港口门座起重机机械健康监测研究

尹学成 李文豪 洪 亮

连云港港口控股集团有限公司

1 引言

门座起重机已被各大港口普遍使用，成为船舶与码头前沿之间装卸的主要设备，但长期处于高负荷、高利用率状况，实际工况恶劣。近年来，25 t以上大型港口门座起重机结构故障频发，如何监测门座起重机在服役期间的结构健康，已成为保障起重机械安全、长周期运行的关键。

结构健康监测是利用安装在结构上的先进传感器，在线实时获取与结构健康状况相关的信息，结合先进的信号处理方法，提取结构损伤特征参数，识别结构的健康状况，在早期就加以控制以消除安全隐患，避免安全事故发生[1]。目前，对港口门座起重机金属结构进行实时监测的成功案例很少。在开发高效快速的港口装卸机械状态监控系统方面，工业发达国家处于主导地位，但这些技术大部仍以巡检或离线方式为主，真正能在港口露天、盐雾、重载等恶劣工作条件下长期稳定进行在线监测的系统相对缺乏[2]。

2 系统主要组成

2.1 系统综述

起重机机械状态健康监测与评估系统运用有限元法、光纤光栅传感测试技术、振动传感技术、无线通信技术以及计算机软件开发技术，具有动态实时跟踪功能、状态变化趋势预警功能、远程可控的“黑匣子”功能、单机评价标准库管理和趋势变化的状态健康分析功能。系统可对起重机的金属结构与运行机构的动力性能实时监测、控制、评估和管理，为设备的日常健康管理、使用可靠性提高和结构“报废-改造-续用”后期决策提供现场数据资料，确保设备安全运行。

结构和机构监测并入起重机安全监控系统中，作为系统对结构和机构实时在线监测的重要组成部分。系统能够采集监测部位数据曲线，准确显示问题部位，初步分析问题原因，记录发生时间，使设备管理人员能够实时掌握门座起重机工作情况，实现重要结构和机构故障预警，同时该数据能为门座起重机的管理、维保以及结构优化设计提供科学的数据支持。系统采用光纤光栅传感技术，环境适应性强，能够很好地适应门座起重机的恶劣工作环境，满足搭建长期监测系统的需求。

2.2 振动和噪声监控报警系统

此项目采用振动监测法实时采集四连杆机构铰点及起升、回转、变幅三大机构减速箱输入和输出轴端运行噪声和振动，截取正常作业时的特征曲线和峰值作为标准，设定一定的安全系数，当超过安全标准时，系统报警，显示报警部位。由于减速箱多处于变转速工况，因此需增加转速传感器进行转速实时测量。由于起重机正常振动信号幅度较大，而其减速箱故障信号的频率范围宽且幅值较小，通常被淹没，并且设备表面温度较高，故本系统采用耐高温加速度传感器，实现监控部位作业曲线特征的有效采集。检测点的选取位置见图1。

1.起升机构高速轴 2.起升机构低速轴 3.回转机构高速轴 4.回转机构低速轴 5.变幅机构高速轴 6.变幅机构低速轴 7.摇架轴承 8.大拉杆与人字架连接铰点 9.大拉杆与象鼻梁连接铰点 10.象鼻梁与大臂架连接铰点 11.大臂架与转台连接铰点图1 振动、噪声测点示意图

2.3 结构应力在线监测系统

结构应力在线监测系统可实时采集四连杆机构、人字架等金属结构关键点作业中应力变化曲线，在线监测结构的损伤状态，预测结构可能的失效形式，揭示结构破坏失效的机理，为门座起重机金属结构主体的金属疲劳研究提供依据。

项目选用基于应变的光纤光栅传感采集技术，实现关键金属结构部位作业中应力变化特征的有效采集。光纤光栅传感监测技术是一种新型的结构监测技术,其具有体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等众多优点,是结构局部健康监测最理想的智能传感元件之一。它可以直接或间接监测应变、温度、裂缝、位移、振动、腐蚀、应力等物理量，能够很好的适应门座起重机的恶劣工作环境，并且能够满足搭建长期监测系统的需求。

检测点选取位置为象鼻梁上4点，大臂架上2点，大拉杆上1点，平衡梁上2点，转柱上4点(见图2)。

1.象鼻梁前端 2.象鼻梁后端U型槽 3.象鼻梁与主臂架铰点部位 4.象鼻梁与大拉杆铰点部位 5.大拉杆中间位置下盖板 6.平衡梁与人字架连接铰点 7.平衡梁与小拉杆连接铰点 8.大臂架与小拉杆连接铰点 9.大臂架根部连接铰点 10.人字架与转台连接部位(前左) 11.人字架与转台连接部位(前右) 12.人字架与转台连接部位(后左) 13.人字架与转台连接部位(后左)图2 应力测点示意图

3 实施方案

3.1 应力监测方案

首先运用有限元软件对门座起重机结构进行分析，得到起重机整机结构的应力分布情况，识别出其中结构易损位置(应力过大处以及应力循环严重处)。随后在门座起重机整体关键位置以及局部易损伤位置布置光纤光栅传感器，一方面可以监测整体结构的实时特性，同时还能重点监测易损伤位置，保证整体结构和局部破坏都能够被及时监测到，提高系统的可靠性。光纤光栅传感器监测数据不同于电阻应变片的“测点监测”，能够得到布置位置沿传感器方向一段距离的连续应变。将光纤传感器监测的光学信号通过信号分析处理单元进行处理得到数字信号。光纤光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量。

3.2 震动监测方案

通过对减速箱关键部位振动数据采集、分析诊断，实时掌握减速箱运行情况，及时指导维修、维护，保证系统安全平稳运行。综合分析减速箱结构特点及振动传递路径后，选择各转动轴轴承处正上方位置作为振动主监测点。另在高速轴水平方向安装传感器测量水平振动情况，同时在高速轴键槽处安装1个转速传感器用于速度的实时测量。

3.3 数据分析软件

通过在线监测软件对数据进行解码，从而转换为用户容易识别和理解的直观数据或图像。在线监测软件由监测工作站的主机负责运行，该软件主要包含以下功能：

(1)信息描述和记录，可录入传感器的埋设位置、设备位置及编号等信息，记录与工程相关的信息，便于传感器的管理。

(2)数据统计与分析，可以显示实时监控的数据，也可将历史数据调出进行显示，或对几种参数同时进行显示分析；进行数据过滤、数据压缩、数据分类等功能，为后续的自动分析和人工分析提供良好的数据源。

(3)安全评估与危险预警，对处于危险状况的结构受力和机构振动进行重点提示。预警预报分为两类：第一种是紧急警报，当监测到的结构应力水平或机构振动状况超过许用安全极限，监测软件发出紧急警报；第二种是警告，当监测的结构应力水平接近极限值或机构振动状况接近允许最大值，监测软件发出警告，提示用户提高警惕。

4 结语

该系统可对大型钢结构、重要机构进行实时动态监测，有效预防大型设备故障产生，提前进行故障干预，年节省维修成本约20万元/台。可以减少操作设备检查维护人员的工作强度，给维护带来极大的方便，且可以随时监视设备的运行状况，提高装卸效率。这将显著改善门座起重机的监管现状，提高设备管理的现代化水平。