劉芳

摘要： 本文首先對(duì)橋式起重機(jī)的故障類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)常見(jiàn)的故障診斷方法進(jìn)行了梳理，以求找到合適的方法對(duì)故障進(jìn)行診斷，減少由故障導(dǎo)致的事故。橋式起重機(jī)的組成結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，而且在它工作時(shí)相關(guān)的操作人員比較多，如果發(fā)生事故將會(huì)帶來(lái)很?chē)?yán)重的后果。因此，掌握起重機(jī)的故障發(fā)生模式，找到合適的方法對(duì)其進(jìn)行分析，具有重要意義。

Abstract： In this paper， the fault types of bridge cranes are classified， and the common fault diagnosis methods are sorted out in order to find the appropriate method to diagnose faults and reduce the accidents caused by faults. The composition of the bridge crane is large and complex， and there are many operators involved in its work， if the accident happened， it will bring very serious consequences. Therefore， it is of great significance to master the failure mode of the crane and find the appropriate method to analyze it.

關(guān)鍵詞： 橋式起重機(jī)；故障類(lèi)型；故障診斷方法

Key words： bridge crane；fault type；fault diagnosis method

中圖分類(lèi)號(hào)：TH21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）34-0183-03

0 引言

設(shè)備故障診斷技術(shù)，是在1978年由R.A.Collacott博士所提出，主要指查找設(shè)備或者系統(tǒng)故障的過(guò)程，國(guó)際工程界很快地接受了這一概念[1]。而今，設(shè)備故障診斷已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了很多領(lǐng)域，得到了更加快速的發(fā)展。

橋式起重機(jī)是企業(yè)生產(chǎn)中大型的搬運(yùn)設(shè)備，在日常生產(chǎn)中占有很重要的地位。起重機(jī)出現(xiàn)故障甚至?xí)绊懙狡湓瓉?lái)的功能，也可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，它的故障問(wèn)題是值得關(guān)注并研究的。

本文首先對(duì)橋式起重機(jī)故障種類(lèi)進(jìn)行了分類(lèi)與分析，然后對(duì)故障的診斷方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，試圖找到合適的方法診斷橋式起重機(jī)的故障，以期能夠?qū)蚴狡鹬貦C(jī)的故障及事故的發(fā)生起到診斷的作用。

1 橋式起重機(jī)故障類(lèi)型分析

由于缺乏有效的管理以及采取措施的不及時(shí)造成橋式起重機(jī)的事故發(fā)生，帶來(lái)人員和財(cái)產(chǎn)的損失。因此，尋找恰當(dāng)?shù)姆椒軌蛟\斷橋式起重機(jī)的故障就變得非常重要且有意義。

橋式起重機(jī)主要故障形式有制動(dòng)器、減速器、吊索具、金屬結(jié)構(gòu)以及電氣系統(tǒng)故障這五種類(lèi)型[2]。

1.1 制動(dòng)器故障

制動(dòng)器剎車(chē)失靈、制動(dòng)力矩不穩(wěn)、不抱閘以及打滑發(fā)熱是制動(dòng)器較容易發(fā)生的故障。工作時(shí)，由于制動(dòng)器過(guò)度的磨損或主彈簧的變形而導(dǎo)致剎不住車(chē)；力矩不穩(wěn)是由于制動(dòng)輪不規(guī)律的振動(dòng)使力矩產(chǎn)生形變；不抱閘以及打滑發(fā)熱是因制動(dòng)輪表面摩擦減小由油污和雜物的影響造成的。

1.2 減速器故障

減速器在工作時(shí)，容易產(chǎn)生的故障是振動(dòng)異常以及減速器的漏油。振動(dòng)異常是由緊固減速器底座的螺栓松動(dòng)或失效，或是構(gòu)件剛度較差，變形導(dǎo)致；減速器的漏油是由排氣孔積塵，或箱體的縫隙，以及通氣孔造成的不均衡的壓力差而導(dǎo)致的。

1.3 吊索具故障

起升機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)鋼絲繩跳槽或斷裂、溜鉤、卷筒故障以及“過(guò)卷”現(xiàn)象是較容易產(chǎn)生的。鋼絲繩跳槽或斷裂是因鋼絲繩的受力不均及其磨損而導(dǎo)致的；溜鉤是在起升機(jī)構(gòu)起吊或下放重物的情況下，制動(dòng)系統(tǒng)突然失效，重物失去控制而掉落的現(xiàn)象，造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是制動(dòng)器和墊片之間的間隙過(guò)大；卷筒故障是由卷筒與鋼絲繩間的擠壓與摩擦造成；“過(guò)卷”現(xiàn)象是動(dòng)滑輪沖過(guò)定滑輪，是由于抱閘松動(dòng)、極限開(kāi)關(guān)和控制線路故障導(dǎo)致。

1.4 金屬結(jié)構(gòu)故障

其與機(jī)構(gòu)的疲勞磨損程度等有關(guān)，如果它發(fā)生故障將會(huì)造成很?chē)?yán)重的危害。超負(fù)荷情況下運(yùn)行的起重機(jī)，不僅會(huì)導(dǎo)致主梁的下沉彎曲還可能造成吊組件的損壞。橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的故障形式主要有以下兩種形式。

1.4.1 軌道故障

車(chē)輪啃軌現(xiàn)象是大車(chē)在軌道上運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)的，造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是橋架結(jié)構(gòu)的疲勞變形，以及兩臺(tái)電機(jī)在大車(chē)啟動(dòng)時(shí)不同時(shí)工作，帶來(lái)大車(chē)車(chē)體傾斜的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)軌道進(jìn)行啃噬，如果軌道上有雜物等，也會(huì)導(dǎo)致大車(chē)的啃軌現(xiàn)象。在軌道上運(yùn)行時(shí)小車(chē)較易出現(xiàn)“三條腿”以及車(chē)輪有時(shí)懸空等現(xiàn)象；造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是車(chē)輪制造、安裝或橋架不合標(biāo)準(zhǔn)。小車(chē)“三條腿”可能帶來(lái)的影響是車(chē)體晃動(dòng)、起重機(jī)振動(dòng)以及運(yùn)行的不穩(wěn)定。小車(chē)打滑是由軌道上的雜物造成的。

1.4.2 主梁故障

有著彈性形變的橋式起重機(jī)主梁，因載荷的作用帶來(lái)上下?lián)系淖冃?，?huì)在卸下載荷的情況下消失。聯(lián)軸器的斷裂和小車(chē)“三條腿”的現(xiàn)象是由主梁下?lián)显斐傻?。主梁的永久變形是由超?fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)、高溫腐蝕等以及對(duì)結(jié)構(gòu)不當(dāng)?shù)木S修造成的。

1.5 電氣系統(tǒng)故障

電氣系統(tǒng)主要由電機(jī)繞組、串聯(lián)電阻、聯(lián)動(dòng)線路及交流接觸器組成。當(dāng)橋式起重機(jī)工作時(shí)，持續(xù)運(yùn)行的電阻將會(huì)產(chǎn)生大的熱量，如果電阻常在高溫環(huán)境中工作，那么將會(huì)使電阻線及其端子的質(zhì)變速度加快，導(dǎo)致阻值的變化，使電機(jī)燒毀，造成電阻阻值的不均衡，最終會(huì)使大車(chē)扭裂。電機(jī)的老損是在起重機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉的瞬間由于電壓和功率的變化大而造成的。endprint

2 故障診斷方法

故障診斷方法在縮短維修周期，保持和恢復(fù)系統(tǒng)功能，提高維修質(zhì)量和效率以及提高裝備可用性程度方面發(fā)揮了很大的作用?？梢苑譃槿箢?lèi)：基于解析模型的方法，基于定性模型/知識(shí)的方法以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法[3]。

2.1 基于解析模型的方法

基于分析模型的方法將診斷對(duì)象的數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)同實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行比較，得到殘差，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的診斷，其可分為狀態(tài)估計(jì)法、等價(jià)空間法以及參數(shù)估計(jì)法[4]。

狀態(tài)估計(jì)法主要是在對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)能夠觀測(cè)的情況下，它是通過(guò)將觀測(cè)器的輸出與實(shí)際輸出形成的對(duì)比來(lái)組成殘差序列，再對(duì)殘差序列的閾值評(píng)價(jià)進(jìn)而診斷是否產(chǎn)生故障。在可以得到系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的前提下，該方法是最有效的[5]。

等價(jià)空間方法是以輸入或輸出（或部分輸出）系統(tǒng)中的實(shí)際值的手段來(lái)檢測(cè)被診斷對(duì)象一致性的數(shù)學(xué)關(guān)系的方法，來(lái)達(dá)到檢測(cè)故障的目的。該法適合應(yīng)用于離散系統(tǒng)模型中[6]。

參數(shù)估計(jì)法是通過(guò)對(duì)模型參數(shù)和物理參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的診斷，主要包括基于系統(tǒng)參數(shù)以及基于故障參數(shù)的方法，前者是以系統(tǒng)參數(shù)和響應(yīng)的過(guò)程系數(shù)變化為依據(jù)來(lái)檢測(cè)和診斷故障；后者是對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行在線建模，用一定的參數(shù)表現(xiàn)形式來(lái)將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的故障表達(dá)出來(lái)，是未知增益形式的乘性參數(shù)或者是附加未知時(shí)變函數(shù)項(xiàng)的加性參數(shù)。以上方法都要求有精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢測(cè)，并且計(jì)算量較大，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷有一定的難度，因此在實(shí)際中的應(yīng)用范圍很小。

2.2 基于定性模型/知識(shí)的方法

基于定性模型/知識(shí)的方法主要是依據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)、工藝知識(shí)等進(jìn)行故障的檢測(cè)；在基于定性知識(shí)的方法體系中，主要包括以下幾種診斷方法[7]。

專(zhuān)家系統(tǒng)故障診斷方法，指通過(guò)模擬專(zhuān)家實(shí)際診斷的思路，隨時(shí)調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序，將采集到的被診斷對(duì)象的信息進(jìn)行處理，能夠?qū)⒆罱K故障或是可能性最高的故障快速的找到，最后由用戶來(lái)證實(shí)[8]。

故障樹(shù)分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）在引導(dǎo)系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析薄弱環(huán)節(jié)以及運(yùn)行維修方面是有力的工具。它的適用范圍是分析復(fù)雜的系統(tǒng)，最終目標(biāo)是診斷對(duì)象中最不想發(fā)生的故障，逐層將造成故障的全部因素找到，直至找出最開(kāi)始、故障形式已知、不需要再進(jìn)行下一步分解的因素為止。故障樹(shù)分析法是一種演繹推理法，將發(fā)生的故障同其原因表達(dá)成樹(shù)形圖。將最嚴(yán)重的事件或者綜合性的事件作為頂事件，最原始的事件作為底事件，其他事件作為中間事件，事件用字母符號(hào)來(lái)表示，邏輯門(mén)是各個(gè)事件間的邏輯關(guān)系，并將此與事件連接成樹(shù)形，稱(chēng)為故障樹(shù)。

基于數(shù)據(jù)融合的故障診斷方法是將應(yīng)用多個(gè)傳感器的系統(tǒng)作為對(duì)象發(fā)展而來(lái)的對(duì)信息處理的新研究方向。它歸納分析并處理從各種途徑、各個(gè)空間和時(shí)間上獲得的有效信息，為決策者提供決策支持及控制依據(jù)，獲得比單一信息源、單一處理機(jī)制更加可靠的診斷。數(shù)據(jù)融合模型為圖1所示的三級(jí)結(jié)構(gòu)[9]。

2.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法是通過(guò)挖掘歷史數(shù)據(jù)，歸納出系統(tǒng)正常工作與非正常工作的屬性特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷。主要有基于統(tǒng)計(jì)分析、基于信號(hào)分析以及基于定量知識(shí)數(shù)據(jù)分析的方法[10]。

基于統(tǒng)計(jì)分析的方法主要根據(jù)分析過(guò)程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量，從其中的變化來(lái)提取特征。統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行故障診斷是以系統(tǒng)中必須出現(xiàn)故障為前提，否則過(guò)程數(shù)據(jù)的特征計(jì)量只能在一定的、可以接受的范圍內(nèi)波動(dòng)。即使不能可靠的預(yù)測(cè)到每次某個(gè)變量具體的觀測(cè)數(shù)值，但它的平均值及方差等特征統(tǒng)計(jì)量是會(huì)保持穩(wěn)定的，這被稱(chēng)之為特征統(tǒng)計(jì)量的可重復(fù)性。通過(guò)該重復(fù)性對(duì)指定的變量進(jìn)行設(shè)定特定的門(mén)限值，進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行診斷。

基于信號(hào)分析的方法，利用信號(hào)處理技術(shù)來(lái)分解信號(hào)，得到時(shí)域和頻域的相關(guān)特征，對(duì)故障進(jìn)行分類(lèi)診斷，信號(hào)處理方法一般有譜分析、小波變換、s變換和希爾伯特-黃變換（HHT）。

基于定量知識(shí)數(shù)據(jù)分析的方法不需要定量的數(shù)學(xué)模型，它是利用人工智能的技術(shù)來(lái)對(duì)故障進(jìn)行診斷。最重要的信息是從過(guò)程數(shù)據(jù)中提取，主要方法有基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法、基于SVM 的方法以及基于模糊邏輯的方法[11]。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)橋式起重機(jī)故障類(lèi)型的分析，發(fā)現(xiàn)橋式起重機(jī)的故障種類(lèi)多而且系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜，所以本文認(rèn)為運(yùn)用故障樹(shù)的方法對(duì)橋式起重機(jī)的故障進(jìn)行診斷是比較適合的。故障樹(shù)作為基于定性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)分析的一種方法，它具有靈活性、直觀性、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它能夠充分利用生產(chǎn)過(guò)程中的歷史經(jīng)驗(yàn)、工藝知識(shí)等信息，并且具有較完整的理論基礎(chǔ)，相對(duì)于其它方法，對(duì)于解決故障種類(lèi)繁多的橋式起重機(jī)故障診斷問(wèn)題具有更大的優(yōu)勢(shì)。

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