本文圍繞大型門式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開，介紹在智能傳感器技術(shù)開發(fā)應(yīng)用背景下，本司研究的安全監(jiān)測(cè)方案。

在此方案下能實(shí)現(xiàn)大型門式起重機(jī)的智能監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、常態(tài)監(jiān)控、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和運(yùn)行問題，做到實(shí)時(shí)報(bào)警，及時(shí)避免更大的施工事故發(fā)生，進(jìn)而提高工作效率和安全性、降低施工隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

目前，起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的檢測(cè)常采用關(guān)鍵構(gòu)件受力點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試方法。其中基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變電測(cè)法是起重機(jī)械最為常用。這種方式的主要缺陷包括: 檢測(cè)時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)干擾大、檢測(cè)結(jié)果只能反映測(cè)試時(shí)刻的應(yīng)變變化信息，無法提供實(shí)時(shí)狀態(tài)，不能應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)突發(fā)事故。本文結(jié)合智能傳感器技術(shù)開發(fā)一套起重機(jī)械專用的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)方案。實(shí)現(xiàn)服役大型港機(jī)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)/監(jiān)測(cè)的智能化、常態(tài)化、實(shí)時(shí)化。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線安全評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)主要構(gòu)件的遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)或檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，實(shí)時(shí)報(bào)警。大型港口起重機(jī)械結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程檢測(cè)需要解決一系列問題，包括: ①自重應(yīng)力導(dǎo)入及零點(diǎn)漂移修正方法; ②溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響; ③智能靜/動(dòng)載檢測(cè)的實(shí)現(xiàn); ④基于監(jiān)測(cè)/檢測(cè)結(jié)果的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法等。

由于靜/動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的工作原理，應(yīng)變測(cè)試時(shí)，首先需要找到一個(gè)零點(diǎn)位置，一定工況下(如最小幅度，空載，臂架與大車方向平行等) 對(duì)各測(cè)點(diǎn)清零，然后測(cè)試，所測(cè)得的結(jié)果均為零點(diǎn)的相對(duì)值。因此首先要獲取清零條件下的各構(gòu)件測(cè)點(diǎn)處的自重應(yīng)力。對(duì)于服役的大型起重機(jī)，如使用單位不能提供測(cè)點(diǎn)位置的自重應(yīng)力，則需要通過對(duì)機(jī)器進(jìn)行有限元建模獲取。有限元模型建立可根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙或通過人工測(cè)量構(gòu)件的板厚、連接方式等建模估算。［本系統(tǒng)使用的 ANSYS 有限元分析包括結(jié)構(gòu)靜力分析。 步驟包括: 首先創(chuàng)建有限元分析模型，根據(jù)測(cè)點(diǎn)所在的部位，分別建立各部件的有限元模型?？芍苯釉?ansys 中創(chuàng)建模型，也可先使用 CAD、Pro /E、UG 等建模然后導(dǎo)入 ansys。然后定義材料屬性，劃分單元網(wǎng)格。接著施加載荷(自重載荷等) 及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解。最后提取某關(guān)鍵點(diǎn)某工況下的應(yīng)力值。通過系統(tǒng)軟件設(shè)置，可以獲取不同幅度下的各節(jié)點(diǎn)所在位置的自重應(yīng)力。圖 1 為臂架系統(tǒng)某幅度的計(jì)算模型。圖 2 為系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)讀取的自重應(yīng)力。

對(duì)于長時(shí)間的應(yīng)變監(jiān)測(cè)而言，由于各種因素的共同作用，起重機(jī)在回到零點(diǎn)位置時(shí)，數(shù)值不再是理想的“0”，而是會(huì)出 現(xiàn)偏差。需要對(duì)這個(gè)偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在考慮了溫度對(duì)結(jié)構(gòu)影響后，當(dāng)這個(gè)偏差值大于設(shè)定的閾值時(shí)，需要進(jìn)行修正。

我們通過對(duì)固定條件下(載荷為空載，臂架方向和大車行走方向平行，擺角零度) 任意零點(diǎn)位置測(cè)試結(jié)果變化(考慮了溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響之后) ，判斷零點(diǎn)的漂移程度及是否需要修正。系統(tǒng)定期檢索數(shù)據(jù)庫中的符合固定條件的最后一次數(shù)據(jù)，通過將該數(shù)據(jù)的值與前期計(jì)算的值進(jìn)行比較，判斷是否需要進(jìn)行零點(diǎn)修正。

大型起重機(jī)械通常都在戶外工作，環(huán)境的溫度從零下二、三十多度到零上三、四十度。如此大的溫差將對(duì)大型起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響。實(shí)際的測(cè)試結(jié)果需要考慮獲得 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)和調(diào)零時(shí)的溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。溫度場(chǎng)的影響，在起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中很少考慮。本系統(tǒng)通過建立有限元模型，施加不同的溫度場(chǎng)，獲取理論的影響數(shù)值。

首先創(chuàng)建熱分析有限元分析模型，根據(jù)測(cè)點(diǎn)所在的部位，分別建立各部件的有限元模型。然后定義材料屬性，劃分單元網(wǎng)格。接著施加載荷( 溫度載荷) 及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件，然后求解。后處理: 查看計(jì)算結(jié)果，提取某關(guān)鍵點(diǎn)某工況下的應(yīng)力值。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但根據(jù)需要，如國家標(biāo)準(zhǔn)要求或與其它檢測(cè)結(jié)果比較的要求，大型港口起重機(jī)械需要完成標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的靜/動(dòng)載檢測(cè)。為適應(yīng)需求，并盡可能減少是設(shè)備管理人員的參與，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能的靜/動(dòng)載檢測(cè)。主要內(nèi)容包括:

①標(biāo)準(zhǔn)靜/動(dòng)載動(dòng)作的制定標(biāo)準(zhǔn)靜/動(dòng)載動(dòng)作是指按照標(biāo)準(zhǔn)或習(xí)慣指定的工況下的靜/動(dòng)載測(cè)試。

②現(xiàn)場(chǎng)觸發(fā)與自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)人員在測(cè)試前，首先將起重機(jī)械位于清零位置。然后觸發(fā)系統(tǒng)開始檢測(cè)任務(wù)( 此時(shí)監(jiān)測(cè)工作仍在進(jìn)行) 。

根據(jù)歷史靜/動(dòng)載測(cè)試結(jié)果，在相同工況下，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別作時(shí)間———應(yīng)力曲線圖，根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值的變化情況，分析各測(cè)點(diǎn)部位劣化趨勢(shì)，進(jìn)而推算整體結(jié)構(gòu)的劣化趨勢(shì)。在名義應(yīng)力法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用在線評(píng)估的方法進(jìn)行估算疲勞壽命的步驟如圖 4 所示，其步驟為:

①選擇時(shí)間和樣本: 通過查看歷史數(shù)據(jù)，選擇常用工作載荷和循環(huán)周期次數(shù)，確定樣本。

②根據(jù)服務(wù)器接收的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)( 加上自重) ，用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)出樣本應(yīng)力時(shí)間歷程中包括的應(yīng)力循環(huán)數(shù)并擬合出其統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的載荷譜。

③根據(jù)材料的不同，選擇 S － N 曲線。

④損傷計(jì)算。按照步驟 2 計(jì)算的載荷譜和相應(yīng)的疲勞壽命曲線，計(jì)算各級(jí)載荷的損傷值，以 Miner 線性累計(jì)損傷理論計(jì)算綜合載荷造成的總損傷值。

⑤估算剩余壽命。由累積損傷值的倒數(shù)可以算出總循環(huán)次數(shù)，將總循環(huán)次數(shù)減去已實(shí)際使用的循環(huán)次數(shù)，即可得剩余循環(huán)次數(shù)。

通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究以及落地，此系統(tǒng)的研究效果符合預(yù)期，達(dá)到了研究期望。隨著國家越來越注重大型起重機(jī)械的施工安全以及起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷規(guī)范和提升，此項(xiàng)技術(shù)的研究作為基礎(chǔ)會(huì)愈來愈在實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮作用。