港口機械及其結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測方法探析

吳金鵬

（天津港集裝箱碼頭有限公司，天津 300456）

1 引言

隨著經(jīng)濟全球化和物流業(yè)的不斷發(fā)展，港口在現(xiàn)代貨物流通中的作用日益重要，其發(fā)展水平己成為衡量一個國家社會發(fā)展水平的主要標志之一。隨著港口裝卸機械設備朝著大型化、連續(xù)化、高速化和自動化方向發(fā)展，使得設備的組成與結(jié)構(gòu)變得越來越復雜。這一方面滿足了提高裝卸效率，降低生產(chǎn)成本等客觀要求。但另一方面，機械設備發(fā)生故障的機會越來越多，造成停工停產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟損失也越來越大。因此，現(xiàn)代化港口對機械設備工作的可靠性都提出了嚴格的要求。為確保各種裝卸機械設備的安全運行，提高其可靠性和安全運轉(zhuǎn)率，必須采取相應措施對港口裝卸機械的運行狀態(tài)實行有效監(jiān)測和控制，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況，采取措施減少或避免突發(fā)性故障，保證設備安全可靠。

2 港口機械故障監(jiān)測診斷技術(shù)要考慮的因素

對港口機械金屬結(jié)構(gòu)進行故障監(jiān)測診斷，首先要對其工作特點及受力狀況進行分析，隨后才能作出監(jiān)測點的分布和以何種形式獲取參數(shù)，進而考慮參數(shù)的分析處理，得出有價值的或是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其中所需要考慮以下因素:

2.1 港口機械的運行工況一般有別于其他行業(yè)中的機械設備。首先各機構(gòu)的運行基準點從只能是相對于結(jié)構(gòu)固定、剛度不同的結(jié)構(gòu)形式，在測量過程中會有很大的不同。這點明顯區(qū)別于以大地為基準相對固定的運行機構(gòu)。

2.2 載荷的變化范圍比較大。這主要受兩大方面的因素影響:第一是設備提取的貨物形式不一，散貨比重大小不同，件貨長短不一，吊起時的振擺都將會在受力測點中反映出來;第二是人為因素，同樣物體的貨物在裝卸過程中不同的人操作設備會得到不同的參數(shù)。

2.3 港口機械在結(jié)構(gòu)的安裝過程中將會產(chǎn)生一定的內(nèi)應力。并且這部分內(nèi)應力是隨機械所處不同狀態(tài)變化的。因此，在考慮外載荷使結(jié)構(gòu)受到的外應力以外，還需兼顧內(nèi)應力的因素，這樣才能列出監(jiān)測受力點的總體范圍，從而確定設備的安全工作受力區(qū)域。

2.4 機械的結(jié)構(gòu)振動測試，相對于所關(guān)心的監(jiān)測點的受力分析，則會清晰得多。對機構(gòu)運行關(guān)鍵點的觀察在信號提取后的頻譜分析圖中顯而易見，根據(jù)設計圖紙中給出的技術(shù)參數(shù)，對應的振源可作一比對。

2.5 各類港口機械運用狀態(tài)監(jiān)測有其獨特性，同時也存在不確定因素，如何對此類機械的強度、剛度進行有效測量，如何確定設備的有效安全工作參數(shù)，要做深入細致的工作，從中得到可靠的原始數(shù)據(jù)。通過定期的數(shù)據(jù)采集比對、計算，掌握和了解設備當時所處的技術(shù)狀態(tài)并建立其檔案。

3 港口機械金屬結(jié)構(gòu)的檢測

為了及時發(fā)現(xiàn)和防止金屬結(jié)構(gòu)件失效及發(fā)生事故，金屬結(jié)構(gòu)檢測是重要手段。起重機金屬結(jié)構(gòu)的檢測方法，通常可分為目檢和檢驗性檢測兩種。

目檢是一般性檢測，不使用測試儀器而用眼睛進行直觀檢查，通常有:

3.1 金屬結(jié)構(gòu)的鉸接點、連接部位等，應注意其在作業(yè)過程中工作是否平穩(wěn)、靈活，有無異常響聲和卡阻現(xiàn)象，潤滑是否良好，磨損是否嚴重，心軸有無竄動等。

3.2 各鉚接、螺栓連接處，有無松動現(xiàn)象。

3.3 各主要連接件、構(gòu)件焊縫處及其附近有無油漆打皺、剝落或焊縫開裂等現(xiàn)象。

3.4 檢查各構(gòu)件是否發(fā)生整體或局部變形，是否有彎、折、扭、損傷等現(xiàn)象。

3.5 檢查是否安裝了安全裝置，安全裝置是否齊全，性能是否可靠。

檢驗性檢測是使用儀器設備對結(jié)構(gòu)進行強度、剛度測試，進行微觀、定量的檢測，對結(jié)構(gòu)狀態(tài)作出科學的判斷。一般包括:

3.5.1 靜應力測試。主要是采用應變片電測法測試構(gòu)件在靜載荷作用下的承載能力是否符合設計和有關(guān)標準要求。靜應力檢測的測點，應布置在設計者提供的計算應力較大、受力較大和受力較復雜的構(gòu)件斷面，以及構(gòu)件截面的突變和變形與損傷處。

3.5.2 動應力測試。主要是檢測金屬結(jié)構(gòu)承受動載荷的構(gòu)件的承載能力是否滿足要求。其測點主要根據(jù)靜應力測試結(jié)果，選擇在靜應力值較大的截面，以及各主要構(gòu)件中承受動載荷最大的截面。通過動態(tài)應力測試，可以得出結(jié)構(gòu)件的最大動應力(應力幅峰值)、動載荷系數(shù)及結(jié)構(gòu)的振動頻率，從而得到結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應參數(shù)。

3.5.3 剛度測試。主要是檢驗金屬結(jié)構(gòu)件在外載荷作用下的變位是否在設計允許范圍內(nèi)，是否滿足作業(yè)要求。剛度的測試點，根據(jù)機械不同類型及作業(yè)特點，應選擇在構(gòu)件變位較大，而又必須加以控制的點，如門座起重機臂架端部、人字架頭部、轉(zhuǎn)臺后部，橋架類型起重機主梁下側(cè)等。

在檢測過程中，為了確保檢測數(shù)據(jù)可靠，檢測儀器設備及檢測系統(tǒng)的精度是至關(guān)重要的。按照國家技術(shù)監(jiān)督局要求，檢測儀器必須經(jīng)有關(guān)計量部門檢驗合格，精度滿足檢測要求。

在結(jié)構(gòu)應力檢測中，應對檢測數(shù)據(jù)進行認真的整理，注意檢測數(shù)據(jù)的重復性、線性性。對異常數(shù)據(jù)要進行分析，必要時要重測，還要注意有效數(shù)據(jù)的分析，這樣才能得出比較科學的結(jié)論和判斷。

4 港口機械結(jié)構(gòu)的應力監(jiān)測方法

4.1 基于光纖光柵傳感技術(shù)的應力監(jiān)測方法

光纖光柵是土世紀90年代新興的一種在光纖通一訊、光纖傳感和光信息處理領(lǐng)域有著廣泛應用前景的基礎性光學器件。其利用摻雜光纖的光敏特性，經(jīng)某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用導致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。當向光柵中注入寬帶光時，在其中傳輸?shù)墓獠ň驮谶@種折射率微擾下產(chǎn)生模式禍合，在光柵的入口反射出布拉格(Bragg)波長的反射譜。應用光纖光柵傳感器的領(lǐng)域還包括電力、石化、航空航天和核工業(yè)等行業(yè)。電力工業(yè)中的設備大都處在高電壓、強電磁場中，很多情況都無法在線檢測如高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子的溫度和位移等參數(shù)。光纖光柵傳感器是進行這些測量的很好的選擇。有一些電力設備經(jīng)常位于難以到達的地方，如荒山野嶺。

4.2 基于電阻應變電測技術(shù)的應力監(jiān)測方法

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，應力應變測量的方法也不斷地完善，最常用的電測應力應變方法當屬應變電測法。

應變電測法的測量系統(tǒng)通常由應變片、應變儀、記錄儀及計算分析設備等四大部分組成。它的基本原理是:將應變片按構(gòu)件的受力狀況，合理的固定在被測構(gòu)件上，當構(gòu)件受力變形時，應變片的電阻值就發(fā)生相應的變化。通過電阻應變儀將這種電阻值的變化測量出來，并換算成應變值或輸出與應變成正比的模擬電信號(電流或電壓)，用記錄儀器一記錄此電信號，再作分析與處理。也可用分析設備或計算機按預定的要求直接接受模擬電信號并進行數(shù)據(jù)處理，從而得到應力、應變值或其他物理量。

應力應變測量按其測量的性質(zhì)、方法、和測量設備構(gòu)成來說，可分成靜態(tài)應變測量和動態(tài)應變測量。

靜態(tài)應變測量:是指在靜載荷作用下，測量起重運輸機械金屬結(jié)構(gòu)靜強度特性的一種主要方法。

動態(tài)應變測量:是指結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷作用下的應變測量。通過動態(tài)應變測量結(jié)果的分析，可一以得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、動載荷系數(shù)等動力特性值和結(jié)構(gòu)的應力譜，從而對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性及疲勞強度作出正確的判斷。

[1]于同工，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在港口機械上的應，港口裝卸，2001

[2]孫遠韜，港機金屬結(jié)構(gòu)故障診斷與安全性評價系統(tǒng)的研究，港口裝卸，2004

[3]赫榮勛，港口設備的管理與維護，港口科技，2007