起重機形式多樣且應用廣泛,其主梁是主要承載結構,工作一定時間后,由于主梁長期受載荷作用,不可避免會產生一定程度的材料損傷,體現(xiàn)為載重后主梁的下?lián)现翟龃?達到一定程度后就容易斷裂,造成安全事故。起重機主梁額定載重時的下?lián)现悼梢员碚髌浯怪眲偠?是衡量其性能,評估其承載能力和剩余壽命的重要參數指標。根據國標相關要求,手動小車(或手動葫蘆)位于橋架主梁跨中位置時,由額定起升載荷及手動小車(或手動葫蘆)自重載荷在該處產生的垂直靜撓度f與起重機跨度S的關系,推薦為f <1/400 S;自行式小車(或電動葫蘆)位于橋架主梁跨中位置時,由額定起升載荷及自行式小車(或電動葫蘆)自重載荷在該處產生的垂直靜撓度f與起重機跨度S的關系,推薦為低定位精度要求的起重機:f<1/500 S;中等定位精度特性的起重機f<1/750 S;高定位精度特性的起重機:當鑄f <1/1000 S;造起重機小車起吊額定載荷位于跨中,與載荷試驗時的原始下?lián)现?或設計計算下?lián)现?相比,主梁下?lián)现翟黾恿窟_到或超過跨度的0.15/1000時,應報廢。

測量起重機主梁的下?lián)现凳菍ζ溥M行安全性檢測的最直接有效的方法。目前行業(yè)內常用的起重機主梁的下?lián)现禍y量方法主要有全站儀法和經緯儀法,其本質上都是轉換為為直接測量其空載和額定載重時的拱度值,再通過計算差值間接測量下?lián)现怠＿@兩種測量方法,經緯儀法需要兩人配合測量,且需要測量人員長時間在起重機主梁上進行高空作業(yè),不僅危險性高,還受到較大的主觀性影響;全站儀法受到主梁測量點的顏色和環(huán)境光線影響,有時無法測得數據,精度也受到影響,且兩種方法都需要進行人工記錄大量的測量數據,容易出現(xiàn)差錯或者數據丟失。

最近幾年隨著物聯(lián)網技術的迅猛發(fā)展,國內外出現(xiàn)了將物聯(lián)網技術引入特種設備檢測行業(yè)應用的案例,例如江蘇省特檢院的周超等,將起重機的吊重、限位狀態(tài)、偏斜量等參數通過傳感器與LoRa、5G等通訊技術進行實時監(jiān)控與上傳。為了改善現(xiàn)有方法測量起重機主梁下?lián)现档牟蛔?本文借鑒此種思想,提出一種利用水平激光進行測量的方法,設計了一套光電測量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在較少的人工工作量下對起重機主梁的下?lián)现颠M行測量,并將測量數據通過LoRa和5G無線通信技術實時上傳到云端,不僅解決了測量主觀性影響大、精度低的問題,還實現(xiàn)了測量數據實時上傳云端數據中心儲存,比現(xiàn)有方法更加高效與智能。

1、水平激光測量方案設計

1.1測量原理

起重機主梁在制造出廠時留有一定預拱的目的是使其將來載重時有更多的下?lián)现翟Ａ?以抵消將來在起吊作業(yè)中梁自重、起重物產生的下?lián)?從而提高載重能力、使用壽命等力學性能。一些大型門式起重機的跨度一般在80~100 m左右,從該起重機下方觀察和在主梁上方觀察時均可見微小的拱度,如圖1所示。

圖1 起重機主梁及其拱度

經緯儀法的測量原理是主梁上部分別架設經緯儀和標尺,起吊重物前觀測一次經緯儀十字線位于標尺的位置,起吊并保持重物懸空再次觀測十字線的位置,取兩次的差值為下?lián)现?其測量原理如圖2所示。

圖2經緯儀法示意圖

仿照經緯儀法測量的原理,設計一種基于水平激光與光電傳感器的測量方法,通過水平激光代替經緯儀的觀測視線,光電傳感陣列代替標尺,對起重機主梁進行兩次拱度測量。將大功率激光器通過兩組高精軸承和懸吊式機械結構,使其發(fā)射出的激光束在晃動穩(wěn)定時保持水平,并可以在減速電機的帶動下緩慢旋轉,使得激光束可以覆蓋同一高度的整個水平面。將上述部分安裝在工業(yè)遙控小車上,并遙控其行駛到起重機主梁上的各個待測點,記錄水平激光束照射在光電傳感器陣列上的光斑位置高度變化從而測量起重機主梁待測點的拱度,測量時的工作示意如圖3所示。

圖3水平激光測量法原理示意圖

1.2測量方法及流程

在進行測量時,激光器在減速電機的旋轉帶動下發(fā)出的光束緩慢掃過一整個水平面,光斑在光電傳感器陣列上掃過。激光源距離傳感器陣列較遠時,例如80m時,有效的光斑覆蓋面近似一個直徑為2cm左右的圓形,在掃過傳感器陣列時會覆蓋相鄰的幾個感光單元,如圖4所示。

圖4光斑掃描過程示意圖

激光器距離光電傳感器陣列較近時,例如10m時,光斑直徑會縮小至0.5cm左右,因此無論是激光器距離光電傳感器陣列較遠處還是較近處,都取被光斑覆蓋到而觸發(fā)的感光單元的中間位置作為激光束的理想點位置,實現(xiàn)方法是記錄下光斑在一次掃過光電傳感器陣列過程中觸發(fā)過的最高點與最低點的感光單元,再取兩點的中間點為理想點,在硬件電路上具體的實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5測量計算流程圖

1.3水平激光器設計

水平激光器整體由3部分組成,分別是激光發(fā)射器、懸吊結構以及減速電機。選擇500mW大功率激光器作為激光源,通過透鏡組將點狀光斑進行聚焦,使得光斑盡可能小,從而使光斑亮度盡可能高,調整至80m處的光斑直徑在2cm左右時,可以使得在白天自然光環(huán)境下,光斑亮度仍然遠高于自然光照射的亮度,將觸發(fā)輸出的亮度閾值設置在自然光亮度與光斑亮度之間,盡可能避免自然光照射導致的誤觸發(fā)。激光器通過懸吊結構保持水平,懸吊結構是由垂直的兩根軸與相應軸承組成的,通過調整激光器與懸吊結構的中心固定位置,使激光器發(fā)射出的激光束在晃動穩(wěn)定后保持水平。減速電機的轉速為固定的2r/min,其帶動激光器緩慢旋轉,使點狀光斑可以在水平面內掃描,達到和一字線光斑類似的效果,這樣可以保證點狀光斑一定可以掃過光電傳感器陣列,并且避免了一字線光斑亮度太低,能量密度不夠觸發(fā)感光單元的問題,其3D設計模型如圖6所示。

圖6水平激光器3D圖

2、系統(tǒng)硬件設計

2.1硬件總體構成

系統(tǒng)硬件電路主要分為4個部分,分別是傳感器電路、調理電路、FPGA核心電路以及傳輸電路。傳感器電路主要由192個PT3528封裝的光電傳感器組成,其作用是感光并輸出電壓;調理電路主要由48個四輸入輸出的電壓比較器組成,其作用是比較感光電壓與閾值大小并輸出邏輯電平;FPGA核心電路由Altera的EP4CE55F23I7芯片通過六層PCB布局布線實現(xiàn),其作用是接收邏輯電平信號并計算處理;傳輸電路主要由LoRa模塊組成,其作用是將FPGA處理后的數據通過LoRa無線點對點傳輸到5G路由器的串口輸入;4部分分別通過鋰電池和線性穩(wěn)壓器提供相應的工作電壓,設計框圖如圖7所示。

圖7系統(tǒng)硬件框圖

2.2光電傳感器陣列設計

光電傳感器陣列主要由傳感器電路以及特殊的帶狹縫的外殼組成。傳感器電路通過將192個寬度為3.2mm的光傳感器單元以兩列交錯間隔排列的方式在縱向上形成最小分辨率為1.6mm的感光陣列,當光電傳感器單元感光時,輸出電壓與感光的光強正相關,通過48個4輸入比較器LM339,將192路輸出電壓與設置好的閾值進行比較,即感光強度超過閾值時比較器輸出邏輯電平1,并將此電平輸入FPGA的I/O口進行后續(xù)處理,此部分的電路原理只畫出了起始的兩路和最后一路,中間省略了相似的189路,如圖8所示。

圖8光電傳感器陣列電路原理圖

為了避免環(huán)境中的自然光對光電傳感器影響造成誤觸發(fā),將外殼設計為不透明且?guī)ИM縫的形狀,并且在狹縫處用紅光650nm帶通濾光片進一步過濾環(huán)境中的雜光進入,使得測量系統(tǒng)所使用的激光器發(fā)射的650nm紅激光成為感光的目標光譜波段,外殼的3D模型以及其內部部分電路板PCB模型如圖9所示。

圖9 光電傳感器陣列3D圖

2.3數據傳輸系統(tǒng)設計

系統(tǒng)整體的數據傳輸過程是:先通過LoRa進行較短距離的點對點無線透傳,將數據從光電傳感器陣列傳輸到5G工業(yè)路由器的RS485串口,再通過5G工業(yè)路由器上傳到云端服務器,此數據傳輸過程采用了modbusRTU協(xié)議,協(xié)議中的CRC-16校驗可以確保數據傳輸的正確性。系統(tǒng)的通信數據鏈路示意如圖10所示。

圖10數據傳輸鏈路示意圖

3、實驗及應用

3.1水平激光校準實驗

目前測量行業(yè)中,常使用準直激光來進行機械定位測量,本文所設計的水平激光源所發(fā)射出激光束的水平度直接影響測量精度,因此對懸吊結構下的大功率激光器進行校準是必要步驟。建筑行業(yè)中使用的高精度激光水平儀,其水平角精度可以達到小數點后3位的度數,即80m處高度僅偏差毫米量級,因此可使用其作為基準對本文所設計的激光器水平度進行校準。將激光水平儀和本文所設計測量系統(tǒng)的水平激光器同時照射在一面距離較近處(0.1m左右)的背景墻上,并調整水平激光器的重心固定位置使其光斑(紅色點狀)與激光水平儀的光斑(綠色十字)處于同一高度,如圖11所示。

圖11近點光源高度校準

再將兩者的光斑照射到較遠處(80m左右)的背景墻上,再次觀察光斑高度是否一致,若不一致則通過微調水平激光器的重心固定位置,直到較遠處的光斑高度也一致,即可保證至少80m范圍內激光器所發(fā)出的光束是水平的,如圖12所示。

圖12遠點光束水平校準

3.2光電傳感陣列環(huán)境光影響測試

由于實際情況下部分大型門式起重機的工作場所處于室外,起重機進行定期安全檢測的工作一般也在白天進行,而本文所設計的測量系統(tǒng)是基于對激光器發(fā)射的強光進行感光作為測量的手段,因此必須要考慮檢測現(xiàn)場的環(huán)境光是否會對測量產生影響。

分別在室外陰天、室外晴天以及太陽光照射方向不同的情況下進行環(huán)境光誤觸發(fā)實驗,如圖13所示。

圖13環(huán)境光影響測試

實驗結果表明除了晴天太陽光直射在光電傳感器陣列狹縫上的情況下會導致誤觸發(fā)外,其余情況都不會導致誤觸發(fā),這說明本文所設計地測量系統(tǒng)樣機能夠對處于室內的起重機全時間段進行測量;對處于室外的起重機在陰天時也能夠可靠地進行測量;如果特殊情況下需要在晴天對室外的起重機開展檢測工作時,可以人為進行簡單的遮光處理(例如在光電傳感器陣列上方放置遮陽板)即可避免環(huán)境光影響正常進行測量,如圖14所示。

圖14向光時使用遮陽板示意

3.3起重機主梁測量實驗與對比

起重機主梁智能化激光測量系統(tǒng)最終的實物樣機分為四部分,分別是水平激光遙控小車、光電傳感陣列接受發(fā)射器、工業(yè)5G路由器以及PC上位機,如圖15所示。

圖15系統(tǒng)樣機實物

將整套樣機設備于某大型門式起重機主梁上進行測量實驗,所測得的數據在云端服務器平臺上可以直接進行數據查看和可視化,空載時得到的9個測量點的感光單元序號數據以及數據可視化后的曲線如圖16所示。

圖16空載測量數據可視化

載重時以同樣流程進行第2次測量,將兩次測量分別得到的9個測量點的感光單元序號對應相減,再乘以每個感光單元的寬度1.6mm即可算出各點的下?lián)现?如表1所示,由此可以根據相應國標要求判斷所檢測的起重機主梁是否達標。

表1水平激光法測量結果

檢測點位	空載時感光單元序號	載重時感光單元序號	下?lián)现?mm
1	22	21	1.6
2	40	38	3.2
3	55	51	6.4
4	64	54	16.0
5	72	59	20.8
6	63	52	17.6
7	55	47	12.8
8	41	39	3.2
9	20	19	1.6

為了驗證本文所設計測量系統(tǒng)的性能,再分別采用傳統(tǒng)的經緯儀法和進行測量并對比數據,所測得相應測試點的數據對比如表2所示。

表2測量結果對比

檢測點位	水平激光法測得下?lián)现?/td>	經緯儀法測得下?lián)现?/td>	誤差
1	1.6	1.3	0.3
2	3.2	2.8	0.4
3	6.4	5.9	0.5
4	16.0	16.3	0.3
5	20.8	21.4	0.6
6	17.6	18.0	0.4
7	12.8	12.3	0.5
8	3.2	3.5	0.3
9	1.6	1.5	0.1

測量的實驗結果表明,所測的9個測量點使用本文所設計的起重機主梁下?lián)现抵悄芑す鉁y量系統(tǒng)和使用傳統(tǒng)的經緯儀法相比誤差在本次實驗中均小于0.6mm,完全可以滿足測量精度要求,而相比測量用時,在同一專業(yè)檢測人員操作下,本文所設計的測量系統(tǒng)完成整個測量用時10min左右,經緯儀法由于需要每個測量點架設經緯儀和人工讀數、記錄等操作,總用時30min左右,比傳統(tǒng)的經緯儀法用時減少70%左右,且本文所設計的測量系統(tǒng)所測得的數據直接上傳至云端數據中心,方便進行后續(xù)的處理、保存等。另外對比例如江蘇省特檢院的周超等所設計的起重機實時監(jiān)控系統(tǒng),本文所設計的測量系統(tǒng)無需對特種設備本體添加安裝任何器件,避免了對待檢測特種設備預先安裝例如應變傳感器等的工作,真正實現(xiàn)了對任意待測設備隨時抽查的效果。

4、結論

本文總結對比了現(xiàn)有的起重機主梁拱度測量方法,指出了現(xiàn)有方法的不足,提出了利用水平激光束進行測量的智能化起重機主梁拱度測量方法并設計了測量系統(tǒng),并進行了現(xiàn)場對比實驗,測量精度與正確性經過與現(xiàn)有的經緯儀測量法進行對比,可認為測量結果可靠,且用時顯著低于經緯儀測量法。本文所提出的測量方法和所設計的系統(tǒng)以其測量結果的可靠性、操作流程的高效性以及高智能化程度,顯著提升了特種設備檢測領域中起重機主梁檢測的能力和效率,同時也為其他檢測領域例如橋梁、道路、樓房等檢測等提供了新的技術手段。