它們將不同程度影響機械零件的壽命、結構可靠性。為了掌握在役港口起重機運行時的健康狀態，筆者研究了基于光纖光柵應變傳感系統的在役港口起重機健康監測，采用具有溫度補償功能的反射式光纖光柵傳感系統對港口起重機幾種典型工況（變幅、旋轉、吊重和卸載等）進行實時在線監測。

實驗室和現場實測結果驗證了該方法的可行性并突出了港口起重機結構狀態檢測的必要性。現場實測結果為港口起重機的在線安全診斷和預測提供了數據支撐。

（References）：

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[10]楊占平.光纖應變傳感器無縫線路鋼軌溫度應力測試儀的研制[J].鐵道技術監督，2012（7）：17-19.