一种抓斗式卸船机的在线监测系统设计

张 扬，沈超宇，康文坚，张攀攀，邹如凤，张厚钗

（1.福建华电储运有限公司，福建 福州 350512；2.交通运输部水运科学研究院，北京 海淀 100088）

0 引言

我国集装箱码头自动化程度较高，但是散货码头的自动化还有待发展。对于干散货码头而言，通常采用门式起重机、卸船机、装船机等大型机械作为主要的码头前沿装卸设备。根据检测情况来看，由于前沿装卸设备存在工况差、强度高、载荷大等一系列的作业特点，这些设备在安装使用5 至10 年之后一般会出现较多的问题，如电机、齿轮箱、卷筒、联轴器等传动机构关键零部件的振动，钢板出现弯曲和磨损现象，焊缝的锈蚀及开裂问题等等[1]。

对于设备的结构而言，港口大型机械的组成部分主要为钢结构，在作业过程中需要经常性的移动和旋转作业，因此对结构的受力要求非常高。此外，由于货物类型不一致和每次人工操作动作的方式存在一定区别，港机存在每次作业起升重量不一致的情况，这对机构造成了一定的疲劳损害[2]。所以对大型起重设备的周期性维护是十分必要的。

大型起重机械设备的维护主要分为两类：第一类是主动式维护，指的是设备出现故障之后进行相应的维修，但存在效果差、延误作业、成本高的缺点；第二类是被动式维护，指的是提前对设备关键零部件的振动、温度、受力等情况进行在线监测，通过对监测得到的数据进行分析，可以预知设备的内部故障情况并对其进行提前检修，避免未来发生影响作业的故障[3，4]。

本文针对一种抓斗式卸船机进行研究，首先通过对其结构进行分析，确定其结构振动和结构受力的主要测点位置，并选用适当的传感器。其次，针对抓斗式卸船机的特点，对其应力分析功能、振动分析功能、故障诊断功能、实时预警功能进行研究和设计，实现对抓斗式卸船机的全方位在线监测。

1 卸船机的受力分析和主要的故障类型

对抓斗式卸船机（以下简称“卸船机”）的主要结进行有限元分析，通过对其结构建模并进行受力分析，选择相应位置作为卸船机的整机结构应力检测点位和结构振动监测点位，并对其故障类型进行分析。

1.1 卸船机受力分析

卸船机的整体主要由大车、门腿梁、横梁、斜圆梁、梯形梁、大梁、斜拉杆等主要受力结构组成。当卸船机开始作业时，小车在两条大梁中间做往复运动，不同的位置对整体结构受力的影响存在区别。通过前期大量现场检测数据可以得到，当小车位于前限位时，整机结构受力最大。

首先，对卸船机进行建模，通过建立关键节点位置的坐标，并添加截面形状数据，可以得到整机的模型，如图1 所示。

图1 卸船机整体机构模型

对整机进行网格划分，根据卸船机承受的最大载荷，对结构的前限位位置添加50 t 载荷，对其进行总变形和应力的求解，得到的结果如图2、3 所示。

图2 卸船机总变形求解云

图3 卸船机应力求解云

通过对上图进行分析可以得知：当整机在前限位受到最大载荷的应力时，结构最大变形为0.17655 m，最大应力为160.82 MPa，基本符合结构受力的要求。其中，应力较大的位置有：大梁上翼板靠近前拉杆处、大梁上翼板靠近后拉杆处、前拉杆根部、前拉杆顶部、海侧大车等位置。根据有限元仿真的结果，对机构的监测点位以及易发生的故障进行分析。

1.2 整机结构应力监测分析

对卸船机整机结构进行监测，主要为了保证整体结构在最大载荷运行下，主要受力位置的应力值应低于结构材料的许用应力，保证作业过程安全运行[1]。卸船机主要存在以下几种结构失效的类型：主要受力位置的焊缝发生锈蚀、负载过大导致结构变形、疲劳裂纹导致结构失稳、板厚过薄发生变形等等。

通过对其结构受力和易失效位置的分析，对卸船机监测的主要受力位置进行布点，主要分别在大机的大梁、前拉杆、梯形梁、门腿处等位置，共计11 个点位，见表1。

表1 卸船机整机结构主要受力位置分布

1.3 整机振动监测分析

根据有限元分析的结果显示，卸船机的大梁部分发生变形较大。因为在作业过程中小车不断的往复运动，大梁为主要的受力结构，引起的振动现象也较为明显。

卸船机的传动机构部分主要指的是电机、齿轮箱、轴等一些传递扭矩的构件。对于卸船机的传动部分，通常出现的故障主要包括：

（1）工频故障，指的是传动机构发生振动，对电机和齿轮箱的部件产生影响。

（2）电气故障，指的是电机的定子和转子产生磨损、疲劳、开裂、发热等情况。

（3）机械故障，指的是电机、齿轮箱、轴等关键传动零部件发生机械部分的损伤，如摩擦磨损、配合松动、零部件断裂等等[5，6]。

通过利用振动加速度传感器、温度传感器、速度传感器、音频传感器等一系列元件，在大梁和传动机构上安装传感元器件，监测机构传动部分的运行状况，可以反映设备实时的运行状态，及时发现故障部件并进行检查维修。表2 是卸船机振动监测点位，主要分布在大机的大梁、前拉杆、卷筒、齿轮箱和电机等位置，共计12 个监测点位。

表2 卸船机整机结构主要振动位置分布

2 卸船机的在线监测系统设计

2.1 应力分析系统

卸船机的应力分析系统主要由应变片、数据采集仪、计算设备组成。通过在主要受力位置上固定好应变片和补偿片，利用双桥法布置采集设备在作业时钢板的应变情况，通过计算可以得到该位置的应力实时变化情况[7]。对于在线监测而言，需要利用无线数据通信技术，将应变片采集的数据发送到计算设备上，并将数据进行实时展示。应力分析系统的主要功能如图4 所示。

图4 卸船机应力分析系统

2.2 振动分析系统

卸船机的振动系统功能主要指的是在电机、卷筒、齿轮箱、轴上安装高频振动加速度传感器、低频振动加速度传感器、温度传感器等元器件，通过采用柱头螺钉式的安装方法，可以保证元器件采集数据的准确性和有效性。利用实时通信技术将数据实时传送至计算设备时，通过对振动信号的时域波形进行分析，可以得到设备真实作业振动情况。振动分析系统的主要架构如图5 所示。

2.3 故障诊断和实时预警系统

通过对卸船机应力分析系统和振动分析系统的数据进行后处理，可以实现对现场设备的故障诊断。对于应力分析系统而言，通过系统分析计算将钢结构的应变数据转化为应力数据，针对不同的时间段或者工况，分析监测位置的应力最大值和稳定值的比率，将比率与提前设定好的阈值数据进行比对，并对数据过大的位置进行故障诊断。对于振动分析系统而言，提前采集设备正常时的振动和温度信号，通过比对现场振动信号与正常信号时域波形的区别，对其进行计算可以得到信号的频率、振幅、加速度等数据，判断设备已出现或预测未来可能出现的故障问题[8]。

当在线监测系统诊断出卸船机故障问题时，可对设备划分不同等级的预警。设备预警主要分为状态故障警报和未来预测警报两种。状态故障警报指的是目前采集的设备信号与正常信号比对已经出现问题，需要立即更换零部件或者对设备进行维修。未来预测警报指的是通过对采集信号进行分析，判断设备即将可能出现的故障问题，对设备的使用情况进行预警。如图6 所示，是故障诊断和实时预警功能的分析流程图。

图6 卸船机故障诊断和实时预警系统

3 结语

本文通过对抓斗式卸船机进行建模和有限元分析，结果显示当小车进行作业时整机大梁、前拉杆及梯形梁处应力值较大，针对其结构特点对其应力测点和振动测试的点位进行布置。通过对其在线监测系统进行研究，分析应力分析子系统、振动分析子系统、故障诊断和实时预警子系统的特点和应具备的功能，并对其分析流程进行设计。通过在线监测，可以及时掌握卸船机的设备状态，发现故障问题以及对未来可能出现的故障进行预测，为港口的安全稳定运行提供了保障。