在线监测安全评估系统在港口机械金属结构应力中的应用

摘 要：伴随经济全球化及物流业的发展，对于港口的装卸要求越来越高，从而对装卸设备部件的管理提出了新的要求。为了避免港口机械金属结构机械骨架由于承受机构传动设备的重量及另外的负荷而产生故障，会对其进行定期的检测，但检测方式还停留在能过实验人员实施检测，再进行数据处理的阶段，其效率和效果均不太理想。在线监测及故障诊断作为当前国际最先进的检测方案，已在大型机械设备结构状态的检测和故障诊断中受到重视。但在港口机械结构应力的监测，还未得到长足的发展，因此，针对港口机械的在线监测研究具备良好的发展潜力。

关键词：在线监测；港口机械金属；结构应力

中图分类号：F407 文献标识码：A

一、概述

港口机械作为港口装卸作业的重要设备，一旦其机械金属结构失效，会造成严重后果。曾经发生在秦皇岛的港台门机转台结构件的整体断裂便产生了很大的破坏，这类事故一旦发生，不仅造成严重的经济损失，还对港口工作带来极大的不便。

（一）港口机械金属结构的特征

金属结构在工业发展中获得了广泛的应用。作为完善结构型式，发展于治金工业及机械制造的基础上，随着建筑业及交通运输业的发展而得到进一步的发展。尤其经历了十八世纪英国的产业革命，治金工业高速发展，从生铁到锻铁，通过铆钉和螺栓连接。到了20世纪，随着炼钢、轧钢以及焊接技术的提升而令金属构造产生了极大的变化，从而更加广泛地应用于海洋工程及港口机械之中。

港口机械金属结构的作用主要体现在：对机构传动部分设备重及外载茶的承受，同时，组成整个的运动空间及工作体系，推动其整机工作性能的安全和可靠。

（二）港口机械金属结构的失效现象

港口起重设备的金属结构设计存在一些缺陷，某些部位经常发生折断，比如门座起重机的臂架、象鼻梁、大小拉杆等，另外通过焊接的很多部位也容易发生裂开的现象。很多起重设备，特别是港口装卸用的设备，裂纹现象十分常见，它主要存在于起重设备的金属结构件的转折处以及焊缝部位。结构件中的零部件很容易发生磨损，这些磨损积累到一定程度会带来更严重的后果，比如连接螺栓的折断。当起重设备长时间满负荷或超负荷工作时，很有可能导致承载结构发生不可逆的变形。市场上常用的龙门起重机、桥式起重机主梁下挠量太大，小车在移动过程中很容易发生爬坡或者溜车的意外。自然因素也会导致起重设备发生事故，比如在大风环境下，距离过近的两台起重设备很有可能互相撞击，如果撞击的力量过大，甚至会发生脱轨和倾倒的事故，严重破坏正常的金属结构。

二、在线监测安全评估系统在港口机械金属结构应力中的应用

（一）大型设备状态在线监测技术的发展

我国由上世纪八十年代开始研究大型设备状态的监测及故障诊断，政府于1986年成立了中国振动工程学会故障诊断学会，近年来，工业部门越来越重视重要设备的维护和管理，这将保障安全生产，推动产品的质量。

受到医学检测及诊断的启发，一些技术人员通过倾听机械运转的声音来判断设备的运行动上，同时通过一些现代化的监测及诊断技术，比如系统工程、信息论、控制论等的发展，并受到这些学科及技术的交叉和渗透，继而产生了新兴综合性的在线监测安全评估系统技术，在港口机械金属结构应力中也得到了极好的应用。

其作用主要表现在：

（1）通过早期预报告来防止事故的产生。

（2）进行预知性的维修，以提升设备的管理水准。

（3）提高设备的设计及制造水平，从而有助于改进产品质量。

（4）对复杂机械的工作参数进行确定，提升其效率。

（5）减少噪音及可能发生的泄漏性污染，对环境起到保护的作用。

在线监测包括，对港口机械金属结构的状态进行监测，故障实施包括故障信息检测、故障特征分析、故障机理研究和识别、状态监测方式、故障识别和专家系统，并实现了状态监测和故障诊断的整个系统。

（二）各种应力测试的方法

静应力测试：该测试方法的原理是应变片电测法，测试条件设置为静载荷，测试对象为承载能力，测试结果和相关标准要求进行对比，以此判断机械的性能。该测试方法需要布置若干测点，为了测试结果的准确性，测点应该选择在应力较大、受力较大且受力复杂的发生断裂、变形的部位。

动应力测试：该测试被用于检测起重设备中的金属结构负荷动载荷的构建的承载能力会不会超出要求。该测试也要布置测点，动应力测试的测点布置是以静应力测试结果来进行选择的。通常我们会选择静应力值比较大的截面和起重设备中负荷动载荷最大的截面。该测试的目的在于找出结构件的动应力应力幅最高值、动载荷系数以及结构的震动频率，最终确定结构的动态响应参数。

刚度测试：金属结构件在承载重物时必然会发生一定程度的变形，刚度测试的目的就在于检验这种变形是否超出可接受范围，进而确定该金属构件能否被用于起重设备上。该测试的测点，应该设置在构件变位大而且作用重要的部位，比如门座起重机臂架两端、桥架类型起重机主梁下等。另外，检测仪器设备必须要有足够的精确度，这样才能保证检测数据和结果的可靠性。

根据国家相关要求，所有的检测仪器都要到政府计量部门进行审核。在结构应力检测中，所获得的数据和信息要进行详细的处理。准确的检测结果要以有效数据为依据。

（三）在线监测安全评估系统的实施

要通过在线监测获得准确的港口机械结构应力数据，首先要实现实时获取动态应力信号的功能。由于应力和应变二者之间存在的特定联系，应变数据实际上就是应力数据的来源。

较早之前实验固体力学也叫实验应力分析，它的原理是在一定的实验条件下获取被测验对象的力学特征，比如应力、应变、位移以及加速度等。该实验的目的是为力学领域范围内的工程架构和机械强度问题以及其他力学问题找到出路和对策。实验固体力学有很多种方法可供采用，比如常见的应变电测方法、光弹性方法、激光全息干涉法、声弹性方法等。港口机械结构应力在线监测安全评估系统是由三个部分组成的，即传感单元、采集单元以及控制处理单元，如图1所示。

下面我们将针对这些不同的部分研究各配件在港口机械金属结构监测系统中的应用。

1电阻应变片在港口机械金属结构监测系统中的应用

一般来讲，常温应变片都是直接粘附在构建的外表。在测量的过程中，应变片是直接接收构件变形信息的。所以，要保证粘结剂均匀，粘贴牢固。在测量的过程中，应变片面临的环境条件不是不变的，而这很有可能影响应变片的粘贴固定效果。为了搜集到准确的数据，还可以考虑用石蜡或是环氧树脂在应变片的表面进行涂抹，起到一定的保护作用。同时，对测量信号处理结构也要进行筛选，保证测量结果中只有要测量的应变，排除掉温度效应带来的影响。当然我们也能测量温度数据，最后再作出校正和修改。

如果是采用物理粘贴剂，必须先把被测物的表面清理一遍，粘贴剂的选择也要考虑。除此之外，经验也是十分重要的因素，一旦应变片粘贴不牢固，在测试的过程中就会发生蠕变，导致不可接受误差的出现。

应变片固定住之后，要避免空气中水分的影响。鉴于港口的环境空气湿度较高，如果要长期进行监测，对应变片的防潮措施是必不可少的。在完成了应变片的固定之后，用密封盒盖住，然后用屏蔽线把通过水密接头的绝缘段子引导出的信号线输出出来，紧接着就是密封盒的固定，然后用硅胶充满密封盒，将盒盖拧紧。这种防潮措施十分有效，它能保证应变片较长时间的运作，从而实现长期监测的目标。

2电桥盒的测试

要想得到应变片采集到的数据，一定要通过特定的测量电路把数据导入测量仪表中去。在本文的测试中，我们使用电桥测量电路。首先把应变导致的电阻变化转换为电压或是电流信号，电桥能够在直流电和交流电条件下使用，它的电源一般都是采用恒压源。

3动态应变仪的测试

应变电测方法是利用金属的应变—电阻效应制成的电阻应变片，测量其电阻变化，间接测量构件的应变。由于构件应变较小，以应变ε=△l/l≈1000μm/m计，由金属应变片基本特征：△R/R=Kε，一般K≈2.0，则△R/R为2‰，对于R=120Ω 的应变片，△R≈2.4Ω，如要测量微小的应变1～5μm/m，则△R≈0.00024Ω～0.0012Ω，由于电阻变化十分微小，电桥直接测量应变片电阻值的应变前后变化，需要最少6～7位精密电桥。这就需要通过一些测量电路，将电阻相对变化△R/R转换为电压或电流变化，放大数据，形成特用电阻应变测量仪器，来对其进行精确测量。

这种小巧方便的电阻早期叫电阻应变仪，有着广泛的应用，它用于测量电阻变化，并于应变刻度中显示出来。电阻应变仪在一般情况下是采用电桥电路，一旦把电阻应变片和电桥桥臂连接起来，电阻就立刻发生了变化，从而引起电桥电路中电压和电流的变化，最后利用放大器把这种变化显示出来。后来因为电子技术的不断进步，该仪器经过改善后成为了数字应变仪，这时应变的过程能够直接通过数字显示出来，变化过程还能够直接打印，多点应变功能也得到实现。另外针对变化速率很高的动态应变信号，直接由计算机控制。

4控制处理单元

控制处理单元是由两部分组成的，即工控机和PLC模块。工控机一边保持着和动态应变仪的联系，指导动态应变仪的工作的同时随时接收来自动态应变仪的数据信息并展开分析，另一边还要和PLC紧密相连，流程图如图2所示。

工控机采用的是标准总线和模板结构，和其他结构相比，它具有很多突出的特性，因此越来越受到人们的欢迎。

嵌入式主机板、Intel Pentium处理器、DDR内存、支持2个LAN网卡、支持LCD和VGA显示、支持Audio、2个USB接口等配置。选用时可查阅相关计算机公司的产品目录。配上系统软件和设计的应用软件后，系统就能实现相关的检测和控制，并具有图形显示和打印功能。

结语

对港口机械金属结构的安全进行科学的评估绝非易事，它不仅离不开专家的丰富经验，利用科学的手段进行测试和分析也是必不可少的。构建一个功能齐全的计算机系统来完成在线监测安全评估工作具有十分重要的意义。计算机系统软件可以把专家脑海中的经验和知识集成起来，再利用科学的计算方法进行数据分析和处理，节省了人力和物力成本。另外，所有的港口机械金属结构安全评估都能在同一系统环境中进行，避免了很多人为因素引起的误差，得到的评估数据也更为准确。

所以，将在线监测方法引入到机械金属结构安全评估中来，进而为定量项目的计算分析和等级标准的判断找到解决方法具有十分重要的作用和广阔的应用前景。由于人是具有学习能力的，专家在进行安全评估的工作过程中会不断积累经验，这有利于日后安全评估工作的进行。系统也要具备这种不断自我学习和自我完善的能力。另外，由于计算机的储存量远远超出人脑的储存量，系统要在大数据库的基础上，实现创新功能，弥补人脑在这方面的不足。

参考文献

[1] 黄海涛.对港口机械及其结构应力监测的探讨[J].科技信息，2010.

[2] 吴金鹏.港口机械及其结构应力监测方法探析[J].中国新技术新产品，2010.

作者简介：金福民 ，1975.6， 男 ，江苏振东港口机械制造有限公司总经理， 专业方向：数控技术应用。