一种构建桥机结构健康状态评价体系的方法研究

时间：2024-08-31

郭皓，高崇仁，殷玉枫，张宇

（1.太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024；2.山西省轻工建设有限公司，山西太原 030024）

0 引言

金属结构作为起重机的主要承载部件，约占整机总重的3／4左右，起到“骨架”作用。以桥式起重机为例，其起升载荷通过起重小车的车轮传递给主梁，主梁再传递给端梁，端梁通过大车车轮传递给轨道，最终由轨道传递到轨道梁的基础来完成载荷的传承。由此可见，起重机金属结构的作用之大。

目前，由于起重机结构的破坏导致的事故很多，如铸造起重机桥架的坍塌事故、桥式起重机的主梁断裂事故、门座起重机主梁隔板变形破坏事故、门座起重机臂架弯折事故和平衡梁折断事故等。由于这些事故往往造成灾难性的后果和损失，因此，对起重机的金属结构进行监测与诊断，提供一种行之有效的结构健康状态评估方法是非常必要的。

1 现有起重机维护方法

现有桥式起重机的维护方式包括计划维护、状态维护和事后维护。计划维护就是根据以往的起重机损坏经验、生产任务等，采取停机检修的方式对起重机整机进行大修，一般一定时间间隔内进行一次计划维护；状态维护就是根据温度检测、挠度检测、应力检测等技术，采取在线监测的方式对起重机的结构部件进行监测维护；事后维护是根据已发生的故障、事故，采取停机检修方式对失效的结构进行修复、更换，甚至宣布整机报废。现有桥式起重机维护方式如图1所示。

现行起重机维修制度正逐渐从计划维护模式向健康维护模式转变，如何保障起重机的安全运行和维护管理，关键是在于怎样综合评价起重机结构的健康状态，要实现结构的状态评价，必须合理构建起重机结构健康状态评价的指标体系。

2 起重机结构健康状态指标体系

2.1 健康指标体系构建原则

对起重机结构健康状态进行评价首先应建立评价指标体系，指标的作用就是将结构健康状态这一定性的概念转化为用数量来表示的定量的分析。由于影响起重机金属结构安全性的因素很多并且各因素之间关系复杂，因此通过各个指标来建立评价体系对金属结构的状态进行评价尤为必要。指标体系是状态评价成功与否的关键因素，它对数据及信息的收集起着指引作用，同时通过指标体系的建立，还有利于评价模型形式的选取与评价方法的选定。因此，在对金属结构进行健康状态评价时建立合理、有效的指标体系非常重要。

图1 现有桥式起重机维护方式

体系的建立大概遵循以下5个原则：可操作性原则、科学性原则、可比性原则、目的性原则、定性与定量相结合原则。所有原则都由状态评价的目的来决定，并以评价目的为前提，最终建立评价体系。

2.2 结构健康状态主要指标

由于桥式起重机结构失效导致的事故主要有桥架的坍塌、主梁的断裂等，究其原因主要是由结构的强度与刚度失效引起的。因此，对于桥机结构，其健康状态主要从静强度和静刚度两方面来进行评估。强度评估主要选取主梁危险截面的应力作为其评估指标，而刚度评估则选取主梁跨中的下挠度作为其评价指标。评估的目的就是认清结构的实际安全状况，以免在使用过程中发生事故。

2.2.1 静刚度标准

本文以桥机主梁下挠度为例对静刚度标准进行说明。以A5工作级别的桥机为例，主梁下挠到一定程度以后将会影响起重机的正常使用，甚至发生严重后果。为了确保安全生产，必须根据实际情况，确定主梁下挠的允许下挠界限和应修界限。根据变形与应力的关系确定应修界限，即将主梁内应力达到比例极限时相应的变形作为桥式起重机主梁变形应修界限的下限，表1中给出4个跨度下的计算值作为健康评价指标的参考值。

表1 允许下挠和应修下挠界限值

表1中的数字仅适用于桥式起重机工作级别A5和A6；下挠值计算起点为水平线；应修下挠值只是建议，使用时可以根据实际情况灵活掌握。

对于相应的跨度，我们都可以通过计算获得它的允许下挠值和应修下挠值，以此来作为刚度指标的监测标准。在对起重机结构进行健康监测时，可以通过监测数据与所指定标准的比较来判断起重机所处的健康状态等级，以便指定维修保养策略，减少事故发生。

2.2.2 静强度标准

对于强度标准，即许用应力，需根据起重机的工作级别、载荷组合情况和起重机材料选择来计算。以A5工作级别，第Ⅱ类载荷组合，材料为Q235（即屈服强度σs=235MPa）的桥式起重机为例，其许用应力为：

其中：n=1.33为起重机安全系数。

在对起重机进行监测时，通过对应力指标数据的提取，与许用应力进行比较，以此判断桥机结构的健康状况。此外还可对结构的健康状态进行等级划分，在一定标准内为良好，其次为欠佳，再次为危险，该标准还有待进一步研究。

2.3 桥机健康状态指标体系结构

根据上述健康指标的选择可简单建立桥式起重机结构健康状态评价的指标体系，如图2所示。

建立上述指标体系，指标选取的方式主要是从数值类指标入手，其实具体来说，影响起重机安全评价的指标还有很多，诸如开裂、变形、锈蚀等。考虑到建模的复杂性，本文暂时选取三类数值类指标来验证评价方法的正确性。

3 结构健康状态贝叶斯评价模型与举例

贝叶斯网络推理就是利用贝叶斯网络的结构及其条件概率表，在给定数据后计算某些节点取值的概率，显然概率推理是贝叶斯推理的重要组成部分。贝叶斯网络的联合概率分布是由条件概率表和网络拓扑结构直观显示出来的，也就是说其推理过程是通过BN联合概率的参数化方式计算需要的概率值。

图2 桥机结构健康状态评价指标体系

考虑到贝叶斯网络在表达不确定知识和进行不确定性知识推理方面的优势，建立了基于BN的桥式起重机结构健康状态评价模型；结合专家经验和监测数据信息，确定出评价模型的条件概率分布；并结合桥机的信息及诸多专家经验对所建评估模型的条件概率进行更新，进而利用贝叶斯网络确定其边缘概率，可灵活方便地对系统进行预测及诊断分析，评估桥式起重机的健康状态等级。

为验证上述健康评价指标体系的合理有效性，采用由美国的匹兹堡大学开发的GeNie图模型处理软件进行分析，该软件的应用界面如图3所示。通过图2的桥机结构健康状态评价指标体系，运用该软件建立起重机结构健康状态评价的贝叶斯网络拓扑结构，如图4所示。

图3 GeNie软件的应用界面

图4 状态评价贝叶斯网络拓扑结构

BN模型构建完后，在具有一定数据时可利用BN推理，求出发生损坏的概率，即实现状态的评价。评价结构状态可以利用所得到的概率P（S=Yes）根据评价准则进行评估：若P（S=Yes）＜0.4，则该结构的健康级别为健康；若0.4≤P（S=Yes）≤0.6，则结构为亚健康级别；若P（S=Yes）＞0.6，则结构为疾病状态。

由检测数据结合专家（分别有专家E1、专家E2、专家E3）的经验评价准则，更新得出根节点的边缘概率，进而评价得出结构的健康状态情况如表2所示。

表2 健康状态评估结果