起重机械金属结构振动与故障诊断思考

张强，陈串，付怀智

（舟山鼠浪湖码头有限公司，浙江 舟山 316000）

码头门座式起重机金属结构运行环境复杂，对其进行强度与振动分析，对其进行合理的结构设计，以确保其安全、可靠的工作，具有十分重要的意义。疲劳失效是一种普遍存在的失效模式，它的发生往往是突然的，并且受各种内外因素的影响很大。在结构的疲劳失效过程中，存在一种非常明显的现象，即在交变荷载作用下，结构的一次或多次振动频率与其自身的一次或多次振动频率相同或相近时，将会出现一次谐波，此时，特定的激励将引起相应的反应，从而导致结构的失效。这给运行人员的生命安全以及企业的经济效益带来了不同程度的损失。基于此，开展起重机械金属结构振动与故障诊断思考分析研究就显得尤为必要。

1 码头门座式起重机金属结构特点

码头门座式起重机主要应用于海港及内河港口的通用码头，其工作状况对码头装卸作业的效率产生了本质的影响。装备由金属结构、机械与电气系统三个部分组成，金属结构由平衡系统、臂架系统、人字架、回转平台、均衡梁、司机室、机器房等组成。机械装置有四种，即升降、旋转、旋转和移动；电力系统包括电力、电力供应、电力控制等。就拿当前港口常用的圆筒型门座起重机来说，它属于刚性拉杆四连杆式组合臂架系统，可以在变幅度过程中实现对吊装货物的水平转移，其工作级别和结构工作级别如表1 所示。

表1 码头门座式起重机工作级别和结构工作级别表

2 起重机械金属结构静态疲劳和动态疲劳的差别

2.1 起重机械金属结构静态疲劳

起重机械金属结构静态疲劳不考虑阻尼和模态等响应情况，只是考虑应力集中这一项因素。在进行疲劳曲线制定时，通常是在一定的应力条件下，选择非振频率进行试验。裂纹的扩展特性为采用经验公式或者疲劳断裂力学方法来研究疲劳规律。在工程应用方面，通常只是考虑材料、结构形式，工艺以及消除缺陷和降低应力集中等问题。

2.2 起重机械金属结构动态疲劳

起重机械金属结构动态疲劳分析中阻尼力分布为决定结构响应大小的主要因素，而与金属结构振动的破坏和贡献作用的应变模型分布特征有关。比如，一些动态荷载激励会引起起重机械金属结构局部模态和荷载的振动耦合作用，发生疲劳断裂的部位通常是局部振动中应变大，并且缺陷或者是应力集中的位置。引起金属结构疲劳断裂的主要原因是局部振动和应力集中两种因素工作作用的结果。从疲劳曲线制定的角度来看，起重机械金属结构动态疲劳分析需要在一定应力状态下，跟踪共振频率发生共振破坏进行试验。从裂纹扩展特性的角度来看，起重机械金属结构动态疲劳趋向于共振和远离共振的疲劳裂纹，具有不同的扩展速率，若裂纹扩展导致金属结构固定频率远离荷载频率，此时，裂纹扩展为收敛性裂纹，否则，为发散性裂纹。从工程应用的角度来看，起重机械金属结构动态疲劳主要是降低结构振动水平，特别是局部振动水平，进行结构动力学设计，附加阻尼器处理。同时，还要考虑材料、结构形式、工艺以及消除缺陷和降低应力集中等问题。

3 起重机械金属结构振动故障诊断中存在的问题

3.1 金属结构振动故障诊断方法具有局限性

对起重机金属结构的安全性进行评价，需要从装备使用中获得的各类特征信息，并从中找出与其相关的征兆，进而对其加以应用，从而实现对其的故障诊断。近年来，人们开始采用短时傅里叶变换和傅里叶变换等方法来更好地对这些信号进行分析，从而更好地从这些信号中抽取出一些有用的信息，从而实现对这些信息的有效识别。从众多事例中我们可以看出，在操作中，金属构件会发生磨耗，而且这种磨耗相对较弱，也存在一些潜伏性。在系统运行中，由于传输路径的复杂性和多因素的耦合，使得单一的信号处理方法不能有效地对其进行溯源。

3.2 对金属结构振动故障机理不够了解

起重机械振动故障诊断具有很强的复杂性，且影响因素比较多，分析振动故障的机理是通过对反应装置参数与其失效信号间所表现出的规律性的研究。具体的研究步骤如下。

（1）根据所研究目标的物性特征，建立一种合理的数学模型；（2）用模拟方法得到了最后的反应特性。（3）通过对所采集的数据的综合，对所建立的模型进行修改，从而获得精确的时效特性。

在对起重机械金属结构进行振动故障分析时，对故障机理的研究不够深入，其主要原因是：（1）起重机的机械结构是一个很复杂的问题，在对其进行分析时，往往需要很强的数学、机械理论，这给其计算带来了很大的困难。（2）对失效机制的研究，必须与试验相结合，这是一个复杂的系统工程。（3）要精确地表达这种失效还需要通过工程实践来证明，而且因为失效的随机性，所以在现实的工程中很难找到一个单一的失效特征。

3.3 金属结构振动故障诊断技术智能化水平较低

智能化振动故障诊断系统是提升起重机械金属结构振动故障诊断效率和准确性的关键。但目前，针对简单的、具体的故障，各种智能诊断技术的优势和不足都有很大的区别。尽管现在可以选择的智能诊断方法有很多种，但在特定的环境下，大部分的诊断方法都需要对一些人工设定的参数和条件进行假设，所以，要想得到一个完美的智能诊断系统，就必须继续加大对它的研究和分析。

4 提升起重机械金属结构振动故障诊断准确性和效率的方法

4.1 选择更加先进的诊断技术手段

先进的诊断技术手段是提升起重机械金属结构振动故障诊断准确性和效率的关键，尽量摒弃传统粗放式的诊断技术，选择智能化水平高的诊断技术，如专家诊断技术、神经网络诊断技术、模糊故障诊断技术，都是能够快速完成起重机械金属结构振动故障诊断的技术手段，可进行大范围的推广和应用。

（1）专家诊断技术。专家诊断系统能对起重机械金属结构中出现的振动问题进行分析、观测，找出产生振动的原因，并给出合适而有效的解决办法。一个专家的诊断要求有很强的专业知识作为基础，才能作出正确的诊断。但在实际应用中，起重机械金属结构振动诊断方面专业知识的获取难度比较大，需要大量时间和精力来收集相关数据信息，并录入专家数据库中，耗时比较长。

（2）神经网络诊断。此项故障诊断技术在实际应用中，需要先对存在的问题进行分析，并对神经网络进行离线训练，建立故障现象和诊断结果之间的对应关系。并对明确数据库中存在的错误情况进行改正，促使神经网络能够输出准确的故障诊断结果。但在实际应用中，由于引起重机械金属结构振动故障的成因比较复杂，具有很强的不确定性和不可预测性，因此，在进行对比和分析各种错误，以及输出神经元时，神经网络诊断系统难以显示新类型的错误，这会对重机械金属结构振动故障振动准确性造成一定的影响。

（3）模糊故障诊断方法。此种金属结构振动故障诊断方法可细分为基于模糊模式的诊断方法、基于模糊推理的诊断方法、基于模糊模型的诊断方法。在进行起重机械金属结构振动故障诊断中采用模糊故障诊断方法，可有效克服各种不确定性因素和不可预测性因素的影响，可有效处理因为随着时间变化或者非线性复杂性问题。此种诊断方法最明显的不足是在进行起重机械金属结构振动故障诊断时，需要提前建立适当的模糊规则，对使用人员的专业水平和综合素质有很高的要求。

4.2 开展金属记忆检测和振动检测

和其他起重机械金属结构振动故障诊断技术相比，金属记忆检测具有明显的优势，无须进行磁化处理。起重机械金属结构应力集中部位，会在磁场的作用下形成磁记忆信号。在进行金属记忆检测时如果进行消磁操作，会导致应力集中在一些微弱的记忆信号上。此种信号极易被磁化，覆盖整个磁场。因此，在进行起重机械金属结构金属记忆时，必须提前完成消磁操作。起重机械金属结构在进行重物上升或者是下降操作时，金属结构经常会发生低频率振动，从而影响整个起重机械金属结构运行的稳定性，也会对现场工作人员的生命安全构成一定的威胁。因此，在进行起重机械金属结构振动故障诊断时，可需要充分结合实际情况，将起重机械垂直方向的振动点尽量布设在主梁跨中盖板上，黏贴结束后，再进行降速处理。

4.3 严格控制诊断误差

起重机械金属结构振动故障诊断具有很强的复杂性，影响诊断效果的因素比较多，任何一个细节把控不当，都会影响最终诊断结果的准确性。虽然诊断误差是客观存在的，无法从根本上得到有效规避，但采用一系列行之有效的方法和措施，可将有效降低误差，具体而言，可从以下几个方面同时入手。

金属结构振动故障诊断，要逐步摒弃对单一故障的诊断方法，改用群体故障诊断方法，在进行金属结构振动故障诊断的基础上，同时对金属结构的磨损情况、疲劳情况、破裂情况、裂纹等故障进行联合检测。虽然振动信号不会叠加到多个单独的误差特征信号上，但各种误差信号特性之间的相互耦合具有盲目性，若采用单一的故障诊断方式，可能会出现一些安全事故。在进行起重机金属结构安全评估中，单一误差的大小和信号处理效果密切相关。若能够将振动信号的特征和其他干扰分量的频谱区分开来，可在金属结构振动故障和损坏检测的同时，诊断出组耦合特性的分离，以提升起重机械金属结构振动故障诊断的准确性。

将金属结构零部件的故障诊断，融入整个起重机械故障诊断系统中，零部件诊断时，通常只能对一些关键部位，或者特定的结构进行诊断，只能完成诱导误差的诊断，并不能将起重机械中存在其他故障问题。但从整个系统的故障入手，应用一套完整的故障诊断系统，就能对起重机械运行中存在的全部故障进行诊断，快速找到故障的位置、成因，再制定科学有效的解决方法和对策。

5 结语

综上所述，结合理论与实践，分析了起重机械金属结构振动与故障诊断，分析结果表明，振动故障是起重机械运行中最常见的故障形式，也是难以快速、准确识别的故障。为实现对起重机械金属结构振动故障的有效诊断，就必须结合起重机械的结构特点和工作特点，明确金属结构静态疲劳和动态疲劳的差别，按照目前存在的问题，从选择更加先进的诊断技术手段、开展金属记忆检测和振动检测、严格控制诊断误差等方面同时入手，可实现对起重机械振动故障快速、准确的诊断，为故障处理提供真实有效的数据，从而提升检修效率，延长起重机械的使用寿命，获得更大的经济效益。