張 揚，沈超宇，康文堅，張攀攀，鄒如鳳，張厚釵

（1.福建華電儲運有限公司，福建 福州 350512；2.交通運輸部水運科學研究院，北京 海淀 100088）

0 引言

我國集裝箱碼頭自動化程度較高，但是散貨碼頭的自動化還有待發(fā)展。對于干散貨碼頭而言，通常采用門式起重機、卸船機、裝船機等大型機械作為主要的碼頭前沿裝卸設(shè)備。根據(jù)檢測情況來看，由于前沿裝卸設(shè)備存在工況差、強度高、載荷大等一系列的作業(yè)特點，這些設(shè)備在安裝使用5 至10 年之后一般會出現(xiàn)較多的問題，如電機、齒輪箱、卷筒、聯(lián)軸器等傳動機構(gòu)關(guān)鍵零部件的振動，鋼板出現(xiàn)彎曲和磨損現(xiàn)象，焊縫的銹蝕及開裂問題等等[1]。

對于設(shè)備的結(jié)構(gòu)而言，港口大型機械的組成部分主要為鋼結(jié)構(gòu)，在作業(yè)過程中需要經(jīng)常性的移動和旋轉(zhuǎn)作業(yè)，因此對結(jié)構(gòu)的受力要求非常高。此外，由于貨物類型不一致和每次人工操作動作的方式存在一定區(qū)別，港機存在每次作業(yè)起升重量不一致的情況，這對機構(gòu)造成了一定的疲勞損害[2]。所以對大型起重設(shè)備的周期性維護是十分必要的。

大型起重機械設(shè)備的維護主要分為兩類：第一類是主動式維護，指的是設(shè)備出現(xiàn)故障之后進行相應(yīng)的維修，但存在效果差、延誤作業(yè)、成本高的缺點；第二類是被動式維護，指的是提前對設(shè)備關(guān)鍵零部件的振動、溫度、受力等情況進行在線監(jiān)測，通過對監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進行分析，可以預知設(shè)備的內(nèi)部故障情況并對其進行提前檢修，避免未來發(fā)生影響作業(yè)的故障[3，4]。

本文針對一種抓斗式卸船機進行研究，首先通過對其結(jié)構(gòu)進行分析，確定其結(jié)構(gòu)振動和結(jié)構(gòu)受力的主要測點位置，并選用適當?shù)膫鞲衅鳌Ｆ浯?，針對抓斗式卸船機的特點，對其應(yīng)力分析功能、振動分析功能、故障診斷功能、實時預警功能進行研究和設(shè)計，實現(xiàn)對抓斗式卸船機的全方位在線監(jiān)測。

1 卸船機的受力分析和主要的故障類型

對抓斗式卸船機（以下簡稱“卸船機”）的主要結(jié)進行有限元分析，通過對其結(jié)構(gòu)建模并進行受力分析，選擇相應(yīng)位置作為卸船機的整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測點位和結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測點位，并對其故障類型進行分析。

1.1 卸船機受力分析

卸船機的整體主要由大車、門腿梁、橫梁、斜圓梁、梯形梁、大梁、斜拉桿等主要受力結(jié)構(gòu)組成。當卸船機開始作業(yè)時，小車在兩條大梁中間做往復運動，不同的位置對整體結(jié)構(gòu)受力的影響存在區(qū)別。通過前期大量現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)可以得到，當小車位于前限位時，整機結(jié)構(gòu)受力最大。

首先，對卸船機進行建模，通過建立關(guān)鍵節(jié)點位置的坐標，并添加截面形狀數(shù)據(jù)，可以得到整機的模型，如圖1 所示。

圖1 卸船機整體機構(gòu)模型

對整機進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)卸船機承受的最大載荷，對結(jié)構(gòu)的前限位位置添加50 t 載荷，對其進行總變形和應(yīng)力的求解，得到的結(jié)果如圖2、3 所示。

圖2 卸船機總變形求解云

圖3 卸船機應(yīng)力求解云

通過對上圖進行分析可以得知：當整機在前限位受到最大載荷的應(yīng)力時，結(jié)構(gòu)最大變形為0.17655 m，最大應(yīng)力為160.82 MPa，基本符合結(jié)構(gòu)受力的要求。其中，應(yīng)力較大的位置有：大梁上翼板靠近前拉桿處、大梁上翼板靠近后拉桿處、前拉桿根部、前拉桿頂部、海側(cè)大車等位置。根據(jù)有限元仿真的結(jié)果，對機構(gòu)的監(jiān)測點位以及易發(fā)生的故障進行分析。

1.2 整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測分析

對卸船機整機結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，主要為了保證整體結(jié)構(gòu)在最大載荷運行下，主要受力位置的應(yīng)力值應(yīng)低于結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力，保證作業(yè)過程安全運行[1]。卸船機主要存在以下幾種結(jié)構(gòu)失效的類型：主要受力位置的焊縫發(fā)生銹蝕、負載過大導致結(jié)構(gòu)變形、疲勞裂紋導致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、板厚過薄發(fā)生變形等等。

通過對其結(jié)構(gòu)受力和易失效位置的分析，對卸船機監(jiān)測的主要受力位置進行布點，主要分別在大機的大梁、前拉桿、梯形梁、門腿處等位置，共計11 個點位，見表1。

表1 卸船機整機結(jié)構(gòu)主要受力位置分布

1.3 整機振動監(jiān)測分析

根據(jù)有限元分析的結(jié)果顯示，卸船機的大梁部分發(fā)生變形較大。因為在作業(yè)過程中小車不斷的往復運動，大梁為主要的受力結(jié)構(gòu)，引起的振動現(xiàn)象也較為明顯。

卸船機的傳動機構(gòu)部分主要指的是電機、齒輪箱、軸等一些傳遞扭矩的構(gòu)件。對于卸船機的傳動部分，通常出現(xiàn)的故障主要包括：

（1）工頻故障，指的是傳動機構(gòu)發(fā)生振動，對電機和齒輪箱的部件產(chǎn)生影響。

（2）電氣故障，指的是電機的定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磨損、疲勞、開裂、發(fā)熱等情況。

（3）機械故障，指的是電機、齒輪箱、軸等關(guān)鍵傳動零部件發(fā)生機械部分的損傷，如摩擦磨損、配合松動、零部件斷裂等等[5，6]。

通過利用振動加速度傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、音頻傳感器等一系列元件，在大梁和傳動機構(gòu)上安裝傳感元器件，監(jiān)測機構(gòu)傳動部分的運行狀況，可以反映設(shè)備實時的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障部件并進行檢查維修。表2 是卸船機振動監(jiān)測點位，主要分布在大機的大梁、前拉桿、卷筒、齒輪箱和電機等位置，共計12 個監(jiān)測點位。

表2 卸船機整機結(jié)構(gòu)主要振動位置分布

2 卸船機的在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 應(yīng)力分析系統(tǒng)

卸船機的應(yīng)力分析系統(tǒng)主要由應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集儀、計算設(shè)備組成。通過在主要受力位置上固定好應(yīng)變片和補償片，利用雙橋法布置采集設(shè)備在作業(yè)時鋼板的應(yīng)變情況，通過計算可以得到該位置的應(yīng)力實時變化情況[7]。對于在線監(jiān)測而言，需要利用無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，將應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算設(shè)備上，并將數(shù)據(jù)進行實時展示。應(yīng)力分析系統(tǒng)的主要功能如圖4 所示。

圖4 卸船機應(yīng)力分析系統(tǒng)

2.2 振動分析系統(tǒng)

卸船機的振動系統(tǒng)功能主要指的是在電機、卷筒、齒輪箱、軸上安裝高頻振動加速度傳感器、低頻振動加速度傳感器、溫度傳感器等元器件，通過采用柱頭螺釘式的安裝方法，可以保證元器件采集數(shù)據(jù)的準確性和有效性。利用實時通信技術(shù)將數(shù)據(jù)實時傳送至計算設(shè)備時，通過對振動信號的時域波形進行分析，可以得到設(shè)備真實作業(yè)振動情況。振動分析系統(tǒng)的主要架構(gòu)如圖5 所示。

2.3 故障診斷和實時預警系統(tǒng)

通過對卸船機應(yīng)力分析系統(tǒng)和振動分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行后處理，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷。對于應(yīng)力分析系統(tǒng)而言，通過系統(tǒng)分析計算將鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力數(shù)據(jù)，針對不同的時間段或者工況，分析監(jiān)測位置的應(yīng)力最大值和穩(wěn)定值的比率，將比率與提前設(shè)定好的閾值數(shù)據(jù)進行比對，并對數(shù)據(jù)過大的位置進行故障診斷。對于振動分析系統(tǒng)而言，提前采集設(shè)備正常時的振動和溫度信號，通過比對現(xiàn)場振動信號與正常信號時域波形的區(qū)別，對其進行計算可以得到信號的頻率、振幅、加速度等數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備已出現(xiàn)或預測未來可能出現(xiàn)的故障問題[8]。

當在線監(jiān)測系統(tǒng)診斷出卸船機故障問題時，可對設(shè)備劃分不同等級的預警。設(shè)備預警主要分為狀態(tài)故障警報和未來預測警報兩種。狀態(tài)故障警報指的是目前采集的設(shè)備信號與正常信號比對已經(jīng)出現(xiàn)問題，需要立即更換零部件或者對設(shè)備進行維修。未來預測警報指的是通過對采集信號進行分析，判斷設(shè)備即將可能出現(xiàn)的故障問題，對設(shè)備的使用情況進行預警。如圖6 所示，是故障診斷和實時預警功能的分析流程圖。

圖6 卸船機故障診斷和實時預警系統(tǒng)

3 結(jié)語

本文通過對抓斗式卸船機進行建模和有限元分析，結(jié)果顯示當小車進行作業(yè)時整機大梁、前拉桿及梯形梁處應(yīng)力值較大，針對其結(jié)構(gòu)特點對其應(yīng)力測點和振動測試的點位進行布置。通過對其在線監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，分析應(yīng)力分析子系統(tǒng)、振動分析子系統(tǒng)、故障診斷和實時預警子系統(tǒng)的特點和應(yīng)具備的功能，并對其分析流程進行設(shè)計。通過在線監(jiān)測，可以及時掌握卸船機的設(shè)備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障問題以及對未來可能出現(xiàn)的故障進行預測，為港口的安全穩(wěn)定運行提供了保障。