□李學(xué)鋆 □李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院重慶400074

港口門機(jī)在線監(jiān)測方法分析*

□李學(xué)鋆 □李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院重慶400074

概述了港口門機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成，以金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪箱、電動機(jī)為重點(diǎn)分析了門機(jī)易出現(xiàn)故障的基本零部件，以及結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測方法與信號采集處理方案。

港口門機(jī)是港口三大機(jī)械之一，簡稱門機(jī)，屬有軌起重機(jī)械，由上旋轉(zhuǎn)部分和下運(yùn)行部分組成，主要以提升、旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)三種基本運(yùn)動進(jìn)行組合，完成指定工作任務(wù)。由于工作任務(wù)和環(huán)境的特殊性，門機(jī)的工作狀況直接影響到作業(yè)效率和安全可靠性。

港口門機(jī)主要由四大系統(tǒng)構(gòu)成：行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測工作狀態(tài)，一般可以將最基本的零部件作為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合門機(jī)在實(shí)際工作過程中出現(xiàn)的故障情況，制定監(jiān)測方案。門機(jī)在工作時(shí)，被破壞的主要部位是金屬結(jié)構(gòu)件、電動機(jī)、齒輪箱、鋼絲繩等，同時(shí)也會出現(xiàn)液壓系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)支承件故障及失穩(wěn)現(xiàn)象。

1 港口門機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)

港口門機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要任務(wù)是信號采集、預(yù)處理和處理，包括三大基礎(chǔ)部分：傳感單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元。

信號采集是應(yīng)用傳感器采集相應(yīng)的特征參量信號。具體包括：電阻應(yīng)變片采集應(yīng)力應(yīng)變信號，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號；接觸式電阻溫度傳感器采集溫度信號，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號輸出；振動傳感器將被測對象的振動參量轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)電子線路放大后顯示和記錄；張力傳感器采集鋼絲繩的張力信號，并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

信號預(yù)處理主要是將信號采集部分所采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理，并傳輸至到下一步處理。在這一步驟中，為了對溫度等影響因素進(jìn)行補(bǔ)償，并提高靈敏度，需要引入電橋電路。根據(jù)電橋中可變電阻連接方式的不同，電橋可分為單電橋、雙電橋和全電橋三種。對電壓或電流信號進(jìn)行放大、濾波、滿度值調(diào)節(jié)、自動平衡后，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸至下一個(gè)部分。

信號處理的任務(wù)是接收上一部分傳輸?shù)男盘?，提取信號中的特征參量，對參量進(jìn)行分析比對，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。這一過程可以由人工完成，也可以由可編程序控制器進(jìn)行處理并輸出反饋信號。

2 門機(jī)的主要檢測內(nèi)容

港口門機(jī)的主要檢測內(nèi)容包括金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪箱、電動機(jī)等。

2.1 金屬結(jié)構(gòu)件

港口門機(jī)的大部分結(jié)構(gòu)，如懸臂系統(tǒng)、人字架、轉(zhuǎn)臺金屬結(jié)構(gòu)等都有金屬結(jié)構(gòu)件。金屬結(jié)構(gòu)件失效的根本原因是受過載或交變載荷時(shí)裂紋擴(kuò)展，此外，氣孔、夾渣、微觀裂紋等不合格焊縫和格里菲斯裂紋，以及焊縫拘束力不夠也會引起失效。可以根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變變化引起電阻變化的原理將電阻應(yīng)變片布置在相關(guān)測試點(diǎn)進(jìn)行信號采集，將信號處理結(jié)果與預(yù)置值比對，判定構(gòu)件的受力狀況。

為了達(dá)到在線監(jiān)測的目的，防止出現(xiàn)構(gòu)件斷裂失效、構(gòu)件變形過大、焊縫破壞及肋板失效等，可以通過有限元結(jié)構(gòu)分析得出相關(guān)的應(yīng)力云圖，計(jì)算并初步斷定受載荷結(jié)構(gòu)最易被破壞的區(qū)域，以及焊縫聯(lián)結(jié)失效區(qū)域、裂紋敏感區(qū)、應(yīng)力集中點(diǎn)，從而確定電阻應(yīng)變片的排列方式和布置點(diǎn)。

金屬結(jié)構(gòu)件在線監(jiān)測系統(tǒng)中的信號采集部分由測量電橋和動態(tài)應(yīng)變儀組成。測量電橋用于將應(yīng)變引起的電阻轉(zhuǎn)換為電壓和電流的變化。為了消除港口環(huán)境引起的不穩(wěn)定因素，如溫度、濕度等，常進(jìn)行補(bǔ)償處理。電阻應(yīng)變片以可變電阻的替代形式連入電橋電路中。動態(tài)應(yīng)變儀則能完成對電橋盒輸出信號與內(nèi)置電路壓電振動傳感器的調(diào)理、預(yù)處理和采樣，并傳送至計(jì)算機(jī)，對信號進(jìn)行存儲和處理。動態(tài)應(yīng)變儀包含放大器、濾波器、滿度值調(diào)節(jié)、自動平衡、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)[1]，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)應(yīng)變儀系統(tǒng)框圖

文獻(xiàn)[2]提出了定量檢測梁類結(jié)構(gòu)多裂紋參數(shù)法，從動力學(xué)入手，利用小波檢測有限元分析法獲得裂紋結(jié)構(gòu)部位固有頻率的本質(zhì)反應(yīng)，繪制出裂紋位置、裂紋深度、固有頻率變化率曲線，計(jì)算出損傷系數(shù)，并驗(yàn)證了準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用壓電阻抗法對焊縫裂紋進(jìn)行識別和定位，結(jié)合壓電阻抗法和有限元仿真軟件對焊縫鋼板進(jìn)行諧響應(yīng)分析，用RDSM（結(jié)構(gòu)在無損狀態(tài)與有損狀態(tài)下兩組電導(dǎo)數(shù)據(jù)的均方根差值）指數(shù)法討論了基于電壓陶瓷傳感器的焊縫裂紋損傷程度和定位識別方法。

此外，在起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)方面還有聲發(fā)射、聚偏氟乙烯與壓電陶瓷檢測、紅外線成像檢測、金屬磁記憶檢測等無損檢測技術(shù)。

2.2 鋼絲繩

在港口門機(jī)的服役過程中，過載會引起鋼絲繩斷裂，過大或長期交變載荷會引起變形過大，進(jìn)而導(dǎo)致鋼絲繩局部斷裂失效、局部損壞等，甚至?xí)鹣嚓P(guān)聯(lián)部件故障，出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

鋼絲繩的破壞與張力差的大小有關(guān)。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼絲繩的工作狀態(tài)，可以利用張力傳感器采集鋼絲繩上的特征參量，即張力、張力差，將所采集的信號處理后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并基于特征參量的參考值監(jiān)測工作狀態(tài)。當(dāng)特征參量出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)檢修與維護(hù)。

文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一套關(guān)于多繩摩擦式提升工程機(jī)械鋼絲繩的故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以進(jìn)行張力和張力差數(shù)據(jù)采集、傳輸、實(shí)時(shí)處理，以及超載報(bào)警和載重差超限閉鎖，以確保提升系統(tǒng)安全運(yùn)行，為門機(jī)鋼絲繩的在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測提供了參考。

2.3 齒輪箱

港口門機(jī)中的齒輪箱或齒輪齒條組承擔(dān)著傳遞動力、升降速、改變轉(zhuǎn)矩的重要功能。由于工作環(huán)境惡劣、循環(huán)速度快、次數(shù)多等原因，很容易出現(xiàn)故障，因此齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷十分必要。

齒輪的集中性故障或軸承故障必定會形成周期性脈沖信號與周期性沖擊的嚙齒振動，可在其輸入與輸出軸承座附近分別設(shè)置一個(gè)振動加速度傳感器，以獲取振動信號。對采集的振動信號進(jìn)行分析處理，并與標(biāo)準(zhǔn)曲線比對，分析得出的結(jié)論。當(dāng)特征參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，分析故障部位，并及時(shí)處理。

文獻(xiàn)[5]研究了齒輪齒面缺損與齒輪偏心在正常工況和斷齒工況時(shí)的時(shí)域特征及頻域特征，并以此為依據(jù)提取了8種時(shí)域及頻域故障特征參量，對識別故障狀態(tài)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法進(jìn)行了深入研究，通過試驗(yàn)證明方法的可行性和準(zhǔn)確性，并在救生船機(jī)艙齒輪箱的在線監(jiān)測中取得了有效的應(yīng)用。

2.4 電動機(jī)

利用電動機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生熱量并導(dǎo)致溫升的現(xiàn)象，可在港口門機(jī)起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)的電動機(jī)機(jī)殼對稱布置溫度傳感器，提取電動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的連續(xù)溫度信號，將其傳輸并處理后進(jìn)行分析比對。一般在開機(jī)1 h左右，電動機(jī)各部溫度趨于正常。為了防止溫度傳感器的延時(shí)現(xiàn)象導(dǎo)致誤判，在與電動機(jī)相連的減速箱箱體上可布置振動信號監(jiān)測點(diǎn)，提取振動特征參量。電動機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷流程如圖2所示。

圖2 電動機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷流程圖

文獻(xiàn)[6]對某一信號進(jìn)行希爾伯特變換，獲得其共軛信號，并提出了一種基于定子電流希爾伯特模量頻譜分析的異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子故障在線監(jiān)測與診斷方法，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，在電動機(jī)在線監(jiān)測中可以更精確地定位電動機(jī)故障。此外，電動機(jī)電壓、電流、負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)測也必不可少，可以防止過壓、過流、過載、短路、過熱、斷相等問題導(dǎo)致電動機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障或電氣故障，這些故障會使電動機(jī)發(fā)熱甚至燒毀。

2.5 其它重要部件

文獻(xiàn)[7]給出了一套門機(jī)回轉(zhuǎn)支承件的故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，通過特征參量的分析完成了實(shí)時(shí)監(jiān)測，為回轉(zhuǎn)支承件的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了參考。

文獻(xiàn)[8]提出了表征轉(zhuǎn)軸動載特性的參量——動載波動系數(shù)，導(dǎo)出了數(shù)學(xué)表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)軸的振動監(jiān)測，為門機(jī)其它受載復(fù)雜旋轉(zhuǎn)支承件動態(tài)載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了理論方法和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[9]綜合闡述了液壓系統(tǒng)的離線檢測技術(shù)，提出了運(yùn)用油液靜電傳感器在線監(jiān)測液壓系統(tǒng)的方法。文獻(xiàn)[10]基于濾膜淤積的恒功率測量法，針對油液污染導(dǎo)致的系統(tǒng)故障設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)，為液壓系統(tǒng)的在線監(jiān)測提供了可行性方案。

3 結(jié)束語

以包括金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪變速箱、電動機(jī)在內(nèi)的港口門機(jī)基本零部件為分析對象，闡述了易出現(xiàn)故障的零部件，以及對應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測方案與信號采集方法[11-14]。金屬結(jié)構(gòu)件的監(jiān)測主要通過采集應(yīng)力應(yīng)變信號實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟、成本低，但采集的信號容易受到干擾，并在傳輸過程中容易出現(xiàn)削弱。鋼絲繩在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集對象是張力和張力差，信號準(zhǔn)確易得，但獲取數(shù)據(jù)的設(shè)備較復(fù)雜。齒輪箱在線監(jiān)測時(shí)對提取的各部位信號進(jìn)行分析，為了防止溫度傳感器出現(xiàn)信號采集延遲，加入振動信號特征量的監(jiān)測與提取，提高精確度。電動機(jī)在線監(jiān)測時(shí)除了對振動、溫度信號進(jìn)行監(jiān)測提取外，還需要對電壓、電流、負(fù)載等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

從港口門機(jī)的基本零部件著手研究其在線檢測方法，可以將問題系統(tǒng)化，便于實(shí)現(xiàn)門機(jī)的在線監(jiān)測，并進(jìn)行集中化管理。

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（編輯：爾東）

Gave an introduction on the composition ofon-line monitoringsystemfor portal hoist and an analyses on the basic parts and components of the portal hoist which were prone to failure with the emphasis on the metal structure,wire rope,gear box and motor,as well as on-line monitoring method for the structure,signal acquisition and processing scheme.

起重機(jī)械；門機(jī)；在線監(jiān)測

Hoisting Machinery；PortalHoist；On-line Monitoring

TH21

B

1672-0555（2017）01-011-03

*重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（編號：CSTC2015yfpt_zdsys30001）；重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：CSTC2013yykfB0184）

2016年9月

李學(xué)鋆（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樵O(shè)備在線監(jiān)測