港口門座起重機機械健康監測研究

尹學成 李文豪 洪 亮

連云港港口控股集團有限公司

1 引言

門座起重機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備，但長期處于高負荷、高利用率狀況，實際工況惡劣。近年來，25 t以上大型港口門座起重機結構故障頻發，如何監測門座起重機在服役期間的結構健康，已成為保障起重機械安全、長周期運行的關鍵。

結構健康監測是利用安裝在結構上的先進傳感器，在線實時獲取與結構健康狀況相關的信息，結合先進的信號處理方法，提取結構損傷特征參數，識別結構的健康狀況，在早期就加以控制以消除安全隱患，避免安全事故發生[1]。目前，對港口門座起重機金屬結構進行實時監測的成功案例很少。在開發高效快速的港口裝卸機械狀態監控系統方面，工業發達國家處于主導地位，但這些技術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定進行在線監測的系統相對缺乏[2]。

2 系統主要組成

2.1 系統綜述

起重機機械狀態健康監測與評估系統運用有限元法、光纖光柵傳感測試技術、振動傳感技術、無線通信技術以及計算機軟件開發技術，具有動態實時跟蹤功能、狀態變化趨勢預警功能、遠程可控的“黑匣子”功能、單機評價標準庫管理和趨勢變化的狀態健康分析功能。系統可對起重機的金屬結構與運行機構的動力性能實時監測、控制、評估和管理，為設備的日常健康管理、使用可靠性提高和結構“報廢-改造-續用”后期決策提供現場數據資料，確保設備安全運行。

結構和機構監測并入起重機安全監控系統中，作為系統對結構和機構實時在線監測的重要組成部分。系統能夠采集監測部位數據曲線，準確顯示問題部位，初步分析問題原因，記錄發生時間，使設備管理人員能夠實時掌握門座起重機工作情況，實現重要結構和機構故障預警，同時該數據能為門座起重機的管理、維保以及結構優化設計提供科學的數據支持。系統采用光纖光柵傳感技術，環境適應性強，能夠很好地適應門座起重機的惡劣工作環境，滿足搭建長期監測系統的需求。

2.2 振動和噪聲監控報警系統

此項目采用振動監測法實時采集四連桿機構鉸點及起升、回轉、變幅三大機構減速箱輸入和輸出軸端運行噪聲和振動，截取正常作業時的特征曲線和峰值作為標準，設定一定的安全系數，當超過安全標準時，系統報警，顯示報警部位。由于減速箱多處于變轉速工況，因此需增加轉速傳感器進行轉速實時測量。由于起重機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，并且設備表面溫度較高，故本系統采用耐高溫加速度傳感器，實現監控部位作業曲線特征的有效采集。檢測點的選取位置見圖1。

1.起升機構高速軸 2.起升機構低速軸 3.回轉機構高速軸 4.回轉機構低速軸 5.變幅機構高速軸 6.變幅機構低速軸 7.搖架軸承 8.大拉桿與人字架連接鉸點 9.大拉桿與象鼻梁連接鉸點 10.象鼻梁與大臂架連接鉸點 11.大臂架與轉臺連接鉸點圖1 振動、噪聲測點示意圖

2.3 結構應力在線監測系統

結構應力在線監測系統可實時采集四連桿機構、人字架等金屬結構關鍵點作業中應力變化曲線，在線監測結構的損傷狀態，預測結構可能的失效形式，揭示結構破壞失效的機理，為門座起重機金屬結構主體的金屬疲勞研究提供依據。

項目選用基于應變的光纖光柵傳感采集技術，實現關鍵金屬結構部位作業中應力變化特征的有效采集。光纖光柵傳感監測技術是一種新型的結構監測技術,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點,是結構局部健康監測最理想的智能傳感元件之一。它可以直接或間接監測應變、溫度、裂縫、位移、振動、腐蝕、應力等物理量，能夠很好的適應門座起重機的惡劣工作環境，并且能夠滿足搭建長期監測系統的需求。

檢測點選取位置為象鼻梁上4點，大臂架上2點，大拉桿上1點，平衡梁上2點，轉柱上4點(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部位 4.象鼻梁與大拉桿鉸點部位 5.大拉桿中間位置下蓋板 6.平衡梁與人字架連接鉸點 7.平衡梁與小拉桿連接鉸點 8.大臂架與小拉桿連接鉸點 9.大臂架根部連接鉸點 10.人字架與轉臺連接部位(前左) 11.人字架與轉臺連接部位(前右) 12.人字架與轉臺連接部位(后左) 13.人字架與轉臺連接部位(后左)圖2 應力測點示意圖

3 實施方案

3.1 應力監測方案

首先運用有限元軟件對門座起重機結構進行分析，得到起重機整機結構的應力分布情況，識別出其中結構易損位置(應力過大處以及應力循環嚴重處)。隨后在門座起重機整體關鍵位置以及局部易損傷位置布置光纖光柵傳感器，一方面可以監測整體結構的實時特性，同時還能重點監測易損傷位置，保證整體結構和局部破壞都能夠被及時監測到，提高系統的可靠性。光纖光柵傳感器監測數據不同于電阻應變片的“測點監測”，能夠得到布置位置沿傳感器方向一段距離的連續應變。將光纖傳感器監測的光學信號通過信號分析處理單元進行處理得到數字信號。光纖光柵傳感技術是通過對在光纖內部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測，實現被測結構的應變和溫度量值的絕對測量。

3.2 震動監測方案

通過對減速箱關鍵部位振動數據采集、分析診斷，實時掌握減速箱運行情況，及時指導維修、維護，保證系統安全平穩運行。綜合分析減速箱結構特點及振動傳遞路徑后，選擇各轉動軸軸承處正上方位置作為振動主監測點。另在高速軸水平方向安裝傳感器測量水平振動情況，同時在高速軸鍵槽處安裝1個轉速傳感器用于速度的實時測量。

3.3 數據分析軟件

通過在線監測軟件對數據進行解碼，從而轉換為用戶容易識別和理解的直觀數據或圖像。在線監測軟件由監測工作站的主機負責運行，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位置、設備位置及編號等信息，記錄與工程相關的信息，便于傳感器的管理。

(2)數據統計與分析，可以顯示實時監控的數據，也可將歷史數據調出進行顯示，或對幾種參數同時進行顯示分析；進行數據過濾、數據壓縮、數據分類等功能，為后續的自動分析和人工分析提供良好的數據源。

(3)安全評估與危險預警，對處于危險狀況的結構受力和機構振動進行重點提示。預警預報分為兩類：第一種是緊急警報，當監測到的結構應力水平或機構振動狀況超過許用安全極限，監測軟件發出緊急警報；第二種是警告，當監測的結構應力水平接近極限值或機構振動狀況接近允許最大值，監測軟件發出警告，提示用戶提高警惕。

4 結語

該系統可對大型鋼結構、重要機構進行實時動態監測，有效預防大型設備故障產生，提前進行故障干預，年節省維修成本約20萬元/臺。可以減少操作設備檢查維護人員的工作強度，給維護帶來極大的方便，且可以隨時監視設備的運行狀況，提高裝卸效率。這將顯著改善門座起重機的監管現狀，提高設備管理的現代化水平。