淺析岸邊集裝箱起重機的壽命檢測系統

上海振華重工（集團）股份有限公司，上海，200125

摘 要：起重機作為特種設備之一，不當的過負荷使用或者維修保養不到位，往往會導致主要驅動機構及鋼結構疲勞損傷。通過采用一套壽命檢測系統對起重機上的傳感器進行數據采集、處理、直至報警輸出，保障了起重機的使用安全，延長了起重機的使用壽命。

關鍵詞：起重機；疲勞；檢測；應用

引言

岸邊集裝箱起重機是一種大型起重設備，其事故的發生將造成極其嚴重的后果。相關統計表明，起重機事故的發生多由對其的監管及維修保養不善引起，因此開發起重機的壽命檢測系統對減少起重機事故的發生、保證工業生產活動的正常進行具有重要的意義。

對起重機及其主要驅動機構進行壽命檢測，一方面能夠了解起重機的疲勞情況，從而做到對起重機適時的維護，維持其安全工作，使起重機盡可能地達到最大使用壽命；另一方面，也提醒維修保養人員對一些主要元器件進行及時的更換或維修，以保障起重機安全有效地工作。因此，本文將著重研究岸橋壽命檢測系統及其在起重機項目上的實際應用。

1岸橋壽命檢測系統的介紹

岸橋壽命檢測系統是一套基于岸邊集裝箱起重機疲勞損傷研究分析基礎上，對起重機上所安裝的傳感器進行數據采集，并對其進行整理分析，之后生成警告或報警。該系統既可以安裝在全新的岸橋上，也可以通過改造安裝在碼頭舊的岸橋上。它主要由數據采集、數據處理、報警輸出這3個部分組成。

1.1數據采集

1.1.1應力的采集

采集疲勞測點的應力是進行岸橋剩余壽命評估的數據基礎。應力的采集有兩種方法：一是通過在疲勞測點安裝應變片的直接測法；二是通過測量起重量以及小車在主梁上的位置等信息，使用力學的方法換算出測點應力的間接測法。此系統采用先期同時對起重機測點的應力進行直接測量和間接測量，然后使用神經網絡等模式識別的方法分析起重量、小車位置等信息跟測點應力間的關系，之后就可以通過間接測量起重量、小車位置等信息準確地得到測點的應力。這種方法可以兼顧直接測量的準確性和間接測量的便利性，同時也是起重機剩余壽命評估和安全監控相結合的合理性的最好證明。

1.1.2統計時間的采集

剩余壽命評估需要對某一段時間內的應力數據統計應力循環數，得到應力譜，然后對這段應力譜進行累積損傷計算，得到疲勞壽命為多少個這樣長度的時間。考慮到起重機是以周期性的循環方式進行工作的，因此統計時間可以選為一個工作周期。起重機每完成一次工作循環就對其進行一次壽命評估，得到的壽命就是多少次工作循環。至此，確定了統計時間的選取問題，即需要采集起重機每次工作循環的時間，而這可以通過與起重機上的PLC控制系統以及主機構電機工作時間表建立后進行數據采集并計算出已使用的工作循環數。

1.2數據處理

數據處理是整個系統的控制中心，它負責跟信號采集部分的各個模塊獲取實時數據。疲勞壽命、力矩頻譜因素、起重機的起升和疲勞周期的次數以及驅動機構操作的小時數是壽命檢測系統的主要參數。利用該系統的數據處理器對這些數據進行處理，最后將處理結果進行輸出。

在以上這些參數中，疲勞壽命是極其重要的參數。它是材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環數。采集了測點應力和起重機工作時間后，可以計算同結構部件疲勞積累損傷有關的一些結構和驅動機構參數。

（1）對一段工作周期時間內的應力數據使用雨流計數法統計應力循環數，記錄每個應力循環的應力變程；

（2）對每一個應力變程通過計算得到對應的疲勞壽命；

（3）對每一個疲勞壽命按式進行取倒數累加，再對累加值取倒數得到總的疲勞壽命；

（4）疲勞壽命減去已經歷的壽命即得到起重機鋼結構及驅動機構的剩余壽命；

（5）將這些參數存儲在存儲器中；

（6）通過光纜或者無線進行數據傳輸，將以上這些數據傳送到岸橋PLC控制系統中。

1.3報警輸出

壽命檢測系統生成了起重機及其主要驅動機構的疲勞壽命及其他一些參數。對碼頭岸橋起重機設備管理者來說，這些數據的及時跟進及處理是非常必要的，因為這個直接決定了一些主要元器件的更換時間表及起重機日常維修保養的側重點。設備管理者需設置相應的警告及報警閥值。

其中有一點需要特別指出的是，如果壽命檢測系統在起重機制造時期同步安裝，則系統提供的數據記錄代表該設備的所有操作從最初始開始。假如這套系統安裝在一臺運行了多年的岸橋上，那就得將之前幾年的歷史服務信息計入系統，過去的歷史服務可以通過額外建立疲勞審計來進行統計。

通常起重機上的報警通常分為兩類：一類是CMS系統警告。即利用岸橋上的CMS系統對一些參數超過警告閥值進行預警。此類報警通常危險系數較低，但也需維修人員引起注意及重視。另一類是聲光報警。即當參數超過報警閥值時，岸橋上安裝的聲光報警設備會發出強烈的聲音報警，并且發有燈光閃爍以提醒起重機司機和維修人員。此類報警通常危險系數中等，維修人員應引起格外重視，需對相關元器件及系統等進行必要的維修或更換。

2岸橋壽命檢測系統在岸橋上的應用

2.1岸橋壽命檢測系統的元件組成

為了永久地處理與起重機及其主驅動機構壽命相關的一些參數，此次壽命檢測系統的元器件主要選用了一些抗疲勞老化性能突出的產品，主要為TELEMECANIQUE品牌材料（施耐德電氣），包括：

（1）一個交流/直流的穩壓電源；

（2）一個數據收集及處理器，處理通過與橋吊控制系統建立而收到的安裝在起重機上的一些傳感器數據；

（3）一個模塊；

（4）一個程序存儲模塊和一個高壓縮數據存儲器；

（5）一個保存參數和結果的模塊；

（6）一個同岸橋上自動化以及PLC系統建立的接口（WIFI或光纜連接兩種選擇）；

（7）一個標準的IP55的控制柜，柜內安裝所有的以上元器件，該柜體既可以安裝在室內也適用于安裝在室外。

這套系統對起重機的操作沒有影響，不會對設備運行造成干擾或功能障礙。當內部或環境發生機能障礙時，其自主運行的功能足以保證其能進行自動診斷同時向司機發出警告。

內部功能出現機能障礙時也不改變計算結果和參數的存儲。

2.2岸橋壽命檢測系統的輸出

本系統從安裝在起重機上的不同傳感器上采集信息，利用這些信息的輸入來定義工作周期，真正的疲勞周期（包括結構元素的計算，在起升過程中導致壓力變化的各種操作事故）。同時通過計算，一方面，得到了一些重要參數，諸如起重機及驅動機構的疲勞率；另一方面，則是獲得了重建所需的和結構部件及組件相關的其他各種參數。

壽命檢測系統的輸出結果及參數實際有5種類型：

（1）一些需要了解的普通起重機及其驅動機構的損傷狀態：通過顯示器進行顯示；

（2）一些需要考慮的實際操作條件，例如極端的電纜張力，起升重量等。通過以上數據可以知道應力譜疲勞周期的因素和真實的疲勞周期；

（3）一些能啟動維護保養操作或條件控制的參數或結果；

（4）一些對起重機修復很有幫助的參數，同時在觸發事件的瞬間獲得寶貴的操作數據。即在事件發生的極短時間內，一些參數狀態的持續變化，諸如起重機起升過載、左右偏載、掛艙故障等。

壽命檢測系統的報警根據各個參數所設定的對應安全閥值來進行報警，系統可直接輸出至警報器進行報警，同時也將結果傳輸至起重機主PLC系統，在CMS系統中進行警告或報警，可以使維修保養人員清楚地了解具體問題，以便進行及時跟進處理。

3結語

本系統是一套獨立自主運行的系統，其不會對起重機控制系統進行干擾，同時也不受控制系統故障等影響，具有很高的安全性及穩定性。通過對傳感器的數據收集，分析處理得出一些重要參數，再對起重機鋼結構及主要驅動機構壽命進行評估，報警，增加了起重機的安全性，延長了起重機的使用壽命，對起重機領域的持續應用具有重要的借鑒意義。

參考文獻：

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[3]黃邢陳.橋式起重機安全監控與性能評估系統的研究與設計[D]. 上海交通大學，2015.

作者簡介：

陳明/男/1982年生/上海人/工程師/本科/研究方向為電氣系統在岸橋上的應用