尹學(xué)成 李文豪 洪 亮

連云港港口控股集團(tuán)有限公司

1 引言

門座起重機(jī)已被各大港口普遍使用，成為船舶與碼頭前沿之間裝卸的主要設(shè)備，但長期處于高負(fù)荷、高利用率狀況，實(shí)際工況惡劣。近年來，25 t以上大型港口門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)故障頻發(fā)，如何監(jiān)測門座起重機(jī)在服役期間的結(jié)構(gòu)健康，已成為保障起重機(jī)械安全、長周期運(yùn)行的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是利用安裝在結(jié)構(gòu)上的先進(jìn)傳感器，在線實(shí)時(shí)獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息，結(jié)合先進(jìn)的信號處理方法，提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù)，識別結(jié)構(gòu)的健康狀況，在早期就加以控制以消除安全隱患，避免安全事故發(fā)生[1]。目前，對港口門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的成功案例很少。在開發(fā)高效快速的港口裝卸機(jī)械狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方面，工業(yè)發(fā)達(dá)國家處于主導(dǎo)地位，但這些技術(shù)大部仍以巡檢或離線方式為主，真正能在港口露天、鹽霧、重載等惡劣工作條件下長期穩(wěn)定進(jìn)行在線監(jiān)測的系統(tǒng)相對缺乏[2]。

2 系統(tǒng)主要組成

2.1 系統(tǒng)綜述

起重機(jī)機(jī)械狀態(tài)健康監(jiān)測與評估系統(tǒng)運(yùn)用有限元法、光纖光柵傳感測試技術(shù)、振動傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)，具有動態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤功能、狀態(tài)變化趨勢預(yù)警功能、遠(yuǎn)程可控的“黑匣子”功能、單機(jī)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)庫管理和趨勢變化的狀態(tài)健康分析功能。系統(tǒng)可對起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動力性能實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制、評估和管理，為設(shè)備的日常健康管理、使用可靠性提高和結(jié)構(gòu)“報(bào)廢-改造-續(xù)用”后期決策提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)監(jiān)測并入起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的重要組成部分。系統(tǒng)能夠采集監(jiān)測部位數(shù)據(jù)曲線，準(zhǔn)確顯示問題部位，初步分析問題原因，記錄發(fā)生時(shí)間，使設(shè)備管理人員能夠?qū)崟r(shí)掌握門座起重機(jī)工作情況，實(shí)現(xiàn)重要結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)故障預(yù)警，同時(shí)該數(shù)據(jù)能為門座起重機(jī)的管理、維保以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠很好地適應(yīng)門座起重機(jī)的惡劣工作環(huán)境，滿足搭建長期監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

2.2 振動和噪聲監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

此項(xiàng)目采用振動監(jiān)測法實(shí)時(shí)采集四連桿機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)及起升、回轉(zhuǎn)、變幅三大機(jī)構(gòu)減速箱輸入和輸出軸端運(yùn)行噪聲和振動，截取正常作業(yè)時(shí)的特征曲線和峰值作為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定一定的安全系數(shù)，當(dāng)超過安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，顯示報(bào)警部位。由于減速箱多處于變轉(zhuǎn)速工況，因此需增加轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)測量。由于起重機(jī)正常振動信號幅度較大，而其減速箱故障信號的頻率范圍寬且幅值較小，通常被淹沒，并且設(shè)備表面溫度較高，故本系統(tǒng)采用耐高溫加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控部位作業(yè)曲線特征的有效采集。檢測點(diǎn)的選取位置見圖1。

1.起升機(jī)構(gòu)高速軸 2.起升機(jī)構(gòu)低速軸 3.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)高速軸 4.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)低速軸 5.變幅機(jī)構(gòu)高速軸 6.變幅機(jī)構(gòu)低速軸 7.搖架軸承 8.大拉桿與人字架連接鉸點(diǎn) 9.大拉桿與象鼻梁連接鉸點(diǎn) 10.象鼻梁與大臂架連接鉸點(diǎn) 11.大臂架與轉(zhuǎn)臺連接鉸點(diǎn)圖1 振動、噪聲測點(diǎn)示意圖

2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集四連桿機(jī)構(gòu)、人字架等金屬結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)作業(yè)中應(yīng)力變化曲線，在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，預(yù)測結(jié)構(gòu)可能的失效形式，揭示結(jié)構(gòu)破壞失效的機(jī)理，為門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主體的金屬疲勞研究提供依據(jù)。

項(xiàng)目選用基于應(yīng)變的光纖光柵傳感采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵金屬結(jié)構(gòu)部位作業(yè)中應(yīng)力變化特征的有效采集。光纖光柵傳感監(jiān)測技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù),其具有體積小、重量輕、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等眾多優(yōu)點(diǎn),是結(jié)構(gòu)局部健康監(jiān)測最理想的智能傳感元件之一。它可以直接或間接監(jiān)測應(yīng)變、溫度、裂縫、位移、振動、腐蝕、應(yīng)力等物理量，能夠很好的適應(yīng)門座起重機(jī)的惡劣工作環(huán)境，并且能夠滿足搭建長期監(jiān)測系統(tǒng)的需求。

檢測點(diǎn)選取位置為象鼻梁上4點(diǎn)，大臂架上2點(diǎn)，大拉桿上1點(diǎn)，平衡梁上2點(diǎn)，轉(zhuǎn)柱上4點(diǎn)(見圖2)。

1.象鼻梁前端 2.象鼻梁后端U型槽 3.象鼻梁與主臂架鉸點(diǎn)部位 4.象鼻梁與大拉桿鉸點(diǎn)部位 5.大拉桿中間位置下蓋板 6.平衡梁與人字架連接鉸點(diǎn) 7.平衡梁與小拉桿連接鉸點(diǎn) 8.大臂架與小拉桿連接鉸點(diǎn) 9.大臂架根部連接鉸點(diǎn) 10.人字架與轉(zhuǎn)臺連接部位(前左) 11.人字架與轉(zhuǎn)臺連接部位(前右) 12.人字架與轉(zhuǎn)臺連接部位(后左) 13.人字架與轉(zhuǎn)臺連接部位(后左)圖2 應(yīng)力測點(diǎn)示意圖

3 實(shí)施方案

3.1 應(yīng)力監(jiān)測方案

首先運(yùn)用有限元軟件對門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，識別出其中結(jié)構(gòu)易損位置(應(yīng)力過大處以及應(yīng)力循環(huán)嚴(yán)重處)。隨后在門座起重機(jī)整體關(guān)鍵位置以及局部易損傷位置布置光纖光柵傳感器，一方面可以監(jiān)測整體結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)特性，同時(shí)還能重點(diǎn)監(jiān)測易損傷位置，保證整體結(jié)構(gòu)和局部破壞都能夠被及時(shí)監(jiān)測到，提高系統(tǒng)的可靠性。光纖光柵傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)不同于電阻應(yīng)變片的“測點(diǎn)監(jiān)測”，能夠得到布置位置沿傳感器方向一段距離的連續(xù)應(yīng)變。將光纖傳感器監(jiān)測的光學(xué)信號通過信號分析處理單元進(jìn)行處理得到數(shù)字信號。光纖光柵傳感技術(shù)是通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測，實(shí)現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對測量。

3.2 震動監(jiān)測方案

通過對減速箱關(guān)鍵部位振動數(shù)據(jù)采集、分析診斷，實(shí)時(shí)掌握減速箱運(yùn)行情況，及時(shí)指導(dǎo)維修、維護(hù)，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。綜合分析減速箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及振動傳遞路徑后，選擇各轉(zhuǎn)動軸軸承處正上方位置作為振動主監(jiān)測點(diǎn)。另在高速軸水平方向安裝傳感器測量水平振動情況，同時(shí)在高速軸鍵槽處安裝1個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器用于速度的實(shí)時(shí)測量。

3.3 數(shù)據(jù)分析軟件

通過在線監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，從而轉(zhuǎn)換為用戶容易識別和理解的直觀數(shù)據(jù)或圖像。在線監(jiān)測軟件由監(jiān)測工作站的主機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行，該軟件主要包含以下功能：

(1)信息描述和記錄，可錄入傳感器的埋設(shè)位置、設(shè)備位置及編號等信息，記錄與工程相關(guān)的信息，便于傳感器的管理。

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，可以顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，也可將歷史數(shù)據(jù)調(diào)出進(jìn)行顯示，或?qū)追N參數(shù)同時(shí)進(jìn)行顯示分析；進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)分類等功能，為后續(xù)的自動分析和人工分析提供良好的數(shù)據(jù)源。

(3)安全評估與危險(xiǎn)預(yù)警，對處于危險(xiǎn)狀況的結(jié)構(gòu)受力和機(jī)構(gòu)振動進(jìn)行重點(diǎn)提示。預(yù)警預(yù)報(bào)分為兩類：第一種是緊急警報(bào)，當(dāng)監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平或機(jī)構(gòu)振動狀況超過許用安全極限，監(jiān)測軟件發(fā)出緊急警報(bào)；第二種是警告，當(dāng)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平接近極限值或機(jī)構(gòu)振動狀況接近允許最大值，監(jiān)測軟件發(fā)出警告，提示用戶提高警惕。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)可對大型鋼結(jié)構(gòu)、重要機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，有效預(yù)防大型設(shè)備故障產(chǎn)生，提前進(jìn)行故障干預(yù)，年節(jié)省維修成本約20萬元/臺?？梢詼p少操作設(shè)備檢查維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，給維護(hù)帶來極大的方便，且可以隨時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況，提高裝卸效率。這將顯著改善門座起重機(jī)的監(jiān)管現(xiàn)狀，提高設(shè)備管理的現(xiàn)代化水平。