基于超聲相控陣的大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測方法

杜 彬 劉福建 任偉彬 李 陽

（1.菏澤市特種設(shè)備協(xié)會(huì)，山東 菏澤 2740004；2.菏澤市市場監(jiān)管監(jiān)測中心，山東 菏澤 274000；3.菏澤市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測研究院，山東 菏澤 274000；4.菏澤市特種設(shè)備協(xié)會(huì)，山東 菏澤 274000）

0 引言

在對(duì)塔式起重機(jī)的研究中發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程方的大量勘察和現(xiàn)場調(diào)研，起重機(jī)施工現(xiàn)場超過半數(shù)的事故都是由金屬結(jié)構(gòu)損傷造成的。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)損傷到一定程度后，結(jié)構(gòu)將發(fā)生疲勞性斷裂，而該現(xiàn)象也是造成起重機(jī)損壞的主要原因之一[1]。因此，有關(guān)單位提出了針對(duì)大型塔式起重機(jī)的定期維護(hù)技術(shù)方案，盡管相關(guān)工作的實(shí)施取得了一定的效果，但是仍未能從根本上解決由起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷引起的設(shè)備運(yùn)行方面問題。為了解決相關(guān)問題，技術(shù)方提出了針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的無損檢測方法，通過檢測金屬結(jié)構(gòu)表面，掌握結(jié)構(gòu)中存在的損傷位置和損傷形態(tài)[2]。與常規(guī)的檢測方法相比，所提出的無損檢測方法具有操作便捷、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，且對(duì)技術(shù)人員的操作規(guī)范沒有較多的要求。目前，我國針對(duì)這方面內(nèi)容的研究仍局限在理論階段，尚未在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)無損檢測方法的推廣使用。為了落實(shí)這項(xiàng)工作，發(fā)揮塔式起重機(jī)在工程領(lǐng)域內(nèi)更高的效益、價(jià)值，該文將在這次研究中引進(jìn)超聲相控陣技術(shù)，以某大型塔式起重機(jī)為例，設(shè)計(jì)針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)損傷的檢測方法，對(duì)設(shè)備中金屬結(jié)構(gòu)健康進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，減少由損傷導(dǎo)致的作業(yè)現(xiàn)場安全事故的發(fā)生次數(shù)。

1 建立大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷后的動(dòng)力特征方程

為了對(duì)大型塔式起重機(jī)設(shè)備中金屬結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行高精度檢測，在設(shè)計(jì)方法前，應(yīng)根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)損傷后的狀態(tài)、形式建立結(jié)構(gòu)損傷后的動(dòng)力特征方程[3]。在該過程中，將起重機(jī)設(shè)備中的金屬結(jié)構(gòu)作為一個(gè)具有多自由度的機(jī)械系統(tǒng)，在設(shè)備作業(yè)過程中，金屬結(jié)構(gòu)之間發(fā)生振動(dòng)磨損，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)方程如公式（1）所示[4]。

式中：f為大型塔式起重機(jī)作業(yè)過程中金屬結(jié)構(gòu)之間的振動(dòng)方程；M為設(shè)備質(zhì)量矩陣；X2為二次位移；C為振型；X1為一次位移；K為金屬結(jié)構(gòu)剛度矩陣；X為初始化狀態(tài)。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行振動(dòng)過程中金屬結(jié)構(gòu)特征方程的描述，如公式（2）所示。

式中：φ為振動(dòng)頻率；w為振動(dòng)周期；Φ為振動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)的自由度；i為模態(tài)階數(shù)。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷后的動(dòng)力特征方程，如公式（3）所示[5]。

式中：K為金屬結(jié)構(gòu)損傷后的剛度矩陣；φ為損傷后的振動(dòng)頻率；w為損傷后的振動(dòng)周期；Φ為損傷后的結(jié)構(gòu)的自由度。

按照上述方式，完成結(jié)構(gòu)損傷后的動(dòng)力特征方程構(gòu)建研究。

2 基于超聲相控陣的金屬結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)聚焦

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)超聲相控陣技術(shù)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)進(jìn)行聚焦，通過該方式提高檢測結(jié)果的精度，該過程利用由多個(gè)壓電晶片構(gòu)成的陣列組成1 個(gè)一維陣列[6]。利用電子學(xué)原理對(duì)傳感器陣列中的各單元進(jìn)行控制，按照特定的時(shí)間順序進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，對(duì)由各單元發(fā)出的超聲信號(hào)進(jìn)行疊加，從而構(gòu)成一個(gè)新的波陣面?？梢詫⒃撨^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(shí)，在接收反射波的過程中，按照一定的規(guī)則和時(shí)間順序，對(duì)接收單元的接收進(jìn)行控制，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)合成，將合成的結(jié)果按照規(guī)范顯示。計(jì)算壓電陣元之間的間距為d，對(duì)空間內(nèi)隨機(jī)一點(diǎn)接收到的疊加信號(hào)進(jìn)行描述，如公式（4）所示。

式中：S為疊加信號(hào)；k為衰減系數(shù)；m為激勵(lì)信號(hào)；S0為疊加前的原始信號(hào)；t為信號(hào)傳播時(shí)間；為信號(hào)傳播距離；σi為時(shí)間差；θ為信號(hào)在空間中傳播的夾角。

按照信號(hào)在空間中傳播的衰減系數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，并在考慮時(shí)間延遲的條件下，在波陣面聚焦金屬結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)，該過程如公式（5）所示[8]。

式中：P為金屬結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)的聚焦；s為陣元激勵(lì)。

按照上述方式完成基于超聲相控陣的金屬結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)聚焦。

3 大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測與定位

在檢測過程中，當(dāng)波束在檢測視場中某既定范圍掃描時(shí)，需要根據(jù)收到的回波信號(hào)振幅對(duì)大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行全掃描[9]。在掃描過程中，當(dāng)信號(hào)在金屬結(jié)構(gòu)損傷位置發(fā)生后聚焦時(shí)，合成信號(hào)的能量將呈現(xiàn)顯著的增強(qiáng)趨勢，與此同時(shí)，合成信號(hào)的發(fā)射能量也將增加，這樣就可以在大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測的同時(shí)，獲取損傷角度信息。

根據(jù)已經(jīng)獲得的損傷角度信息，結(jié)合該方向的合成信號(hào)強(qiáng)度，確定大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷位置的極徑；C為金屬結(jié)構(gòu)中Lamb 波的波速；T為激勵(lì)信號(hào)的波達(dá)時(shí)間差。

根據(jù)上述方式，參照檢測過程中相對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的原始坐標(biāo)，利用損傷位置的極徑確定結(jié)構(gòu)的損傷區(qū)域和幾何結(jié)構(gòu)。在該基礎(chǔ)上，考慮信號(hào)的能量屬于方向與距離函數(shù)，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(duì)圈定的損傷區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，這樣就可以較為清晰地定位大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測的功能。

4 對(duì)比試驗(yàn)

該文提出的方法在工程和相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究尚停留在理論階段，現(xiàn)有研究內(nèi)容中缺少理論方面的成果，對(duì)損傷檢測方法的推廣使用提供技術(shù)層面支撐。因此，該文選擇某建筑工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場使用的某大型塔式起重機(jī)作為檢測對(duì)象，對(duì)設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測。

根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況、機(jī)械設(shè)備運(yùn)營管理方的反饋，選擇的大型塔式起重機(jī)已在市場內(nèi)投入使用較長時(shí)間，并出現(xiàn)了一定程度的金屬結(jié)構(gòu)機(jī)械損傷，但是設(shè)備規(guī)模較大，使用人工檢測方法存在耗時(shí)、費(fèi)力等問題，因此，在與設(shè)備管理方綜合交涉后，決定使用該文設(shè)計(jì)的方法對(duì)設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測。檢測前，對(duì)大型塔式起重機(jī)設(shè)備的作業(yè)條件、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行描述，相關(guān)內(nèi)容見表1。

表1 大型塔式起重機(jī)作業(yè)條件與技術(shù)參數(shù)

掌握檢測對(duì)象的基本情況后，使用該文設(shè)計(jì)的方法對(duì)起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行損傷檢測。在檢測過程中，先根據(jù)大型塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式建立針對(duì)該設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)損傷后的動(dòng)力特征方程。在此基礎(chǔ)上，引進(jìn)超聲相控陣技術(shù)對(duì)設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)損傷位置信號(hào)進(jìn)行聚焦，最后對(duì)損傷位置點(diǎn)進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測的功能。

按照上述方式應(yīng)用該文提出的方法。為了滿足試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性需求，引進(jìn)基于無人機(jī)圖像識(shí)別的金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測方法、基于LSTM 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測方法，將提出的2 種檢測方法作為傳統(tǒng)方法一、傳統(tǒng)方法二，使用3 種方法進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測。檢測前需要先明確大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)存在損傷、不存在損傷時(shí)反饋的信號(hào)形式，相關(guān)內(nèi)容如圖1、圖2所示。

圖1 大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)反饋的健康信號(hào)

由圖2 可知，當(dāng)大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)無損傷時(shí)，反饋的信號(hào)幅值為0 dBm，當(dāng)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)存在損傷時(shí)，反饋的信號(hào)幅值在±5 dBm 范圍內(nèi)變化。如果起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)反饋的損傷信號(hào)小于5 dBm 且大于-5 dBm ，說明起重機(jī)設(shè)備的檢測結(jié)果受到外界環(huán)境的影響、干擾，存在反饋信號(hào)攜帶噪聲的問題，不可以將該結(jié)果作為損傷檢測的依據(jù)。

已知設(shè)備運(yùn)行3 ms~5 ms 時(shí)反饋呈散射狀態(tài)的結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)基礎(chǔ)上，按照上述標(biāo)準(zhǔn)，使用3 種方法對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測。試驗(yàn)結(jié)果如圖3~圖5 所示。

圖3 該文提出的方法的金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測結(jié)果

由圖3 可知，使用該文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷檢測，信號(hào)在3 ms~5 ms 的反饋呈散射狀態(tài)，且信號(hào)幅值在±5 dBm 范圍內(nèi)，即檢測結(jié)果與已知條件一致，且反饋的信號(hào)可以作為最終金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測的依據(jù)。

由圖4 可知，使用傳統(tǒng)方法一進(jìn)行起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷檢測，盡管該方法也可以檢測到信號(hào)在3 ms~5 ms 的反饋呈散射狀態(tài)，但是信號(hào)幅值未在±5 dBm 范圍內(nèi)，說明檢測結(jié)果無法作為起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測的依據(jù)。

圖4 傳統(tǒng)方法一的金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測結(jié)果

由圖5 可知，使用傳統(tǒng)方法二進(jìn)行起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷檢測，反饋的信號(hào)中存在多個(gè)峰值且信號(hào)峰值不局限在3 ms~5 ms，信號(hào)的幅值也未在±5 dBm 范圍內(nèi)。

圖5 傳統(tǒng)方法二的金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測結(jié)果

綜上所述，與傳統(tǒng)方法相比，該文設(shè)計(jì)的檢測方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果良好，該方法可以在提高損傷檢測結(jié)果精度的同時(shí)，使檢測結(jié)果具有更高的可靠性，通過該方法可以精準(zhǔn)把握大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷，為提高起重機(jī)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性提供進(jìn)一步的技術(shù)指導(dǎo)。

5 結(jié)語

由于大型塔式起重機(jī)的作業(yè)環(huán)境通常較為復(fù)雜，因此在使用過程中極易受環(huán)境的侵蝕、荷載方面的沖擊，使大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)不同程度的缺陷，在嚴(yán)重情況下，甚至?xí)s短起重機(jī)的使用壽命或誘發(fā)作業(yè)現(xiàn)場安全事故。為了解決相關(guān)問題，該文通過建立大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷后的動(dòng)力特征方程、金屬結(jié)構(gòu)損傷信號(hào)聚焦、大型塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測、定位，引進(jìn)超聲相控陣技術(shù)，以某大型塔式起重機(jī)為例，設(shè)計(jì)一種針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)損傷的檢測方法，為塔式起重機(jī)在更多領(lǐng)域內(nèi)的推廣使用提供技術(shù)層面的支持。