橋式抓斗卸船機在線狀態監測及故障預警研究

王伯鴻， 王定華

（杭州華新機電工程有限公司， 浙江 杭州 310030）

引言

現階段在港口散料接卸過程中，最不可缺少的機械設備之一就是橋式抓斗卸船機，該設備主要使用傳統的抓斗開閉的方式，并配合設備升降模式開展卸船作業。由于抓斗卸船機在工作的過程中，對船舶與貨物具有較強的適應性，能夠有效避免水浪的不良影響，同時還具有較強的穩定性，對整個企業生產有著非常重要的作用。為了能夠有效避免卸船機在工作中產生的故障，就必須要加大故障預測力度，創新預測方法，從而讓預警研究變得更加有理論指導性，有效降低事故發生率。

1 橋式抓斗卸船機產生故障的原因

當橋式抓斗卸船機在正常工作過程中，經常會出現一些故障，這些故障如果按照不同性質進行分析，可以將其分為關聯故障與非關聯故障[1]。對于關聯故障來說，主要指的是橋式抓斗卸船機在相關的規定條件下進行運作，由于自身所存在的固有缺陷性，進而引起的故障，這類故障主要包含工作速度、起升高度、噪聲等內容。通常情況下，如果橋式抓斗卸船機金屬結構所產生的承載能力故障，主要原因為結構件出現裂紋、主梁下繞、振動過大、發生塑性變形等問題；如果橋式抓斗卸船機各機構運動鏈上零部件引起機械設備運行故障，其原因可能為失效、斷裂、磨損等問題；如果是電氣設備不正常運行做造成的停車故障，那么很有可能是因為電機損壞、控制元件失靈、操縱失控等原因所致。對于非關聯故障來說，主要指的是在維修過程中出現不恰當、誤用或者因為一些外界不良因素所造成的故障。

對于橋式抓斗卸船機的故障模式來說，具有復雜多樣的特點，并且不同故障之間的差別也比較大，通過對一些現場故障現象進行分析與研究，總結了卸船機主要故障類型主要有五種，即主梁故障、軌道故障、減速器故障、電機故障與制動器故障，這些故障的發生從側面也反映出了卸船機的機械狀態，并且每一種故障所產生的原因也存在較大的差異性[2]。

2 橋式抓斗卸船機狀態監測研究

2.1 整機在線監測

該檢測方案主要目的是橋式抓斗卸船機在運作的過程中，能夠對其運行狀態進行全面的監控。通過對狀態檢測系統所提供的時間與運行速度進行科學分析，選用了37 個最能代表卸船機設備狀態的檢測參量，并將這些監測點按照位置的不同分成了五組，具體為：第一組主要用來監測小車運行系統；第二組主要用來檢測設備變幅系統；第三組用來檢測大車運行系統；第四組用來檢測大梁和門架等振動情況；第五組用來檢測金屬結構應力[3]。

2.2 小車系統定期狀態監測

該檢測方案主要是通過橋式抓斗卸船機運行狀態，來對小車系統進行定期檢測。按照小車和系統所運行的特點不同，可以將其分為四種工作工況。

2.2.1 抓斗空載下降工況

該工作工況主要是利用開閉鋼絲繩的方式，讓抓斗處于放松的狀態下進行敞開，通常情況下，抓斗最大可以向外延伸至36 m，軌上的高度可以高達27 m，在這一過程中，抓斗自身所承受的拉力都來自于升降鋼絲繩，當升降鋼絲繩與開閉鋼絲繩被勻速釋放后，抓斗將會自然地進行敞開，并緩慢地進行降落，一直下降到船舶的貨攤上面。

2.2.2 空斗取貨工況

當空斗處于一種敞開狀態下落到貨物上時，需要將升降鋼絲繩放松一小節，其目的是讓升降鋼絲繩進入微松狀態，當空斗受自身重力影響，下顎齒將會直接插入貨物中，這個時候要讓升降鋼絲繩保持不運作，將開閉鋼絲繩進行收縮，以此來完成閉合抓斗抓取物料的工作。

2.2.3 滿斗回升工況

當下顎齒要發生閉合，這時需要開啟升降鋼絲繩與開閉鋼絲繩，讓兩者一起進行收縮，這樣能夠讓抓斗在緊閉狀態下得到有效回升。如果滿斗是在離開貨物的前期，抓斗自身所承擔的重量由開閉鋼絲繩承受，在此基礎上，隨著滿載抓斗的繼續上升過程，再逐漸形成升降、開閉鋼絲繩的均衡負載。當小車往回收縮時，需要同時把抓斗進行升起，以此來有效確保抓斗曲線提升過程中，不會出現抓斗搖擺的情況。

2.2.4 開斗卸貨工況

當橋式抓斗卸船機與卸料口的位置比較接近時，小車系統需要緊急制動，此時盡可能地去使用抓斗慣性來進行拋料。如果滿斗處于卸料口的上方，則需要快速松開開閉鋼絲繩。通常情況下，這時的抓斗重量需要由升降鋼絲繩來承擔，抓斗通過貨物重力的不斷驅使下，會自動把滿斗敞開，然后把散貨拋落到卸料口。

通過定期檢測按照以上四種工況對小車系統進行狀態檢測，將獲取到的檢測數據做出特征提煉，可以獲取到9 個卸船機設備狀態的特征參量，這9 個特征參量分別是振動速度的方根幅值、均方根值、偏態指標、方差指標、峭峰指標、波度指標、峰值指標、脈動指標、裕度指標。此外，在卸船機小車系統主要位置處，選用了23 個最能代表卸船機設備狀態的傳感測點，這些傳感測點按照檢測點為主的不同分成了三組，具體為：第一組主要用來監測驅動電機、減速器的振動；第二組主要用來檢測金屬結構系統中大梁、小門架及軌道上的振動與沖擊；第三組主要用來檢測大梁、小門架等金屬結構的受力情況。

3 橋式抓斗卸船機故障預警研究

通過對橋式抓斗卸船機狀態監測進行研究，開發橋式抓斗卸船機故障預警系統可以分成四個模塊，即預警分析、數據庫、預警評價與發布、預控及響應。

3.1 預警分析

對于預警分析模塊來說，在抓斗卸船機故障預警系統中，是最關鍵的一個模塊[4]。其主要是根據監測數據與以往的故障數據庫，采用科學有效的預測方法，來對卸船機即將要發生的一些故障進行預測分析，進而更好地做出合理的預判。此外，再結合人力、物力以及經濟實力，進而制定一套完整的解決方案，預警分析模塊的高效運行，在很大程度上保障了整個預警系統的高效運行。

3.2 數據庫

對于數據庫模塊而言，是抓斗卸船機故障預警系統的基礎。其主要為檢測系統中的硬件部分，在抓斗卸船機系統中，通過一些傳感器、應力片及儀表設備等硬件設備，來有效收集卸船機中所包含的基本信息、運行信息以及故障信息等內容。同時，將所獲取到的檢測數據利用無線傳輸的方式，有效儲存到硬盤中[5]。

3.3 預警評價與發布

通過預警評價與發布模塊在抓斗卸船機故障預警系統中的應用，能夠更好地將故障信息進行定量化與條理化，也能夠更加有利于及時去發布相關信息。使用該模塊除了能幫助工作人員及時地對即將發生的故障進行分級，還能夠快速且準確地發出警告，以引起工作人員注意，及時確認并排除故障。

3.4 預控及響應

預控及響應模塊主要指的是根據卸船機即將發生故障的預測與評價狀況，所采取的一些有效處理措施，或者是應急預案。使用該模塊在抓斗卸船機故障預警系統的應用，能有效避免故障發生，盡可能地減少一些不必要的經濟損失與不良影響。此外，在預控及響應模塊中，還需要結合預警的級別與內容，快速完成卸船機故障處理準備，讓卸船機系統得以正常運行。

4 結語

現階段，隨著橋式抓斗卸船機的廣泛使用，在一定程度上促進了狀態監測技術為基礎的設備故障預警發展與應用，這對于卸船機運作的安全、可靠性都有著較大的幫助。本文主要以橋式抓斗卸船產生故障的原因作為研究背景，研究了狀態監測以及卸船機故障預警系統，對于有效降低卸船機故障發生率有重要意義。