起重机械安全健康监测与损伤预警方法研究_裴玮

2010年12月机械工程与自动化

M ECHAN IC AL 　EN GIN EERIN G 　&　A U TO M A T IO N N o.6

Dec.

文章编号:1672-13(2010)06-0120-03

起重机械安全健康监测与损伤预警方法研究

裴　玮1,2,丁克勤2,邬代军2

(1.中北大学信息与通信工程学院,山西　太原　030051; 2.中国特种设备检测研究院,北京　100013)摘要:针对起重机械的安全要求,提出了基于分布式光纤传感技术的起重机械健康监测与预警系统设计思路,给出了基于动态数据时间序列分析的起重机械损伤预警方法,为提高起重机械动态监管水平奠定了技术基础。关键词:起重机械;健康监测预警;FBG 中图分类号:

T H21∶T H165+

.3　　　文献标识码:

A

收稿日期:

2010-04-21;修回日期:

2010-07-20

作者简介:裴玮(1984-),女,山西晋中人,在读硕士研究生。

0　引言

常规的起重机械安全保障手段主要依赖于定检、监检及日常维护,然而起重机械工况的多样性增加了检验检测成本和难度,进而导致检验质量的下降,而且起重机械定检、监检不能对各起重机械的运行情况做到实时掌握,缺乏突发事故的预防机理。

结构健康监测系统指利用现场无损伤的监测方式获得结构内部信息,通过对包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的[1]。结构健康监测系统能够实现对结构适用情况和损伤状态的长期在线监测,并对其做出相应的预警,降低事故发生的可能。

本文对基于光纤光栅传感技术的结构健康监测系统的基本原理进行了分析研究,提出了基于分布式光纤传感技术的起重机械健康监测与预警系统设计思路,给出了基于动态数据时间序列分析的起重机械损伤预警方法,为提高起重机械动态管理水平奠定了技术基础。1　基于光纤光栅传感技术的监测原理1.1　光纤光栅测量原理

光纤光栅(Fiber Grating )传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器,它通过待测量调制入射光束的波长,测量反射光的波长变化来进行检测。根据模耦合理论,当满足相位匹配条件时,光栅的Brag g 中心波长为[2]:

λB =2n ef f Λ。(1)………………………………其中:λB 为窄带光中心波长;n ef f 为纤芯折射率;Λ为光栅周期。

由于应变和温度的变化都将导致n ef f 和Λ发生改变,因此,光纤光栅传感器对于应变和温度都是敏感

的。应变与温度的变化量与光纤光栅的反射波中心波长漂移的关系为:

Δλ

B λB

=K X ΔX +K T ΔT 。(2)……………………其中:ΔλB 为中心波长偏移量;ΔX 、ΔT 分别为应变和温度的变化量;K X 为应变的传感系数,由光纤光栅的热膨胀系数T 和热光系数Y 确定;K T 为温度的传感系数,由有效弹光系数P e 确定。

由式(2)知,将发生改变的Brag g 波长与未受激励的Brag g 波长进行比较,可以测定光栅受激励的程度,然后通过标定偏移量,可以得到不同点上所受到的应变的大小。1.2　光纤光栅传感系统工作过程

在起重机健康监测系统中,光纤光栅传感系统主要用于采集起重机在运行过程中的主梁与支腿的应变信息,它由光纤光栅传感器、信号解调采集控制器组成,其工作原理如图1所示

。

图1　光纤光栅传感系统工作原理图

光纤光栅(FBG)传感器阵列又包括应变测量传感

器和温度补偿传感器。应变传感器用于测量起重机主梁及支腿应变参数;温度补偿传感器用于抵消温度变化对应变测量的影响。光纤光栅解调仪包括了宽带光

2　起重机械健康监测与预警系统设计

起重机金属结构起着承受设备自重和外载荷的重要作用,并构成必要的工作体系和运动空间,用来完成起重机的各项功能。其中最主要的结构就是起重机的主梁以及支腿,其健康状况直接影响着整机的安全性和可靠性。在起重机运营过程中,由于工作环境、起重机存放、吊运、安装的影响,金属结构将出现不同程度的变形,其结构参数也将发生改变,从而导致结构的物理量发生变化。本文主要介绍以起重机械主梁与支腿关键结构应变为监测对象的起重机健康监测系统。

起重机械健康监测系统由光纤光栅传感器系统、信号发生装置、数据传输与处理系统、损伤识别和整合系统以及解析和评价软件系统组成。前2部分是健康监测系统的硬件基础,其功能主要是获得和存储监测诊断所需的起重机金属结构的应变信息;其余3个部分组成了监测软件的核心,其主要功能是对应变数据进行实时显示与分析、建立合适的解析模型及对结构的健康状况进行评价[3]。

2.1　起重机健康监测系统设计

起重机健康监测系统框图如图2所示。该系统由传感器系统、本地状态监控系统、远程监控系统组成。本地状态监控系统主要是对主梁及支腿应变进行实时监测并对其进行预处理,对起重机结构变形进行及时预警。远程监测与诊断系统利用远程传输网将现场测得的数据送到远程监测中心进行分析,对损伤进行定位、量化,结合有限元分析,建立专家系统,进一步对起重机金属结构进行安全性评估、寿命估算等

。

图2　起重机健康监测系统框图

2.2　预警系统设计

损伤预警是指通过从监测数据中提取损伤敏感特

征,以区分出结构健康状态与异常状态,并能在微小

损伤发生的第一时间报警。起重机损伤预警系统是针

对起重机运营阶段,由于使用年限、错误操作等造成

的起重机主梁与支腿变形而建立起来的一种预警体

系。预警系统建立的基本流程是:确立正确的预警理

论基础→建立损伤识别和评价模型→对识别及评价流

程进行分析→提出实现方法→提出预警等级划分标准

和信息发布工作流程[4]。起重机预警系统总体系结构

大致分为2个系统:

(1)信息管理子系统:对主梁及支腿的测得的应

变信息进行转换、统计分析等,生成整编信息,并提

供对应变信息、整编信息以及生成数据信息的查询、图

形显示、报表等操作。

(2)预警分析子系统:利用数据融合技术对应变

信息进行预处理。首先利用数据融合技术对获取应变

进行预处理和评判,然后利用预警模型评判,主要包

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　2010年第6期　　　　　　　　　裴玮,等:起重机械安全健康监测与损伤预警方法研究

括警源分析、警兆辨识及警情分析等,最后通过警情演示系统发布警情预警。3　起重机械主梁损伤预警方法

对于起重机主梁健康监测而言,由传感器在一定采样频率下获得的按时间先后顺序排列的离散数据就是一列典型的时间序列。运用于损伤预警的时序方法,就是对这些监测数据建立数学模型,再依据模型进行状态特征提取和损伤预警研究的一种方法。本文采用时序分析中经典的自回归滑动平均模型(ARM A )对起重机主梁及支腿变形损伤预警进行研究,提出了基于时间序列分析的起重机损伤预警方法。3.1　损伤识别与评价模型

ARM A 模型中自回归部分参数可表征系统固有特性,在损伤诊断中可以用来提取结构损伤特征。因此,对光纤光栅传感器采集的主梁及支腿应变信息作如下处理[5]:

(1)将起重机主梁及支腿健康状态下获得的应变数据分为两部分,一部分作为损伤诊断的训练样本集S 1,另一部分作为参考数据样本集S 2,同时获取结构来自未知状态下的应变数据作为待处理数据样本集S 3。设样本集中样本数分别为n 1、n 2、n 3,运用参数估

计方法和Akaike 信息准则,对3个样本集的所有标准化数据样本建立ARM A(p ,q )模型,其中,p 为自回归部分的阶数,q 为滑动平均部分的阶数。

(2)进行主成分分析(Principle Co mpo nent Analysis,PCA),形成低维向量即主特征量。保留前m 个主成分(m

(3)以测试样本集到训练样本集的相似性距离作为预警指标,从S 2和S 3中获得的相似性距离将存在显著性差异。采用t 检验方法在一定显著性水平下进行假设检验:

H 0∶_=_0

H 1∶_≠_0

。(3)

………………………………其中:_0为事先标定的健康状态下应变值的相似距离值;_为测试样本的相似性距离的均值,当检验结果为H 1时,

报警结构存在损伤。3.2　变形预警实现方法

根据上述损伤识别模型,起重机主梁与支腿变形预警流程如图3所示。

图3　起重机主梁及支腿变形的预警流程框图

4　结论

本文分析了光纤光栅传感器工作原理及传感系统

组成,提出了一套基于光纤光栅传感技术的起重机健康监测与预警系统设计体系以及利用时序分析法对起重机损伤预警的方法。起重机结构健康监测能增强结

构的自检功能,提高其安全性和可靠性,降低维护费

用,延长其使用寿命,在起重机械事故频发的今天对事故发生能够起到很好的预防作用,能够提早发现问题,发出预警,为起重机的维修跟保养提供良好的数据支持。

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253-257.Method of Safety Health Monitoring and Damage Alarming for Cranes

PEI Wei 1,2,DING Ke -qin 2,WU Dai -jun 2

(1.Sch ool of Information and Comm unication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.China Sp ecial Equipment In spection

and Res earch Ins titu te,Beijing 100013,China)

Abstract :Acco rding to the requirem ent o f cra ne safety ,the wa y of desig ning a monito ring and ala rming sy stem based o n distributed fiber brag g g ra ting (FBG )sensing tech no lo gy was presented .A n ala rming scheme based o n time se ries ana ly sis o f monitoring data w as a lso pr oposed.The system will pr ovide a g uara ntee fo r improv ing the crane safety lev el in the futur e.Key words :cr ane;health mo nito ring a nd ala rming;FBG

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122·　机械工程与自动化　　　　　　　　　　　　　　　2010年第6期