基于壓電阻抗技術的門式起重機健康監測研究

李繼承 戚政武 楊寧祥

（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院 珠海 519002）

1 引言

起重機是承擔貨物吊裝和搬運任務的重要機械，廣泛應用于碼頭、廠房、室內外倉庫等場所，在國民生產中起著相當重要的作用。起重機是一種間歇式動作機械，具有短暫、重復、周期性循環的工作特點，且工作環境惡劣，其金屬結構失效事故的后果十分嚴重。引起起重機金屬結構失效的故障類型主要有裂紋、局部或整體變形、折斷、銹蝕、剛度不足等。其中，裂紋損傷會顯著降低金屬結構承載面積，進而引起結構承載能力下降，在外加載荷周期性作用下，裂紋長度不斷增長，最終引起金屬結構斷裂，發生災難性事故。

TSG 51—2023《起重機械安全技術規程》C3.7.3金屬結構檢查中第（1）條要求：“主要受力結構件的連接焊縫無明顯可見的裂紋。”GB/T 6067.1—2010《起重機械安全規程 第1 部分：總則》3.9.3 條規定：“主要受力構件產生裂紋時，應根據受力情況和裂紋情況采取阻止措施，并采取加強或改變應力分布措施，或停止使用。”

大型起重機械尺寸大、結構復雜，部分金屬構架難于接觸，在定期檢驗和日常巡查中存在盲區。在裂紋損傷發生初期，損傷尺寸小，外觀表現不明顯，檢驗人員靠目視方法很難發現[1]。同時，金屬結構出現裂紋后，在達到一定限度之前，是容許其在規定的壽命期或檢修期內安全可靠地工作的[2]。針對大型起重機械，當發現存在初始裂紋損傷時，若任其繼續工作，則安全生產無法保障；若將其全部做報廢處理，因大部分出現損傷的起重機尚在設計使用年限內，報廢不僅會影響企業的正常生產，而且會造成巨大的經濟損失。因此，提出一種針對起重機金屬結構裂紋損傷的監測方法對保障起重機械安全生產具有重大意義。

2 監測原理

壓電阻抗（Electro-Mechanical Impedance，EMI）技術是20 世紀末發展起來的一種結構健康監測方法。其基本思想：結構發生損傷時其機械阻抗將發生變化，但該變化難以通過直接測試得到，利用壓電材料的機電耦合特性，通過測量其電阻抗信號的變化間接反映出被測結構機械阻抗的變化。對粘貼于結構表面或埋入結構內部的壓電材料施加交流電場時，由于逆壓電效應作用壓電材料將產生機械振動，并帶動被測結構產生振動響應。該響應傳遞到壓電材料上，由于正壓電效應作用引起其電阻抗信號變化。通過比較結構有無缺陷時所測得電阻抗信號的差別，可以對其內部損傷狀況進行判定。

壓電阻抗技術的理論模型最早于1993 年由Liang等[3]首次提出。PZT 壓電傳感器粘貼到被監測結構表面后，兩者組成的系統可以簡化為單自由度彈簧-質量-阻尼系統，如圖1 所示。圖1 中，V為施加在PZT 傳感器兩端的電壓，v為V的振幅，ω為角頻率，t為時間。I為流經PZT 傳感器的電流，i為I的振幅，φ為初始相位角。Z為耦合電阻抗的復數形式，Re(Z)為Z的實部，Im(Z)為Z的虛部，j為虛部符號。PZT傳感器的電壓V沿z軸方向施加，PZT 傳感器沿x軸方向振動，x=0 處為PZT 傳感器的固定端，x=la處為PZT 傳感器的振動伸縮端，la為PZT 傳感器的長度。m、c、k分別為被監測結構的質量、阻尼系數和彈簧剛度。

圖1 PZT 傳感器與被監測結構的一維機電耦合模型

PZT 傳感器的電阻抗信號Z(ω)與被監測結構的機械阻抗之間的關系可以用式（1）表示：

式中：

wa，ha—— 分別為矩形PZT 傳感器的寬度和厚度；

Za—— PZT 傳感器的機械阻抗；

Zs—— 被監測結構的機械阻抗；

d31—— 壓電常數；

在PZT 傳感器的特征參量保持不變的條件下，其電阻抗信號Z(ω)僅與被監測結構的機械阻抗Zs相關。

對于PZT 傳感器電阻抗信號的測量，目前比較常用的方法是借助商用阻抗分析儀[4]。該儀器具有測量頻帶范圍寬、電阻抗值測量精度高、單次測量數據點數多等優點。但對起重機金屬結構健康監測的應用場景，該儀器也存在一些局限，如設備笨重攜帶不便，尤其是對大型起重機監測現場，很難將該設備攜帶至起重機主梁等多個監測位置[5]。同時，阻抗分析儀需要外接220 V 交流電源，在某些起重機現場難以滿足遠距離供電。目前大多數阻抗分析儀僅支持單通道數據采集，不能實現多通道多頻段數據采集和同時顯示，造成監測現場數據采集效率較低。針對上述不足，本研究團隊在前期已經研發出便攜式電阻抗測試系統，并在試驗室環境下對一維鋁梁結構上的裂紋損傷進行了監測[6-7]。

3 有限元模型仿真

本研究的監測對象為額定載重量41 t 的輪胎式集裝箱龍門起重機，見圖2，其主要技術參數見表1。為了確定該型號起重機在額載情況下最大應力所在位置，為后期壓電阻抗監測部位的選取提供參考，首先采用有限元建模的方法，對起重機在小車處于不同位置時的整體受力情況進行分析。龍門起重機主體結構包括2 個主梁、4 個支腿、2 個鞍梁、2 個支撐，在ANSYS 中采用梁單元建模。進行受力分析時考慮的載荷情況包括固定載荷、小車載荷、吊具載荷、額定起升載荷、小車運行慣性力載荷。計算時考慮小車在主梁上的5 種特殊位置，見圖3，分別是（a）小車位于左極限位、（b）小車位于主梁1/4 處、（c）小車位于跨中、（d）小車位于主梁3/4 處、（e）小車位于右極限位，在圖3 中分別對應位置1 ～位置5。采用有限元分析方法計算時，金屬結構材料的彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，受力構件所用材料為Q345B，在小車處于主梁上不同位置時，起重機最大應力的分布云圖見圖4。

表1 龍門起重機主要技術參數

圖2 輪胎式集裝箱龍門起重機監測現場

圖3 龍門起重機結構計算模型

圖4 小車處于不同位置處最大應力云圖

觀察圖4 可以發現，當起重機小車處于主梁上的不同位置時，起重機整體受力情況差異較大，最大應力分布位置也不相同。其中，比較容易出現應力集中的部位為主梁上靠近小車停靠位置，支腿與主梁連接部位和右側2 條支腿的上中部。分別統計小車停靠不同位置時最大應力數值及其對應位置，見表2。根據表2 的統計結果可以看出，當小車位于主梁中部即位置3 時，在距離主梁中心1 730 mm 位置處出現最大應力，最大應力值為107.006 MPa。觀察圖4（c）和圖4中其他應力分布云圖，圖4（c）中除了出現最大應力外，支腿與主梁連接部位和右側2 條支腿的上中部等其他應力集中部位，相互之間的應力分布情況差別不大。因此，當小車位于位置3 時，整個龍門起重機結構的應力分布具有典型性，后期壓電阻抗監測時選取該種工況作為代表。

表2 工作工況計算列表

4 監測實施及結果分析

根據有限元分析的結果，以龍門起重機小車位于位置3 時的典型工況作為監測場景，選取4 處應力集中部位作為監測點，在其附近分別粘貼壓電傳感器。1#和2#傳感器粘貼于右前支腿焊縫位置附近，其中1#傳感器粘貼于支腿下部1/4 位置處，2#傳感器粘貼于支腿上部與主梁平行位置處。3#和4#傳感器粘貼于起重機主梁上蓋板，其中3#傳感器粘貼于主梁左側1/4 位置處，4#傳感器粘貼于主梁1/2 位置處。對于每個壓電傳感器，分別選擇4 組頻段作為監測頻段，其頻率范圍為20 ～23.98 kHz、30 ～33.98 kHz、40 ～43.98 kHz、55 ～58.98 kHz，各監測頻段的數據測量點數均為200，頻率間隔均為20 Hz。所用監測裝置為自行研發的便攜式電阻抗測試系統，試驗現場見圖5。

圖5 壓電阻抗監測實施現場

完成1#～4#壓電傳感器粘貼后，首先在龍門起重機空載的情況下進行電阻抗信號測量。然后將小車移動到位置3 處，加載30 t 集裝箱，其為額載41 t 的73%，在集裝箱吊起的狀態下進行傳感器電阻抗信號測量。最后，將集裝箱卸載，起重機再次處于空載狀態下進行信號測量。1#～4#壓電傳感器在不同加載狀態下所測得的電阻抗信號如圖6 ～圖9 所示。

圖6 1#壓電傳感器電阻抗測量結果

圖7 2#壓電傳感器電阻抗測量結果

圖8 3#壓電傳感器電阻抗測量結果

圖9 4#壓電傳感器電阻抗測量結果

觀察圖6 ～圖9 所測得的各壓電傳感器電阻抗信號可以發現，在不同的監測頻段范圍內，隨著測量頻率增大，電阻抗幅度整體上呈現出不斷減小的變化趨勢。在某些特定的頻率點，電阻抗幅度會出現峰值和谷值。由式（1）可知，電阻抗峰值和谷值對應的特征頻率，間接反映了被監測結構機械阻抗的變化，進而反映了被監測結構剛度、質量和阻尼特征的變化。相對于低頻段，在高頻段范圍內特征峰值和谷值的數量更多，因而對被監測結構的損傷變化更加敏感。當被監測起重機金屬結構出現裂紋損傷后，其機械承載能力下降，結構剛度降低，特征峰值和谷值對應頻率向低頻方向偏移。

在1#和2#傳感器的4 個監測頻段中，起重機加載前、加載中和加載后特征峰值、谷值對應頻率和電阻抗幅度均未觀察到明顯變化。對于3#傳感器，在起重機加載前后，電阻抗幅度隨檢測頻率的整體變化趨勢存在比較明顯的差別，即電阻抗譜的斜率出現明顯變化。電阻抗峰值和谷值對應的特征頻率并未發生明顯變化，個別特征頻率僅發生20 ～40 Hz 的偏移，即1 ～2 個數據點的偏移。4#傳感器各監測頻段在起重機加載前后，電阻抗特征頻率和幅度均未發生明顯變化，僅在40 ～43.98 kHz 頻段中，加載后的電阻抗譜相對于加載前和加載中存在一定的斜率變化。

參考第3 章得到的龍門起重機加載過程中最大應力分布云圖可知，在小車位于位置3 的加載過程中，最大應力的分布位置為4#傳感器附近。在加載的3 個階段，4#傳感器電阻抗譜對應的特征頻率均未發生明顯偏移。同時，1#～3#傳感器的電阻抗譜也未發生明顯偏移。可以認為，該龍門起重機在加載至30 t 重物情況下處于安全狀態，未觀察到反映裂紋出現或裂紋擴展的現象。

對于3#傳感器不同監測頻段出現的電阻抗譜斜率變化，參考孫佳[8]的研究結果，可以推斷為由環境溫度的變化引起。在實際監測過程中，3#傳感器處于陽光直射位置，不同監測時段傳感器可能由于附近金屬結構吸熱而出現溫度變化，進而導致電阻抗幅度隨監測頻率的斜率發生變化。

5 結論

采用壓電阻抗技術對額定載重量41 t 的龍門起重機金屬結構進行健康監測。采用有限元分析的方法確定小車在主梁上5 種不同停靠位置處，起重機應力分布云圖。選取典型加載條件下應力集中部位作為監測點，在起重機加載前、加載中和加載后分別進行壓電傳感器電阻抗信號測量。研究結果表明：當被監測起重機金屬結構未出現裂紋損傷時，電阻抗譜峰值和谷值對應頻率不會出現明顯偏移，電阻抗幅值相差較小。利用壓電阻抗技術能夠實現起重機金屬結構裂紋損傷的在線監測。環境溫度的變化會導致電阻抗譜斜率的變化，進而對監測結果產生干擾，在實際監測過程中應盡量減小環境溫度的變化范圍。