呂賽格,胡 雄,王 冰,王 微,張道兵

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

0 引 言

作為大型集裝箱港口裝卸設(shè)備的岸橋在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著極其重要的角色[1]。起升機(jī)構(gòu)是岸橋的重要組成部分之一,通常岸橋工作環(huán)境惡劣,起升減速箱工作頻率高、負(fù)載重,會產(chǎn)生大量熱量,如果熱量得不到良好散發(fā),會使減速箱的溫度升高[2],故障、損壞現(xiàn)象會隨之出現(xiàn),這將大大縮短減速箱的使用壽命,進(jìn)而影響岸橋正常工作。因此,研究起升減速箱散熱規(guī)律,并快速判斷健康狀態(tài),對提升岸橋安全監(jiān)測水平具有重要意義。

目前,對減速箱散熱規(guī)律的研究已有少量文獻(xiàn)。高春慧等[3]對某起升減速箱停機(jī)狀態(tài)下的散熱規(guī)律進(jìn)行了研究,通過集總熱容法推導(dǎo)出散熱溫度模型并得出了一些散熱規(guī)律。YAN Ke等[4]對減速箱內(nèi)的球軸承保持架在超高轉(zhuǎn)速下的散熱特性進(jìn)行了研究,得出了空氣油流量和熱沉降與合適的保持架參數(shù)緊密相關(guān)。張昕冉等[5]對風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部減速箱的散熱進(jìn)行了初步探討,分析了減速箱過溫的主要影響因素及危害,并提出了多種散熱改造方案。但當(dāng)前大多研究是通過熱網(wǎng)絡(luò)法或有限元法來建立減速箱的穩(wěn)態(tài)溫度場分布模型,而對于減速箱非穩(wěn)態(tài)的溫度場,即減速箱溫度隨著時間的變化而時刻發(fā)生變化的溫度模型構(gòu)建與分析則很少有研究。

隨著機(jī)械設(shè)備日趨復(fù)雜,多數(shù)學(xué)者傾向于研究機(jī)械設(shè)備的故障位置或類型,常常忽略其健康狀況,而健康狀態(tài)識別為機(jī)械故障診斷奠定堅實的基礎(chǔ)[6]。當(dāng)前最普遍的研究主要是基于振動信號的分析與處理來對減速箱進(jìn)行健康診斷。振動信號具有豐富的健康狀態(tài)信息和易于測量的特點(diǎn),因此,提取足夠健康狀態(tài)信息的特征是減速箱健康診斷的關(guān)鍵[7]。LI Yong-zhuo等[8]基于信號稀疏分解和階數(shù)跟蹤技術(shù),提出了一種從減速箱非平穩(wěn)振動信號中提取故障特征的新方法,用于對減速箱的健康狀態(tài)識別。侯美慧等[9]以岸橋減速箱為研究對象,基于Weibull和GG模糊聚類對其進(jìn)行了健康狀態(tài)識別,劃分了健康、亞健康、故障3種狀態(tài)。BARBIERI N等[10]以汽車變速箱為研究對象,通過比較受損與未受損振動信號的能量級和熵來直接驗證變速箱是否存在損傷。CHEN Hui-peng等[11]采用基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙向振動信號數(shù)據(jù)融合方法對行星減速箱進(jìn)行了健康狀態(tài)識別,并與SVM和BPNN方法進(jìn)行了比較,其分類準(zhǔn)確率明顯更高。

雖然大部分設(shè)備的故障都可以通過分析振動信號來反映,但現(xiàn)場采集的信號數(shù)據(jù)往往摻雜著許多干擾信號,使得信號的特征與故障并不是簡單對應(yīng)的關(guān)系,從單一的振動信號中提取出判斷故障的依據(jù)比較麻煩[12]。所以,需要尋求其他的指標(biāo)來共同完成對設(shè)備健康狀態(tài)的評估,若將幾個衡量減速箱健康狀態(tài)的指標(biāo)結(jié)合起來共同進(jìn)行分析研究,這將會降低提取判斷故障依據(jù)的復(fù)雜性,并提高減速健康診斷的準(zhǔn)確性與可靠性。然而,目前基于溫度信號的減速箱狀態(tài)劃分很少有研究。

由于工作狀態(tài)下,影響減速箱散熱的因素過于復(fù)雜,因為減速箱的散熱系統(tǒng)在整個運(yùn)行過程中都是起作用的,在工作狀態(tài)下與在停機(jī)狀態(tài)下的散熱系統(tǒng)是相同的,散熱條件也是一樣的。而在停機(jī)狀態(tài)下研究散熱系統(tǒng),建立散熱模型相比于工作狀態(tài)時影響因素少,較為簡單。

綜上所述,筆者針對停機(jī)狀態(tài)下的減速箱散熱規(guī)律及健康診斷進(jìn)行研究,以上海港某岸橋起升減速箱為研究對象,分析散熱機(jī)理及影響散熱的主要因素,進(jìn)而建立散熱溫度模型,從而得到散熱規(guī)律;最后通過停機(jī)散熱初始溫度的判斷對減速箱的健康狀態(tài)進(jìn)行快速劃分。

1 減速箱的散熱溫度模型

1.1 散熱機(jī)理分析

為研究影響某岸橋起升減速箱散熱的因素,筆者對其散熱機(jī)理進(jìn)行分析。減速箱的熱態(tài)過程包括產(chǎn)生熱量和散發(fā)熱量的過程[13]。減速箱由嚙合齒輪、軸承及齒輪攪動潤滑油的摩擦等原因產(chǎn)生熱量,通過箱體內(nèi)潤滑油的吸熱及箱體表面向空氣中傳遞熱量來散發(fā)熱量,即齒輪、軸承等產(chǎn)生的摩擦熱一部分由潤滑油吸收,另一部分散失到空氣中。正常情況下,潤滑油吸收的熱量與散失到空氣中的熱量總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減速箱內(nèi)各構(gòu)件由于摩擦產(chǎn)生的熱量,因此會減少減速箱的溫升,達(dá)到散熱的目的。

1.2 影響散熱的因素分析

在工作狀態(tài)下,減速箱的溫度受各種因素影響而時刻發(fā)生變化,不易分析,而停機(jī)狀態(tài)下的溫度曲線是單調(diào)下降的,此時只有散熱沒有產(chǎn)熱,只需分析影響散熱的因素,主要包括:散熱系數(shù)、散熱表面積、潤滑油的品質(zhì)、潤滑油量、初始溫度和環(huán)境溫度等[14]。本文采集高速軸上一處的溫度,在減速箱高速軸、潤滑油確定的情況下,高速軸的散熱系數(shù)、散熱表面積、潤滑油的比熱容等為恒定的量。下面分析其余變量對減速箱散熱的影響情況:

(1)潤滑油油量

在不超過額定油量時,減速箱溫度與潤滑油量成負(fù)相關(guān),即油量越多,吸收的熱量越多,減速箱的溫度下降越快。但潤滑油量越多、吸收的熱量越多時,油溫會升高,導(dǎo)致粘度減小、流動性增加,進(jìn)而增加潤滑油的泄漏機(jī)率,使整個潤滑系統(tǒng)油壓減小,引起潤滑油成膜性能變差,導(dǎo)致減速箱內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生接觸磨損,最終使得減速箱頻繁發(fā)生故障[15]。

(2)初始溫度

筆者選取上海港3臺岸橋在同一天同一時間段的散熱溫度數(shù)據(jù),3臺岸橋構(gòu)造基本一致,又處于同一環(huán)境中,此時的變量為岸橋停機(jī)時減速箱的溫度,即減速箱開始散熱的初始溫度。

不同初始溫度下,3臺岸橋起升減速箱經(jīng)過相同時間(4 h),測得的溫度變化率如表1所示。

表1 不同初始溫度下岸橋起升減速箱溫度變化率

根據(jù)表1可以看出:經(jīng)過相同時間,初始溫度低的減速箱溫度變化率比初始溫度高的小,即初始溫度越高,減速箱溫度下降趨勢越大。這可能受冷卻風(fēng)扇的調(diào)節(jié)作用,當(dāng)溫度較高時,風(fēng)扇會增大自身功率來加快散熱的速率。

(3)環(huán)境溫度

由傳熱學(xué)原理可得,減速箱溫度與環(huán)境溫度成負(fù)相關(guān),即環(huán)境溫度越高,從減速箱散失到空氣中的熱量就越小,減速箱溫度下降的速率就越慢。

1.3 散熱溫度模型

停機(jī)狀態(tài)下,減速箱只散熱不產(chǎn)熱。散失的熱量一部分由潤滑油吸收,一部分則散失到空氣中,所以溫度T與潤滑油吸收的熱量Qoil和散失到空氣中的熱量Qair相關(guān),可表示為:

T=fs(Qoil,Qair)

(1)

式中:fs(Qoil,Qair)—T與Qoil和Qair的函數(shù)關(guān)系。

影響物質(zhì)吸熱能力的因素有:物質(zhì)的種類、質(zhì)量及其溫度變化值。對于潤滑油,其吸熱的公式如下[16]:

Qoil=cmΔt

(2)

式中:c—潤滑油的比熱容,J/(kg·K);m—潤滑油的質(zhì)量,kg,質(zhì)量等于體積v乘以密度ρ,潤滑油的體積可以等效為潤滑油量q;Δt—潤滑油溫度的變化值,℃。

散失到空氣中的熱量為:

Qair=αS(T0-Tair)

(3)

式中:α—散熱系數(shù),W/(m·K);S—散熱表面積,mm2;T0—初始溫度,℃;Tair—環(huán)境溫度,℃。

由式(1～3)可得:

T=f′(c,q,α,S,T0,Tair)

(4)

式中:f′(c,q,α,S,T0,Tair)—T與c,q,α,S,T0和Tair的函數(shù)關(guān)系。

由1.2分析影響減速箱散熱的因素得:c,α和S是確定的,所以溫度模型為:

T=g(q,T0,Tair)

(5)

式中:g(q,T0,Tair)—溫度T與潤滑油量q、初始溫度T0和環(huán)境溫度Tair的函數(shù)關(guān)系。

2 起升減速箱數(shù)據(jù)擬合

某岸橋起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

本文需要采集的信號數(shù)據(jù)為高速軸的振動與溫度數(shù)據(jù)。起升減速箱高速軸上的實際溫度、振動加速度傳感器測點(diǎn)圖如圖2所示。

圖2 起升減速箱高速軸實際溫度、振動加速度傳感器測點(diǎn)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

筆者對上海港某岸橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該岸橋在2009年剛投入使用為健康狀態(tài),高速軸軸承在2014年發(fā)生故障,并在維修后恢復(fù)工作,此處采集了從2009年至2015年,即減速箱從正常工作到故障再到正常工作一個周期的數(shù)據(jù)。岸橋在工作過程中,會由于臺風(fēng)或者檢修等原因,不定時地停機(jī),使得非工作態(tài)數(shù)據(jù)會混雜在工業(yè)大數(shù)據(jù)中,同時也會產(chǎn)生部分由于傳感器故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失。本文在分析前已進(jìn)行了數(shù)據(jù)的預(yù)處理,祛除了無效數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù),所以并不影響研究。

本文涉及的測點(diǎn)編號、名稱及其通道如表2所示。

表2 涉及測點(diǎn)的名稱及對應(yīng)通道

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集的信號包括工作信號和停機(jī)信號:工作時的振動信號是有明顯的幅值,而停機(jī)狀態(tài)下的振動信號幅值接近地毯值[17];對于溫度信號,工作狀態(tài)下減速箱既產(chǎn)熱又散熱,溫度信號呈現(xiàn)頻繁波動的形狀,而停機(jī)狀態(tài)下減速箱不產(chǎn)熱只散熱,則溫度信號是單調(diào)下降的。

振動信號與溫度信號的時序圖如圖3所示。

圖3 振動與溫度信號的時域圖

圓圈以外為工作狀態(tài)下的信號,圓圈以內(nèi)則是停機(jī)狀態(tài)下的信號。

由于現(xiàn)場存在環(huán)境噪聲等多種因素干擾,采集的數(shù)據(jù)并不都是完整的,為了提高數(shù)據(jù)分析與處理的準(zhǔn)確性和可靠性,需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理分為兩個階段:第一個階段處理毛刺,運(yùn)用采集系統(tǒng)自帶的功能進(jìn)行毛刺剔除;第二階段根據(jù)研究需要進(jìn)行處理,包括去除本底噪聲、清除空數(shù)據(jù)和信號平滑處理等。

本文通過系統(tǒng)編程清除空數(shù)據(jù),采用局部最小值法去除本底噪聲,對由量化誤差造成曲線抖動的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,得到較為平整光滑的信號。

平滑處理前后的溫度信號如圖4所示。

圖4 平滑處理前后的溫度信號

2.3 溫度擬合

筆者提取停機(jī)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合和非線性擬合。不同擬合模型對2011年4月9日至15日中停機(jī)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)的擬合情況,如圖5所示。

圖5 不同模型的擬合結(jié)果

4種擬合模型的擬合度如表3所示。

表3 4種不同模型的擬合度

由圖5及表3可以看出,Explinear指數(shù)模型的擬合效果最好。筆者選其作為減速箱的散熱溫度模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(6)

該模型的擬合參數(shù)如表4所示。

表4 Explinear模型擬合參數(shù)

筆者對選定的散熱溫度模型進(jìn)行可靠性驗證:將該模型對2009年至2015年間的停機(jī)散熱數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其中4組數(shù)據(jù)的擬合情況如圖6所示。

圖6 Explinear模型驗證

將擬合參數(shù)及誤差生成報告,如表5所示。

表5 4組驗證數(shù)據(jù)的擬合參數(shù)及誤差

由表5可以看出,選定的Explinear指數(shù)模型擬合效果良好,則將其作為散熱溫度模型符合減速箱停機(jī)散熱規(guī)律。

高春慧對減速箱的停機(jī)散熱建立集總熱容模型,對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到數(shù)學(xué)模型y=ea+bc+cx2,雖然擬合效果良好,但其只是對減速箱散熱模型的建立做了基礎(chǔ)性的工作,并沒有將擬合出的公式與實際影響散熱的因素對應(yīng)起來。由于篇幅原因,本文將不對兩個模型的具體對比進(jìn)行闡述,會在后續(xù)的研究中進(jìn)行完善。

2.4 停機(jī)散熱規(guī)律

結(jié)合停機(jī)散熱模型及擬合參數(shù)、誤差整合可以得到以下規(guī)律:

(1)上海港某岸橋起升減速箱的停機(jī)散熱溫度曲線呈指數(shù)衰減形式,其數(shù)學(xué)表達(dá)式基本符合式(6);(2)曲線擬合得到的Explinear指數(shù)模型的參數(shù)中,參數(shù)p4為負(fù)數(shù),參數(shù)p2的數(shù)量級在4個參數(shù)中最大;(3)在擬合過程中參數(shù)p2的誤差最大,說明p2對減速箱的停機(jī)散熱影響最大,其對應(yīng)于影響減速箱停機(jī)散熱的因素中最重要的因素;(4)從擬合曲線可以看出,停機(jī)狀態(tài)下減速箱的溫度先下降很快,當(dāng)下降到一定程度后,下降趨勢變得平緩,即減速箱散熱存在著先快后慢的規(guī)律。原因是運(yùn)行結(jié)束后,減速箱溫度較環(huán)境溫度高,所以其傳遞熱量的能力較強(qiáng),熱量散失較多,此時溫度下降較快;當(dāng)減速箱溫度下降到接近環(huán)境溫度時,由于溫差越來越小,傳遞熱量的能力也隨之變小,熱量散失較少,此時溫度下降趨勢變得平緩。

3 減速箱健康狀態(tài)快速劃分

減速箱正常工作時,散熱系統(tǒng)是健康的,此時散熱遠(yuǎn)大于產(chǎn)熱,停機(jī)時的溫度較低,即減速箱開始停機(jī)散熱的初始溫度較低;而當(dāng)減速箱出現(xiàn)故障時,散熱系統(tǒng)不能正常運(yùn)作,產(chǎn)生的熱量得不到良好散發(fā),停機(jī)時的溫度較高,即減速箱開始停機(jī)散熱的初始溫度較高。由此可得,減速箱的狀態(tài)與其停機(jī)散熱的初始溫度相關(guān)聯(lián),將其作為減速箱健康狀態(tài)快速劃分的依據(jù)。

基于停機(jī)散熱初始溫度的減速箱狀態(tài)快速劃分流程圖如圖7所示。

圖7 基于停機(jī)散熱初始溫度的減速箱狀態(tài)快速劃分流程

首先筆者進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理,然后提取停機(jī)散熱曲線的初始溫度,將所得的初始溫度繪制成變化趨勢圖,從圖中分析得到減速箱的健康狀態(tài)情況。李亞洲[18]通過振動信號的振動烈度熵將上海港某岸橋起升減速箱劃分為健康、亞健康、故障3種狀態(tài),并給出了對應(yīng)的時間段。

本文對2009年至2015年采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,提取每個月減速箱停機(jī)散熱時的初始溫度,并繪制初始溫度的變化趨勢圖,如圖8所示。

圖8 減速箱停機(jī)散熱初始溫度變化趨勢圖

從圖8中可以看出,減速箱停機(jī)散熱的初始溫度存在明顯的規(guī)律:2009年1月至2010年6月、2014年10月至2015年12月初始溫度較低,此時對應(yīng)健康狀態(tài);2014年1月至8月初始溫度較高,此時對應(yīng)故障狀態(tài);2010年7月至2013年12月初始溫度介于中間,此時對應(yīng)亞健康狀態(tài)。

減速箱健康狀態(tài)劃分結(jié)果如表6所示。

表6 減速箱健康狀態(tài)劃分結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于2009年至2015年期間現(xiàn)場采集的上海港某岸橋起升減速箱在停機(jī)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,構(gòu)建了岸橋起升減速箱的停機(jī)散熱模型,并對起升減速箱的健康狀態(tài)進(jìn)行了快速劃分;其主要過程如下:

(1)結(jié)合傳熱學(xué)原理及減速箱停機(jī)散熱機(jī)理,分析了影響減速箱停機(jī)散熱的因素,推導(dǎo)了散熱溫度模型;

(2)通過數(shù)據(jù)擬合、驗證得到了停機(jī)散熱的數(shù)學(xué)模型,歸納了減速箱的散熱規(guī)律,找出了對應(yīng)于影響減速箱散熱最重要因素的擬合參數(shù),為運(yùn)行狀態(tài)下減速箱的散熱系統(tǒng)狀態(tài)研究提供了指導(dǎo)意義;

(3)以減速箱停機(jī)散熱的初始溫度為判斷依據(jù),對減速箱進(jìn)行了健康、亞健康、故障3種狀態(tài)的快速劃分。

本文的研究結(jié)果可為后續(xù)的研究人員制定減速箱的故障診斷及維修保養(yǎng)方案提供參考。