□李學(xué)鋆 □李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院重慶400074

港口門(mén)機(jī)在線監(jiān)測(cè)方法分析*

□李學(xué)鋆 □李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院重慶400074

概述了港口門(mén)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，以金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)為重點(diǎn)分析了門(mén)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(cè)方法與信號(hào)采集處理方案。

港口門(mén)機(jī)是港口三大機(jī)械之一，簡(jiǎn)稱門(mén)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(dòng)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(mén)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(mén)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(cè)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(mén)機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中出現(xiàn)的故障情況，制定監(jiān)測(cè)方案。門(mén)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(dòng)機(jī)、齒輪箱、鋼絲繩等，同時(shí)也會(huì)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(mén)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

港口門(mén)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要任務(wù)是信號(hào)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(hào)采集是應(yīng)用傳感器采集相應(yīng)的特征參量信號(hào)。具體包括：電阻應(yīng)變片采集應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；接觸式電阻溫度傳感器采集溫度信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出；振動(dòng)傳感器將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

信號(hào)預(yù)處理主要是將信號(hào)采集部分所采集到的信號(hào)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(duì)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(duì)電壓或電流信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、滿度值調(diào)節(jié)、自動(dòng)平衡后，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸至下一個(gè)部分。

信號(hào)處理的任務(wù)是接收上一部分傳輸?shù)男盘?hào)，提取信號(hào)中的特征參量，對(duì)參量進(jìn)行分析比對(duì)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。這一過(guò)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(hào)。

2 門(mén)機(jī)的主要檢測(cè)內(nèi)容

港口門(mén)機(jī)的主要檢測(cè)內(nèi)容包括金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)等。

2.1 金屬結(jié)構(gòu)件

港口門(mén)機(jī)的大部分結(jié)構(gòu)，如懸臂系統(tǒng)、人字架、轉(zhuǎn)臺(tái)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(guò)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(huì)引起失效?？梢愿鶕?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(cè)試點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集，將信號(hào)處理結(jié)果與預(yù)置值比對(duì)，判定構(gòu)件的受力狀況。

為了達(dá)到在線監(jiān)測(cè)的目的，防止出現(xiàn)構(gòu)件斷裂失效、構(gòu)件變形過(guò)大、焊縫破壞及肋板失效等，可以通過(guò)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(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)采集部分由測(cè)量電橋和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀組成。測(cè)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(dòng)態(tài)應(yīng)變儀則能完成對(duì)電橋盒輸出信號(hào)與內(nèi)置電路壓電振動(dòng)傳感器的調(diào)理、預(yù)處理和采樣，并傳送至計(jì)算機(jī)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀包含放大器、濾波器、滿度值調(diào)節(jié)、自動(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變儀系統(tǒng)框圖

文獻(xiàn)[2]提出了定量檢測(cè)梁類結(jié)構(gòu)多裂紋參數(shù)法，從動(dòng)力學(xué)入手，利用小波檢測(cè)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(duì)焊縫裂紋進(jìn)行識(shí)別和定位，結(jié)合壓電阻抗法和有限元仿真軟件對(duì)焊縫鋼板進(jìn)行諧響應(yīng)分析，用RDSM（結(jié)構(gòu)在無(wú)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(shí)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(cè)、紅外線成像檢測(cè)、金屬磁記憶檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

2.2 鋼絲繩

在港口門(mén)機(jī)的服役過(guò)程中，過(guò)載會(huì)引起鋼絲繩斷裂，過(guò)大或長(zhǎng)期交變載荷會(huì)引起變形過(guò)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(cè)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(hào)處理后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并基于特征參量的參考值監(jiān)測(cè)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(cè)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(mén)機(jī)鋼絲繩的在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了參考。

2.3 齒輪箱

港口門(mén)機(jī)中的齒輪箱或齒輪齒條組承擔(dān)著傳遞動(dòng)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(cè)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(huì)形成周期性脈沖信號(hào)與周期性沖擊的嚙齒振動(dòng)，可在其輸入與輸出軸承座附近分別設(shè)置一個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，以獲取振動(dòng)信號(hào)。對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并與標(biāo)準(zhǔn)曲線比對(duì)，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(duì)識(shí)別故障狀態(tài)的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法進(jìn)行了深入研究，通過(guò)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(cè)中取得了有效的應(yīng)用。

2.4 電動(dòng)機(jī)

利用電動(dòng)機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生熱量并導(dǎo)致溫升的現(xiàn)象，可在港口門(mén)機(jī)起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)機(jī)殼對(duì)稱布置溫度傳感器，提取電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的連續(xù)溫度信號(hào)，將其傳輸并處理后進(jìn)行分析比對(duì)。一般在開(kāi)機(jī)1 h左右，電動(dòng)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(dòng)機(jī)相連的減速箱箱體上可布置振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提取振動(dòng)特征參量。電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷流程如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷流程圖

文獻(xiàn)[6]對(duì)某一信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換，獲得其共軛信號(hào)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子故障在線監(jiān)測(cè)與診斷方法，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，在電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)中可以更精確地定位電動(dòng)機(jī)故障。此外，電動(dòng)機(jī)電壓、電流、負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也必不可少，可以防止過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載、短路、過(guò)熱、斷相等問(wèn)題導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障或電氣故障，這些故障會(huì)使電動(dòng)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(mén)機(jī)回轉(zhuǎn)支承件的故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，通過(guò)特征參量的分析完成了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為回轉(zhuǎn)支承件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了參考。

文獻(xiàn)[8]提出了表征轉(zhuǎn)軸動(dòng)載特性的參量——?jiǎng)虞d波動(dòng)系數(shù)，導(dǎo)出了數(shù)學(xué)表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，為門(mén)機(jī)其它受載復(fù)雜旋轉(zhuǎn)支承件動(dòng)態(tài)載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)，提出了運(yùn)用油液靜電傳感器在線監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的方法。文獻(xiàn)[10]基于濾膜淤積的恒功率測(cè)量法，針對(duì)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(cè)提供了可行性方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

以包括金屬結(jié)構(gòu)件、鋼絲繩、齒輪變速箱、電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的港口門(mén)機(jī)基本零部件為分析對(duì)象，闡述了易出現(xiàn)故障的零部件，以及對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案與信號(hào)采集方法[11-14]。金屬結(jié)構(gòu)件的監(jiān)測(cè)主要通過(guò)采集應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟、成本低，但采集的信號(hào)容易受到干擾，并在傳輸過(guò)程中容易出現(xiàn)削弱。鋼絲繩在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集對(duì)象是張力和張力差，信號(hào)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(cè)時(shí)對(duì)提取的各部位信號(hào)進(jìn)行分析，為了防止溫度傳感器出現(xiàn)信號(hào)采集延遲，加入振動(dòng)信號(hào)特征量的監(jiān)測(cè)與提取，提高精確度。電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)時(shí)除了對(duì)振動(dòng)、溫度信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)提取外，還需要對(duì)電壓、電流、負(fù)載等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

從港口門(mén)機(jī)的基本零部件著手研究其在線檢測(cè)方法，可以將問(wèn)題系統(tǒng)化，便于實(shí)現(xiàn)門(mén)機(jī)的在線監(jiān)測(cè)，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(mén)機(jī)；在線監(jiān)測(cè)

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(hào)：CSTC2015yfpt_zdsys30001）；重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：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(cè)