塔式起重機(jī)起重臂損傷診斷方法

汪玉玲，牛向輝

（甘肅建投裝備制造有限公司，甘肅蘭州 730050）

0 引言

隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的迅速發(fā)展，塔式起重機(jī)行業(yè)快速擴(kuò)張[1]，但同時塔式起重機(jī)也屬于事故多發(fā)的特種設(shè)備（圖1）。塔機(jī)事故給人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來極大的威脅，為了提高塔機(jī)的安全性，減少事故的發(fā)生，各級政府不僅出臺了各項塔機(jī)生產(chǎn)和使用標(biāo)準(zhǔn)，還組織成立了各種安全監(jiān)管部門。雖然相關(guān)管理規(guī)定對塔機(jī)的生產(chǎn)使用做出了嚴(yán)格的要求，但是由于塔機(jī)的生產(chǎn)廠家良莠不齊，操作員安全意識不高，以及塔機(jī)自身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境等原因，塔機(jī)的安全事故仍然無法完全杜絕[2]。

圖1 塔式起重機(jī)

損傷檢測最早出現(xiàn)于1960 年，隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，現(xiàn)已較為成熟[3]。國內(nèi)外對損傷診斷的研究都有重大進(jìn)展，但是隨著各工程機(jī)械向全能化、復(fù)雜化、大型化和智能化的方向發(fā)展，損傷診斷也變得越來越復(fù)雜。現(xiàn)在的損傷診斷不只是對檢測數(shù)據(jù)的簡單比較，而是對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的分析處理，得到更便于對比分析的特征信息。

起重臂損傷識別包括5 個階段[4]：①起重臂損傷的識別；②起重臂損傷位置的識別；③損傷類型的識別；④起重臂損傷嚴(yán)重性的識別；⑤起重臂剩余使用壽命及是否需要維修的判別。其中，識別起重臂是否出現(xiàn)未知損傷是這5 個階段中最基本的層次。

引起塔式起重機(jī)發(fā)生安全事故的原因有很多種，發(fā)生事故的根源就是塔機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，損傷的不斷積累最終導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞，造成塔機(jī)事故[5]。如果能及時發(fā)現(xiàn)塔機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的損傷，及時對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行修復(fù)，將會避免大量的塔機(jī)事故[6]。本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析介紹塔式起重機(jī)起重臂損傷的診斷方法和應(yīng)用場合及其特點，可為工程技術(shù)人員在施工現(xiàn)場對塔式起重機(jī)起重臂損傷的診斷提供理論依據(jù)。

1 塔式起重機(jī)起重臂損傷診斷的定義

起重臂損傷指其剛度下降、柔度上升，在模態(tài)條件下出現(xiàn)固有頻率下降，即起重臂固有形態(tài)遭到損壞。在起重臂損傷的現(xiàn)場診斷中，需明確判斷出起重臂損傷的位置和相關(guān)物理參數(shù)的改變。因為起重臂損傷是與正常起重臂作對比而言的，所以對起重臂損傷需要進(jìn)行兩次或多次不同時刻的測試與診斷，對測試結(jié)果進(jìn)行對比，以此判別起重臂不同時刻的相關(guān)物理參數(shù)，從而對起重臂具體損傷部位及損傷程度作出判斷。

2 起重臂損傷診斷的基本思路

塔式起重機(jī)起重臂的功能為承受豎向作用和水平作用，但其水平作用的影響更大，因此對起重臂的損傷診斷常常是對起重臂抵抗或經(jīng)受水平作用的測試與診斷。

起重臂損傷診斷的關(guān)鍵是如何測試和判斷起重臂的實際狀況。首先要依據(jù)實際起重臂外形結(jié)構(gòu)，正確選用起重臂力學(xué)模型，將起重臂形態(tài)的損傷診斷問題轉(zhuǎn)變成可借助數(shù)學(xué)模型處理的問題，基本思路如下：

（1）以環(huán)境干擾為輸入源，量測起重臂的脈動反應(yīng)。

（2）依據(jù)起重臂的模態(tài)脈動響應(yīng)，選用動力模態(tài)模型進(jìn)行分析，判斷識別起重臂相關(guān)振動性能參數(shù)。

（3）依據(jù)步驟2 的起重臂實時動力模態(tài)，解出起重臂動力特征值的反向問題，以此來判斷識別起重臂的相關(guān)物理性能參數(shù)。

（4）依據(jù)起重臂剛度和柔度等相關(guān)物理性能參數(shù)的變化，判斷識別起重臂損傷的部位和損傷程度的高低。

（5）選擇實測的起重臂相關(guān)性能參數(shù)并對其進(jìn)行可靠性評價，以此評價起重臂的實際可靠性等級。

3 塔式起重機(jī)起重臂損傷的診斷方法

起重臂損傷診斷的方法主要有以下4 種：①基于動力學(xué)特性的模態(tài)參數(shù)起重臂損傷診斷；②基于人工智能的起重臂損傷診斷；③基于模型修正的起重臂損傷診斷；④基于信號處理的起重臂損傷診斷。

3.1 基于動力學(xué)特性的模態(tài)參數(shù)起重臂損傷診斷

通過在起重臂的不同部位處安裝動力響應(yīng)傳感器，對起重臂動力響應(yīng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，建立起重臂物理、模態(tài)二者參數(shù)相對應(yīng)關(guān)系，組成與之相應(yīng)的起重臂損傷判斷識別目標(biāo)，可以以此對起重臂損傷進(jìn)行判斷識別[7]。

對起重臂損傷而引起的頻率變化進(jìn)行相關(guān)研究，使用理論頻率和起重臂自振頻率對比，判別起重臂損傷部位及其損傷的程度。但該方法受一定條件約束，原因是起重臂自振頻率為全局變量，當(dāng)起重臂出現(xiàn)不同程度的損傷時極有可能會造成起重臂自振頻率呈現(xiàn)一樣的變化，因此此種測量方法只能明確損傷程度，但難以準(zhǔn)確給出具體位置，且此重臂損傷對其自振頻率變化造成的影響并不明顯，故在對起重臂微小損傷進(jìn)行判別時較為困難[8]。在Stubbs 方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，但在識別重度損傷時效果不好。

基于動力學(xué)特性的起重臂損傷診斷主要為借助起重臂的動力響應(yīng)對起重臂運行狀況進(jìn)行判斷識別，這種起重臂損傷診斷所受約束條件較少，只有極少數(shù)情況下受到一定約束，該測量方法簡單、便捷、經(jīng)濟(jì)，工程上應(yīng)用較為廣泛[9]。

3.2 基于人工智能的起重臂損傷診斷

人工智能對起重臂的損傷診斷方法較多，主要有人工免疫算法、支持向量機(jī)、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。借助模態(tài)應(yīng)變能改變和應(yīng)變能耗散之間的聯(lián)系對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位判別，并根據(jù)人工免疫算法對待診結(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)行深入的定位和定量分析與驗證，從而證實了人工免疫算法的可行性。支持向量機(jī)是一種新型學(xué)習(xí)機(jī)器，是一種新興的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在機(jī)器設(shè)備損傷診斷判別方面效果較為理想[10]。

對起重臂損傷診斷的理論是將小波包進(jìn)行分解從而構(gòu)造出的能量變化率作為起重臂損傷診斷測量的特征向量，然后對小波包的理論實施步驟進(jìn)行了闡述，最后采用aiNet 免疫網(wǎng)絡(luò)算法對起重臂損傷的具體位置和損傷程度進(jìn)行了判別。由此可看出基于人工智能的方法對起重臂具體位置和損傷程度診斷較為精確，但同時也有一定缺陷，比如運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對起重臂損傷的識別受制于較多外界因素，相關(guān)參數(shù)的確定、損傷診斷用判別指針的構(gòu)造等均會對起重臂損傷判別的結(jié)果造成不可忽略的影響。而且該方法專業(yè)性強(qiáng)、測量費用昂貴、測量通用性差，所以只有在特殊情況下才會選用[11]。

3.3 基于模型修正的起重臂損傷診斷

模型修正主要指借助有限元工具對起重臂損傷進(jìn)行分析判別時，需要對一些待診主體（如起重臂的邊界條件和材料特性等）進(jìn)行一定的假設(shè)、簡化，這就不可避免地使所選模型與起重臂實際情況之間產(chǎn)生一定的偏差[12]。所以一般在所選模型建立后，會將實測結(jié)果與所選模型做對比和驗證，并對所選模型與起重臂實測值之間存在的偏差原因及偏差產(chǎn)生的位置進(jìn)行判別分析，進(jìn)而對所選模型進(jìn)行修正。

借助特征值矩陣將殘余力方程同最小秩修正法聯(lián)系在一起，能夠較為理想地處理所選用的模態(tài)個數(shù)須等于剛度攝動矩陣的秩這一難題，最后通過最小秩修正法以求得空間桁架結(jié)構(gòu)的損傷部位及損傷狀況，并對其損傷原因進(jìn)行判別。用空間桁架結(jié)構(gòu)體系對所選的最小秩修正法進(jìn)行核驗，證實所選最小秩修正法是能夠精確診斷桁架結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)果可靠[13]。

也有學(xué)者提出了混合識別方法，對起重臂的質(zhì)量和剛性矩陣進(jìn)行調(diào)整來對起重臂損傷進(jìn)行診斷判別[14-15]。目前雖然通過模型修正方法對起重臂損傷進(jìn)行判別已取得一些成效，但仍存在一些問題。采用最優(yōu)矩陣修正判別損傷時難以準(zhǔn)確識別單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，且該方法理論性較強(qiáng)，需要培訓(xùn)專業(yè)的技術(shù)人員，成本較高，在工程中采用較少。

3.4 基于信號處理的起重臂結(jié)構(gòu)損傷診斷

信號處理是對模擬信號和實際進(jìn)行處理的統(tǒng)稱，主要由信號放大、去噪、濾波和線性變換等組成。基于數(shù)據(jù)的方法是對起重臂的振動響應(yīng)進(jìn)行比較，或通過損傷敏感參數(shù)對起重臂損傷進(jìn)行診斷判別。通過將待診結(jié)構(gòu)損傷檢測標(biāo)準(zhǔn)模型和自回歸滑動平均模型相結(jié)合，解出所建模型前三階系數(shù)的代數(shù)組合作為待診結(jié)構(gòu)損傷的敏感因子，并對該模型損傷辨識進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明該方法在識別結(jié)構(gòu)損傷時是有效和可行的[16]。通過時間序列模型對結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)的求解，提出結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法[17]。以待測結(jié)構(gòu)未損傷時的原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立ARMA 模型，采用原始未損傷狀態(tài)和待診工況的殘差之比作為損傷診斷的指標(biāo)，有效地實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警[18]。

借助信號處理的結(jié)構(gòu)損傷識別中的時間序列分析方法在起重臂損傷診斷檢測中同樣適用，且無需通過大量的數(shù)據(jù)集對模型進(jìn)行驗證，該方法測量結(jié)果精確，且簡單、方便，工程實際中也常常采用。

4 結(jié)束語

目前，建筑施工行業(yè)的安全形勢依然不容樂觀，起塔式起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)損傷引起的安全事故會造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。本文總結(jié)梳理了塔式起重機(jī)起重臂結(jié)構(gòu)損傷的診斷方法，并對損傷診斷方法的特點進(jìn)行比較，指出其適用場合，對推動塔式起重機(jī)起重臂準(zhǔn)確診斷，確保安全施工起到積極作用，為工程技術(shù)人員提供理論參考。