基于超聲相控陣的大型塔式起重機金屬結構損傷檢測方法

杜 彬 劉福建 任偉彬 李 陽

（1.菏澤市特種設備協會，山東 菏澤 2740004；2.菏澤市市場監管監測中心，山東 菏澤 274000；3.菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東 菏澤 274000；4.菏澤市特種設備協會，山東 菏澤 274000）

0 引言

在對塔式起重機的研究中發現，該設備的主要結構是金屬結構，根據工程方的大量勘察和現場調研，起重機施工現場超過半數的事故都是由金屬結構損傷造成的。當金屬結構損傷到一定程度后，結構將發生疲勞性斷裂，而該現象也是造成起重機損壞的主要原因之一[1]。因此，有關單位提出了針對大型塔式起重機的定期維護技術方案，盡管相關工作的實施取得了一定的效果，但是仍未能從根本上解決由起重機金屬結構損傷引起的設備運行方面問題。為了解決相關問題，技術方提出了針對金屬結構的無損檢測方法，通過檢測金屬結構表面，掌握結構中存在的損傷位置和損傷形態[2]。與常規的檢測方法相比，所提出的無損檢測方法具有操作便捷、價格低廉等優勢，且對技術人員的操作規范沒有較多的要求。目前，我國針對這方面內容的研究仍局限在理論階段，尚未在實踐中實現對金屬結構無損檢測方法的推廣使用。為了落實這項工作，發揮塔式起重機在工程領域內更高的效益、價值，該文將在這次研究中引進超聲相控陣技術，以某大型塔式起重機為例，設計針對金屬結構損傷的檢測方法，對設備中金屬結構健康進行實時監測，減少由損傷導致的作業現場安全事故的發生次數。

1 建立大型塔式起重機金屬結構損傷后的動力特征方程

為了對大型塔式起重機設備中金屬結構損傷進行高精度檢測，在設計方法前，應根據金屬結構損傷后的狀態、形式建立結構損傷后的動力特征方程[3]。在該過程中，將起重機設備中的金屬結構作為一個具有多自由度的機械系統，在設備作業過程中，金屬結構之間發生振動磨損，對應的振動方程如公式（1）所示[4]。

式中：f為大型塔式起重機作業過程中金屬結構之間的振動方程；M為設備質量矩陣；X2為二次位移；C為振型；X1為一次位移；K為金屬結構剛度矩陣；X為初始化狀態。

在上述內容的基礎上進行振動過程中金屬結構特征方程的描述，如公式（2）所示。

式中：φ為振動頻率；w為振動周期；Φ為振動過程中結構的自由度；i為模態階數。

在上述內容的基礎上，建立大型塔式起重機金屬結構損傷后的動力特征方程，如公式（3）所示[5]。

式中：K為金屬結構損傷后的剛度矩陣；φ為損傷后的振動頻率；w為損傷后的振動周期；Φ為損傷后的結構的自由度。

按照上述方式，完成結構損傷后的動力特征方程構建研究。

2 基于超聲相控陣的金屬結構損傷信號聚焦

在上述設計內容的基礎上，引進超聲相控陣技術對金屬結構損傷信號進行聚焦，通過該方式提高檢測結果的精度，該過程利用由多個壓電晶片構成的陣列組成1 個一維陣列[6]。利用電子學原理對傳感器陣列中的各單元進行控制，按照特定的時間順序進行信號激勵，對由各單元發出的超聲信號進行疊加，從而構成一個新的波陣面。可以將該過程看作是通過改變傳感器的空間配置來改變傳感器陣列的光束方向[7]。與此同時，在接收反射波的過程中，按照一定的規則和時間順序，對接收單元的接收進行控制，對其進行信號合成，將合成的結果按照規范顯示。計算壓電陣元之間的間距為d，對空間內隨機一點接收到的疊加信號進行描述，如公式（4）所示。

式中：S為疊加信號；k為衰減系數；m為激勵信號；S0為疊加前的原始信號；t為信號傳播時間；為信號傳播距離；σi為時間差；θ為信號在空間中傳播的夾角。

按照信號在空間中傳播的衰減系數對信號進行補償，并在考慮時間延遲的條件下，在波陣面聚焦金屬結構損傷信號，該過程如公式（5）所示[8]。

式中：P為金屬結構損傷信號的聚焦；s為陣元激勵。

按照上述方式完成基于超聲相控陣的金屬結構損傷信號聚焦。

3 大型塔式起重機金屬結構損傷檢測與定位

在檢測過程中，當波束在檢測視場中某既定范圍掃描時，需要根據收到的回波信號振幅對大型塔式起重機金屬結構進行全掃描[9]。在掃描過程中，當信號在金屬結構損傷位置發生后聚焦時，合成信號的能量將呈現顯著的增強趨勢，與此同時，合成信號的發射能量也將增加，這樣就可以在大型塔式起重機金屬結構損傷檢測的同時，獲取損傷角度信息。

根據已經獲得的損傷角度信息，結合該方向的合成信號強度，確定大型塔式起重機金屬結構損傷位置的極徑，該過程如公式（6）所示。

式中：J為大型塔式起重機金屬結構損傷位置的極徑；C為金屬結構中Lamb 波的波速；T為激勵信號的波達時間差。

根據上述方式，參照檢測過程中相對起重機金屬結構的原始坐標，利用損傷位置的極徑確定結構的損傷區域和幾何結構。在該基礎上，考慮信號的能量屬于方向與距離函數，因此，可以用灰度描述從不同方向獲得的能量，按照灰度值大小對圈定的損傷區域進行區分，這樣就可以較為清晰地定位大型塔式起重機金屬結構損傷點，從而實現對金屬結構損傷進行檢測的功能。

4 對比試驗

該文提出的方法在工程和相關領域內的研究尚停留在理論階段，現有研究內容中缺少理論方面的成果，對損傷檢測方法的推廣使用提供技術層面支撐。因此，該文選擇某建筑工程項目施工現場使用的某大型塔式起重機作為檢測對象，對設備的金屬結構進行損傷檢測。

根據工程項目的實際情況、機械設備運營管理方的反饋，選擇的大型塔式起重機已在市場內投入使用較長時間，并出現了一定程度的金屬結構機械損傷，但是設備規模較大，使用人工檢測方法存在耗時、費力等問題，因此，在與設備管理方綜合交涉后，決定使用該文設計的方法對設備金屬結構進行損傷檢測。檢測前，對大型塔式起重機設備的作業條件、技術參數進行描述，相關內容見表1。

表1 大型塔式起重機作業條件與技術參數

掌握檢測對象的基本情況后，使用該文設計的方法對起重機設備進行損傷檢測。在檢測過程中，先根據大型塔式起重機的結構形式建立針對該設備金屬結構損傷后的動力特征方程。在此基礎上，引進超聲相控陣技術對設備金屬結構損傷位置信號進行聚焦，最后對損傷位置點進行定位，實現對結構損傷進行檢測的功能。

按照上述方式應用該文提出的方法。為了滿足試驗結果的對比性需求，引進基于無人機圖像識別的金屬結構損傷檢測方法、基于LSTM 循環神經網絡的金屬結構損傷檢測方法，將提出的2 種檢測方法作為傳統方法一、傳統方法二，使用3 種方法進行金屬結構損傷檢測。檢測前需要先明確大型塔式起重機金屬結構存在損傷、不存在損傷時反饋的信號形式，相關內容如圖1、圖2所示。

圖1 大型塔式起重機金屬結構反饋的健康信號

由圖2 可知，當大型塔式起重機金屬結構無損傷時，反饋的信號幅值為0 dBm，當起重機金屬結構存在損傷時，反饋的信號幅值在±5 dBm 范圍內變化。如果起重機金屬結構反饋的損傷信號小于5 dBm 且大于-5 dBm ，說明起重機設備的檢測結果受到外界環境的影響、干擾，存在反饋信號攜帶噪聲的問題，不可以將該結果作為損傷檢測的依據。

已知設備運行3 ms~5 ms 時反饋呈散射狀態的結構損傷信號基礎上，按照上述標準，使用3 種方法對起重機金屬結構損傷進行檢測。試驗結果如圖3~圖5 所示。

圖3 該文提出的方法的金屬結構損傷檢測結果

由圖3 可知，使用該文設計的方法進行起重機金屬結構的損傷檢測，信號在3 ms~5 ms 的反饋呈散射狀態，且信號幅值在±5 dBm 范圍內，即檢測結果與已知條件一致，且反饋的信號可以作為最終金屬結構損傷檢測的依據。

由圖4 可知，使用傳統方法一進行起重機金屬結構的損傷檢測，盡管該方法也可以檢測到信號在3 ms~5 ms 的反饋呈散射狀態，但是信號幅值未在±5 dBm 范圍內，說明檢測結果無法作為起重機金屬結構損傷檢測的依據。

圖4 傳統方法一的金屬結構損傷檢測結果

由圖5 可知，使用傳統方法二進行起重機金屬結構的損傷檢測，反饋的信號中存在多個峰值且信號峰值不局限在3 ms~5 ms，信號的幅值也未在±5 dBm 范圍內。

圖5 傳統方法二的金屬結構損傷檢測結果

綜上所述，與傳統方法相比，該文設計的檢測方法在實際應用中的效果良好，該方法可以在提高損傷檢測結果精度的同時，使檢測結果具有更高的可靠性，通過該方法可以精準把握大型塔式起重機金屬結構的損傷，為提高起重機設備運行的穩定性、可靠性提供進一步的技術指導。

5 結語

由于大型塔式起重機的作業環境通常較為復雜，因此在使用過程中極易受環境的侵蝕、荷載方面的沖擊，使大型塔式起重機金屬結構表面出現不同程度的缺陷，在嚴重情況下，甚至會縮短起重機的使用壽命或誘發作業現場安全事故。為了解決相關問題，該文通過建立大型塔式起重機金屬結構損傷后的動力特征方程、金屬結構損傷信號聚焦、大型塔式起重機金屬結構損傷檢測、定位，引進超聲相控陣技術，以某大型塔式起重機為例，設計一種針對金屬結構損傷的檢測方法，為塔式起重機在更多領域內的推廣使用提供技術層面的支持。