电动单梁起重机主梁安全性能检测系统研究

贾鹏，冯一鸣，高雁飞，孟国刚，陈松

摘要

针对电动单梁起重机主梁损伤检测难的问题，本文基于系统方案构建物理模型，从线性传感器、图像、位移三个方面着手，设计了一套动态化的、高精度的主梁安全性能检测系统。首先阐述了主梁失效的主要形式和市场上各类检验工具的优缺点；然后分析了主梁安全性能检测系统的设计原理和检测方法，最后探讨了该检测系统的可行性和先进性。

关键词：电动单梁起重机，主梁损伤，检验检测

0引言

在市场监管总局发布的起重机安全通告中，一半以上是由于主梁损伤造成。因此在检验检测过程中，分析起重机械在运行过程中产生的表面信号来识别损伤，可进一步提高起重机械的可靠性。

在检验规则中，要求起重机主梁的金属结构必须符合以下要求：

（1）连接焊缝无明显可见的裂纹；

（2）由于磨损等造成的厚度衰减不超过10%；

（3）连接部件之间无明显松动、缺件、损坏等缺陷。

目前很多学者在检测方法和检测设备方面取得了不少研究成果，陈志平[1]等利用近景摄影测量法完成起重机主梁挠度变化的测量，范小宁[2]等人利用等高线法将损伤转化为数学模型进行分析，陆纪法[3]等采用GPRS 网络利用激光测距和虚拟机来实现起重机主梁变形量的监测和远程查看，许成斌[4]等采用等效应力法对大吨位龙门起重机进行了疲劳寿命分析。虽然成果颇多，但是对于检验工作会造成工作量大、不能直接获取损伤部位、无法识别多损伤共存的问题。因此本文结合以往研究者思路，研究一套无需频繁登高的主梁安全性能检测系统。

1电动单梁起重机损伤类型与识别

1.1损伤类型

起重机主梁功能的失效形式可能是单一的过程现象，也可能是几种失效组合的结果，最终结果表示为一个宏观现象的表征。

（1）腐蚀失效

腐蚀（图1）是指在金属材料表面发生物理或者化学反应使其发生损坏或变质的现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀是由于主梁与空气中腐蚀性物质接触，造成表面不断脱落；电化学腐蚀是由于主梁处在类电解质溶液中，与发生电化学反应形成微电池而引起，使腐蚀转移到电位更低的活泼金属上。

图1 起重机主梁腐蚀图

（2）磨损失效

主梁金属表面与物质接触并发生相对运动时会造成磨损（图2）。电动单梁起重机主梁材料一般为Q235或者Q345，小车车轮材料一般为65#、65Mn、42CrMo等高强度合金钢或高碳弹簧钢，当小车载重与主梁发生多次相对运动时造成磨损。

 

图2 电动单梁起重机磨损失效

（3）断裂失效

起重机主梁的断裂一般发生在焊接处，由于焊接应力或焊接缺陷的存在，使得焊接处的材料强度比较脆弱，当超载工作或者起重重心发生偏置时易于出现。

1.2目前检测设备与方法

当检验员在地面发现主梁缺陷或怀疑高位金属结构有磨损和其他问题时，就需要登高进一步检查，而对于无法登高或者登高不便的电动单梁起重机来讲，必须使用专门的登高设备进行辅助，比如简易升降平台。

目前市场上也存在一些检验仪器，比如CTI-A型起重机综合性能检测仪和GQDD起重机综合性能测试仪，能实现单一的、静态的数据测量，本项目研究的电动单梁起重机主梁安全性能检测系统，期望采用连续动态的测量方法，解决相对运动下的动态干扰与数据采集的问题，通过该系统现场检验人员或者场外专家可进行实时诊断，判断出起重机主梁的损伤形式和磨损严重程度。

2主梁安全性能检测系统

2.1损伤检测原理

电动单梁起重机主梁实际上是一个工字钢桁架（图3），针对该结构开发和应用损伤检测技术，判断损伤情况，及时发现和处理异常，减少设备故障和停机时间，能够有效提高起重机设备的使用寿命和可靠性，保证设备的正常运行。

（1）主梁磨损数据量采集与处理。

根据起重机的特点和测量需求，选择适合的高精度线性传感器与主梁表面良好接触，通过数据采集装置读取位移信号。然后通过与已知的标准位移进行比对来调整传感器的零位和灵敏度。最后处理采集到的数据计算出主梁的磨损量和磨损速率，将其进行可视化展示。

（2）主梁损伤图像采集与处理。

电动单梁起重机一般安装在光线较暗的车间，因此可选择高清晰度、广角视野以及低光性能良好的摄像头，覆盖到工字钢腹板和下翼缘，确保能够观察到电动葫芦和工字钢主梁的整个接触面。然后将图像信息经采集装置反馈至显示屏处，为检验人员损伤判断提供可视化的数据支持。

图3 电动单梁起重机结构示意图

（3）主梁损伤位置确定与记录

在检测设备上安装高精度位移传感器，将传感器与数据采集设备连接，确保数据采集设备能够准确读取传感器的位移信号。将采集到的位移数据进行处理和分析，标记不同损伤的位置，方便检验人员判断危险系数，从而给出正确结论和针对性措施。

主梁损伤信息采集装置和损伤位置记录装置被集成在检测小车上，组装成一套能够联合不同检测技术、可动态高精度识别主梁损伤检测系统。

2.2检测技术路线

本项目基于线性传感器测量技术，利用机械、硬件及算法等多种手段解决干扰问题，融合线性传感器技术、图像技术、位移处理技术等，开发接触、连续、高精度测量检测系统。研究核心是设计一套高精度动态磨损分析算法，通过滤波降噪、云数据提取、算法测量等处理方法，实现起重机工字钢部件接触、高精度测量及动态连续测量，并自动标定隐患位置。技术路线如下图

4：

图4  检测技术路线

在数据采集步骤中共有四个传感器和两台工业相机起作用（图5），线性传感器用来采集腹板和工字钢两侧表面的磨损量，位移传感器用来记录损伤位置。采集到的数据在经过处理后，磨损程度是否符合标准、主梁各个位置的磨损曲线图被得到。

 

图5  检测系统样机模型

上图为主梁性能检测系统的结构模型，该装置的动力来源于电动葫芦，在工字钢上的保持由主副两组导向轮实现，导向轮之间存在调整空间，便于与不同规格的起重机配合。检测机构与电动葫芦之间采用柔性连接以消除运行不稳定带来的误差。

2.3可行性分析

（1）机械机构的可靠性

检测小车的机械结构依据大量分析和现场测试经验，尽可能保证满足所有电动单梁起重机主梁的检测，与起重机工字钢主梁依靠导向轮连接。导向轮具备弹性微调功能，时刻保证两者在运行抖动、异物干扰时能够有效接触，保证测量结果的准确性。检测小车一旦与起重机主梁装备成功，能够在电动葫芦的带动下实现往复运行，多次测量。

（2）数据采集的准确性

采集装置包括高精度位移传感器、线性传感器、工业相机等。其中位移传感器采用滑动类型的接触式传感器，测量精度为微米级，有效电气行程不小于10mm；线性传感器融合了位姿标定技术，能够自动标定隐患位置；工业相机同步采集主梁损伤情况，并对图像进行降噪、二值化处理，得到清晰可靠的损伤图像。

（3）数据处理的科学性

基于系统方案构建物理模型，从线性传感器、图像、位移三个方面着手，在输入主梁原始数据后，通过滤波降噪、云数据提取、算法测量等核心处理方法自动生成对比图表或曲线图，自动判断检测结论，并显示不合格点的具体位置。综合处理线性传感器、图像、位移三部分采集到的动态数据，最后以图像辅助磨损量测量过程提供进一步保证。

3结语

本项目开发了一套单梁起重机主梁安全性能自动化检测系统，融合线性传感器技术、图像技术、位移处理技术等，开发接触、连续、高精度测量的方式。该系统在避免检验人员频繁登高检查带来危险的同时，为检验检测人员提供准确的判断依据，有效帮助企业评估主梁金属结构的损伤变化情况，减少事故发生以及设备损伤带来的经济损失。目前处于理论论证阶段，未来将进行软硬件平台验证，实现进一步智能化、集成化。

参考文献

[1] 陈志平,林选翔,李哲威,等.桥式起重机的近景摄影测量方法研究[J].电子机械工程, 2018, 34(5):4.

[2]范小宁,罗志宏.  基于等高线法的桥式起重机主梁损伤识别[J]. 中国工程机械学报, 2021,19(02):170-175.

[3]陆纪法,周科,唐建富,等.桥式起重机主梁变形自测方法研究[J].装备制造技术, 2012(10):105-106.

[4]许成斌,王欣,郭晓光,王远友,王殿龙.基于等效结构应力法的主梁疲劳寿命评估[J].起重运输机械,2020(12):37-41.