一種抓斗式卸船機的在線監測系統設計

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備。根據檢測情況來看，由于前沿裝卸設備存在工況差、強度高、載荷大等一系列的作業特點，這些設備在安裝使用5 至10 年之后一般會出現較多的問題，如電機、齒輪箱、卷筒、聯軸器等傳動機構關鍵零部件的振動，鋼板出現彎曲和磨損現象，焊縫的銹蝕及開裂問題等等[1]。

對于設備的結構而言，港口大型機械的組成部分主要為鋼結構，在作業過程中需要經常性的移動和旋轉作業，因此對結構的受力要求非常高。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別，港機存在每次作業起升重量不一致的情況，這對機構造成了一定的疲勞損害[2]。所以對大型起重設備的周期性維護是十分必要的。

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

本文針對一種抓斗式卸船機進行研究，首先通過對其結構進行分析，確定其結構振動和結構受力的主要測點位置，并選用適當的傳感器。其次，針對抓斗式卸船機的特點，對其應力分析功能、振動分析功能、故障診斷功能、實時預警功能進行研究和設計，實現對抓斗式卸船機的全方位在線監測。

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”）的主要結進行有限元分析，通過對其結構建模并進行受力分析，選擇相應位置作為卸船機的整機結構應力檢測點位和結構振動監測點位，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構組成。當卸船機開始作業時，小車在兩條大梁中間做往復運動，不同的位置對整體結構受力的影響存在區別。通過前期大量現場檢測數據可以得到，當小車位于前限位時，整機結構受力最大。

首先，對卸船機進行建模，通過建立關鍵節點位置的坐標，并添加截面形狀數據，可以得到整機的模型，如圖1 所示。

圖1 卸船機整體機構模型

對整機進行網格劃分，根據卸船機承受的最大載荷，對結構的前限位位置添加50 t 載荷，對其進行總變形和應力的求解，得到的結果如圖2、3 所示。

圖2 卸船機總變形求解云

圖3 卸船機應力求解云

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力時，結構最大變形為0.17655 m，最大應力為160.82 MPa，基本符合結構受力的要求。其中，應力較大的位置有：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、海側大車等位置。根據有限元仿真的結果，對機構的監測點位以及易發生的故障進行分析。

1.2 整機結構應力監測分析

對卸船機整機結構進行監測，主要為了保證整體結構在最大載荷運行下，主要受力位置的應力值應低于結構材料的許用應力，保證作業過程安全運行[1]。卸船機主要存在以下幾種結構失效的類型：主要受力位置的焊縫發生銹蝕、負載過大導致結構變形、疲勞裂紋導致結構失穩、板厚過薄發生變形等等。

通過對其結構受力和易失效位置的分析，對卸船機監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 卸船機整機結構主要受力位置分布

1.3 整機振動監測分析

根據有限元分析的結果顯示，卸船機的大梁部分發生變形較大。因為在作業過程中小車不斷的往復運動，大梁為主要的受力結構，引起的振動現象也較為明顯。

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

（1）工頻故障，指的是傳動機構發生振動，對電機和齒輪箱的部件產生影響。

（2）電氣故障，指的是電機的定子和轉子產生磨損、疲勞、開裂、發熱等情況。

（3）機械故障，指的是電機、齒輪箱、軸等關鍵傳動零部件發生機械部分的損傷，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，在大梁和傳動機構上安裝傳感元器件，監測機構傳動部分的運行狀況，可以反映設備實時的運行狀態，及時發現故障部件并進行檢查維修。表2 是卸船機振動監測點位，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 個監測點位。

表2 卸船機整機結構主要振動位置分布

2 卸船機的在線監測系統設計

2.1 應力分析系統

卸船機的應力分析系統主要由應變片、數據采集儀、計算設備組成。通過在主要受力位置上固定好應變片和補償片，利用雙橋法布置采集設備在作業時鋼板的應變情況，通過計算可以得到該位置的應力實時變化情況[7]。對于在線監測而言，需要利用無線數據通信技術，將應變片采集的數據發送到計算設備上，并將數據進行實時展示。應力分析系統的主要功能如圖4 所示。

圖4 卸船機應力分析系統

2.2 振動分析系統

卸船機的振動系統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據的準確性和有效性。利用實時通信技術將數據實時傳送至計算設備時，通過對振動信號的時域波形進行分析，可以得到設備真實作業振動情況。振動分析系統的主要架構如圖5 所示。

2.3 故障診斷和實時預警系統

通過對卸船機應力分析系統和振動分析系統的數據進行后處理，可以實現對現場設備的故障診斷。對于應力分析系統而言，通過系統分析計算將鋼結構的應變數據轉化為應力數據，針對不同的時間段或者工況，分析監測位置的應力最大值和穩定值的比率，將比率與提前設定好的閾值數據進行比對，并對數據過大的位置進行故障診斷。對于振動分析系統而言，提前采集設備正常時的振動和溫度信號，通過比對現場振動信號與正常信號時域波形的區別，對其進行計算可以得到信號的頻率、振幅、加速度等數據，判斷設備已出現或預測未來可能出現的故障問題[8]。

當在線監測系統診斷出卸船機故障問題時，可對設備劃分不同等級的預警。設備預警主要分為狀態故障警報和未來預測警報兩種。狀態故障警報指的是目前采集的設備信號與正常信號比對已經出現問題，需要立即更換零部件或者對設備進行維修。未來預測警報指的是通過對采集信號進行分析，判斷設備即將可能出現的故障問題，對設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

3 結語

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