基于狀態(tài)監(jiān)測的門機(jī)計劃性預(yù)警維修管理機(jī)制

王鑫瑋，鄭奕龍

(天津港第五港埠有限公司技術(shù)部 天津300456)

基于狀態(tài)監(jiān)測的門機(jī)計劃性預(yù)警維修管理機(jī)制

王鑫瑋，鄭奕龍

(天津港第五港埠有限公司技術(shù)部 天津300456)

門座式起重機(jī)是散雜貨碼頭公司使用最為廣泛的港口裝卸設(shè)備，它擔(dān)負(fù)著港口裝卸的最主要任務(wù)。因此，門機(jī)工作性能的優(yōu)劣、完好率以及維修成本的高低都直接影響著港口企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)與經(jīng)濟(jì)效益。然而，由于檢測手段較少，故障隱患的診斷較難，導(dǎo)致門機(jī)在線故障頻發(fā)，維修時間及成本大幅增加。為了將維修模式變被動為主動，我們嘗試實施計劃性預(yù)警維修機(jī)制，通過多種監(jiān)測方式開展門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測，合理利用生產(chǎn)空檔，使故障隱患被及時處理，大幅減低在線故障停時及維修成本，同時保障生產(chǎn)，為公司創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

門座式起重機(jī) 狀態(tài)監(jiān)測 計劃性預(yù)警維修 故障診斷 在線故障停時 經(jīng)濟(jì)效益

0 引 言

天津港五公司隸屬于天津港(集團(tuán))有限公司，是從事散貨、雜貨裝卸作業(yè)的碼頭公司，其特點是使用大量裝卸起重設(shè)備從事貨物的裝卸船作業(yè)。在散雜貨碼頭公司的設(shè)備中，門座式起重機(jī)(下文簡稱“門機(jī)”)是使用最為廣泛的港口裝卸設(shè)備，是碼頭裝卸作業(yè)流程中的必要環(huán)節(jié)，是貨物從船舶與口岸間位移的必經(jīng)之路，它擔(dān)負(fù)著港口裝卸的最主要任務(wù)，是散雜貨碼頭最重要的起重運輸設(shè)備，是港口企業(yè)經(jīng)濟(jì)要素的重要組成部分，同時也占據(jù)了很大比重的企業(yè)資產(chǎn)。因此，門機(jī)工作性能的優(yōu)劣、完好率以及維修成本的高低都直接影響著港口企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)與經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，為了保障公司的生產(chǎn)效益，門機(jī)使用率始終居高不下，保養(yǎng)及維修時間較少，而隨著門機(jī)使用年限的不斷增加，門機(jī)的整體狀態(tài)急劇下降，各主要部位老化嚴(yán)重，故障頻率顯著提高。同時，由于檢測手段較少，故障隱患的診斷較難，導(dǎo)致門機(jī)在線故障頻發(fā)，維修時間及成本大幅增加。此狀態(tài)不僅影響了門機(jī)的正常裝卸作業(yè)，也對公司的整體經(jīng)濟(jì)效益造成了很大的影響。

由此可見，隨著效益型設(shè)備管理理念的不斷深入，原有的管理模式已不能滿足目前的生產(chǎn)與經(jīng)營需求，探索新的維修模式成為迫切需求。2014年以來，公司嘗試實施門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測，引進(jìn)多種門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行實驗，并采取計劃性預(yù)警維修機(jī)制，將維修模式變被動為主動。

1 計劃性預(yù)警維修機(jī)制

2014年以來，公司對門機(jī)實施計劃性預(yù)警維修管理機(jī)制。通過主動掌握門機(jī)使用狀態(tài)，推斷其故障趨勢，對使用狀態(tài)較差或存在故障隱患的部位有計劃地實施維修，將故障解決在萌芽期，減少門機(jī)在線停車時長。

由于船舶進(jìn)出港均需要一定的時間，因此完工船舶與新進(jìn)港船舶開工之間存在至少6,h的生產(chǎn)空檔，再加上潮汐水位對船舶進(jìn)出港的影響，生產(chǎn)空檔有時甚至?xí)L達(dá) 10,h以上。在此期間門機(jī)沒有生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)，將故障集中在生產(chǎn)空檔解決便可減少對公司生產(chǎn)的影響。通過計劃性預(yù)警維修機(jī)制，合理利用生產(chǎn)空檔，使故障隱患被及時處理，在線故障停時便可大量降低。

因此，采取計劃性預(yù)警維修機(jī)制具有以下優(yōu)點：①對生產(chǎn)造成的影響小。在故障爆發(fā)前，有效利用船舶空檔時間實施維修，大幅減少對生產(chǎn)的影響。②維修工作計劃性強(qiáng)。根據(jù)門機(jī)狀態(tài)制定好維修計劃，減少突發(fā)故障的發(fā)生，從而減少船舶錯過潮汐的情況，降低公司的經(jīng)濟(jì)損失，并避免了多起故障集中爆發(fā)而造成的被動局面。③故障范圍小且維修及備件成本低。在故障萌芽期，存在故障隱患的零部件未對相關(guān)的其他部件造成損壞，因此大幅縮小了故障范圍并降低了維修及備件成本。

若要及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障隱患，制定維修計劃并適時維修，便要對門機(jī)實施狀態(tài)監(jiān)測，通過多種監(jiān)測手段，掌握門機(jī)的使用狀態(tài)。

2 門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的方法

門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測是主動維護(hù)門機(jī)的重要手段，是日常點檢工作的重要組成部分，公司結(jié)合自身技術(shù)特點及管理需求，選取溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測、噪音監(jiān)測、油液監(jiān)測、觀察監(jiān)測等手段，定期對門機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及部件——如各機(jī)構(gòu)減速器、鉸點軸承、連接部位、鋼結(jié)構(gòu)等主要部位及故障易發(fā)點進(jìn)行檢查，對門機(jī)使用狀態(tài)進(jìn)行長期持續(xù)監(jiān)測，建立監(jiān)測檔案，總結(jié)規(guī)律，尋找狀態(tài)異常，以便及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。

門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的管理流程分為：①日常監(jiān)測，將監(jiān)測工作作為日常點檢的重要內(nèi)容，定期對門機(jī)各主要部位進(jìn)行監(jiān)測；②跟蹤監(jiān)測，對發(fā)生異常變化的部位進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，增加監(jiān)測頻率，觀察其變化趨勢，以便及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并選擇最有經(jīng)濟(jì)效益的維修時機(jī)；③精密監(jiān)測，對疑似存在故障隱患的部位進(jìn)行精密監(jiān)測，力爭準(zhǔn)確判斷故障類型、部位及故障程度，為制定維修計劃及方案提供依據(jù)。

門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)果是計劃性預(yù)警維修機(jī)制的重要參考依據(jù)，也是開展門機(jī)故障診斷、故障規(guī)律分析、管理模式改革、經(jīng)營成本核算等工作的重要手段。根據(jù)本公司的特點及設(shè)備特性，選用以下監(jiān)測方法：

2.1 觀察監(jiān)測

觀察監(jiān)測是通過對監(jiān)測部位的肉眼觀察，直接查找機(jī)械故障或?qū)κ褂脿顟B(tài)進(jìn)行判斷，普遍應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)、齒輪、軸承以及機(jī)械零部件的磨損與斷裂等。該方式是最基礎(chǔ)、最直觀、故障判斷最快的監(jiān)測方法。

2.2 溫度監(jiān)測

2.2.1 溫度監(jiān)測方法

主要利用于門機(jī)各機(jī)構(gòu)減速器，通過對其各級軸承端蓋溫度進(jìn)行測量，根據(jù)其溫度范圍及溫度差來判斷內(nèi)部運轉(zhuǎn)情況。正常狀態(tài)下，門機(jī)減速器各級軸承端蓋在作業(yè)過程中的溫度變化規(guī)律為：①溫度值在 40～55,℃；②各級溫度值應(yīng)相對均衡，各級間溫差較小，低速端至高速端依次遞增；③若發(fā)現(xiàn)某一級溫度明顯高于其他各級，或整體溫度過高，則考慮內(nèi)部有異常磨損而導(dǎo)致溫度異常。

2.2.2 溫度監(jiān)測儀器

非接觸式便攜紅外線測溫儀的使用特點離被測物體較遠(yuǎn)就可以進(jìn)行溫度測量，避免測量人員與設(shè)備的直接接觸而發(fā)生危險。

2.3 油液監(jiān)測

減速機(jī)是門座式起重機(jī)的核心部件，主要由軸承、齒軸、齒輪及箱體構(gòu)成，內(nèi)部填充齒輪潤滑油保證潤滑和散熱，通過了解齒輪油各項指標(biāo)的變化就能間接了解目前齒輪箱的運行狀態(tài)及存在的故障隱患，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。

2.3.1 齒輪油的性能特點

齒輪油是以石油潤滑油基礎(chǔ)油或合成潤滑油為主，加入極壓抗磨劑、油性劑和其他添加劑調(diào)制而成的一種重要的潤滑油，具有良好的抗磨、抗乳化性、耐負(fù)荷性能和合適的粘度，良好的熱氧化安定性、抗泡性、水分離性能、防銹性能及幫助減速箱散熱等性能。用于各種齒輪傳動裝置，以防止齒面磨損、擦傷、燒結(jié)等，延長其使用壽命，提高傳遞功率效率。

2.3.2 齒輪油監(jiān)測的主要指標(biāo)

根據(jù)其性能，齒輪油監(jiān)測的主要指標(biāo)有粘度、氧化、硝化、硫酸化、金屬濃度、水分等，并結(jié)合目測，了解這些指標(biāo)的變化情況以掌握減速箱目前的使用狀況。

2.3.3 油液監(jiān)測儀器

①粘度計：用來監(jiān)測齒輪油的粘度變化。②紅外光譜：用來監(jiān)測潤滑油主要添加劑變化情況、水分含量、脂類污染物、氧化、硝化、硫酸化等。③PQ鐵量儀：用于監(jiān)測潤滑油里種鐵磁性物質(zhì)的濃度。

2.4 噪音監(jiān)測

2.4.1 噪音監(jiān)測方法

噪音監(jiān)測適用范圍較其他監(jiān)測廣泛，對于各機(jī)構(gòu)減速器、各鉸點軸承以及各連接部位具有一定的效果。通常情況下，當(dāng)門機(jī)出現(xiàn)機(jī)械運轉(zhuǎn)異常時，多伴有研磨、摩擦或碰撞等導(dǎo)致的異響，若故障爆發(fā)，異響音量較大且刺耳，人耳可直接聽到。但尚處萌芽期的故障隱患所發(fā)出的異響音量非常微弱，且異響多來自于機(jī)械部件內(nèi)部，人耳無法直接聽到，需要通過音頻監(jiān)測設(shè)備，放大音頻信號，將機(jī)械內(nèi)部聲音放大，使監(jiān)測人員通過耳麥清晰地聽到，以便尋找異常聲音。此方法對高速運轉(zhuǎn)且外部箱體固定不動的部位，如各機(jī)構(gòu)減速器有較好的效果。

2.4.2 噪音監(jiān)測儀器

機(jī)械故障電子聽診器，該儀器的探針可以和被測物體直接接觸，噪音經(jīng)過探針傳遞到儀器內(nèi)經(jīng)過電子元件放大處理并通過耳麥傳遞給監(jiān)測人員，噪音也可經(jīng)過錄制轉(zhuǎn)存以便后續(xù)分析。

2.5 振動監(jiān)測

2.5.1 振動監(jiān)測方法

減速箱工作時產(chǎn)生振動是不可避免的，內(nèi)部工作零部件的性能狀態(tài)信息通過的傳遞路徑反映到其表面振動信號中。減速箱故障特征提取的依據(jù)是振動信號中包含著振源信息及系統(tǒng)狀態(tài)等信息。故利用振動信號對減速箱進(jìn)行不解體故障診斷是行之有效的方法。

①時域分析方法。減速機(jī)等常用工程信號都是時間波形的形式，時域分析方法具有分析速度快、結(jié)果直觀、易于理解等特點，能夠通過最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、均方值、方根幅值、均方幅值、峰值、峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)等多種時域指標(biāo)對故障狀態(tài)及程度進(jìn)行診斷與評估。但由于時域分析方法針對包含噪聲等復(fù)雜信息的原始信號進(jìn)行分析，而不考慮頻域信息，故難以進(jìn)行定量診斷與故障定位。

②頻域分析方法。頻域分析方法是把以時間為橫坐標(biāo)的時域信號通過傅立葉變換分解為以頻率為橫坐標(biāo)的頻域信號，從而求得關(guān)于原時域信號頻率成分的幅值和相位信息的一種分析方法。通過對減速機(jī)各頻率成分的分析，對照機(jī)器零部件運行時的特征頻率，能夠查找故障源，通過對頻域指標(biāo)分析，也能夠?qū)收铣潭冗M(jìn)行估計。頻域分析方法主要包括：功率譜分析和頻譜細(xì)化等。

③時頻域分析方法。減速機(jī)振動信號屬于非平穩(wěn)信號，時頻域分析方法能夠同時提取信號時域特征與頻域特征，進(jìn)行綜合分析。

2.5.2 振動監(jiān)測儀器

公司使用的儀器是與天津大學(xué)合作開發(fā)的便攜磁座式振動監(jiān)測分析儀，其特點是重量輕攜帶方便，傳感器為磁座式方便貼在被檢測部位，手持式分析儀器可適時顯示被檢測設(shè)備的各種波形變化。

3 運用的實際效果

3.1 案例一

2015年3月，監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)05-131-16號門機(jī)(下稱“16號門機(jī)”)起升機(jī)構(gòu)減速箱的監(jiān)測結(jié)果較之以往發(fā)生了異常變化，油液監(jiān)測結(jié)果顯示其減速箱齒輪油 PQ(鐵濃度含量)異常，具體數(shù)值如表1所示：

表1 05-131-16號門機(jī)起升機(jī)構(gòu)減速箱PQ監(jiān)測記錄Tab.1 PQ monitoring records of 05-131-16 crane’s hoisting mechanism reducer

由表 1可看出，16號門機(jī)起升減速器齒輪油內(nèi)鐵含量在2～3月突然大幅升高。監(jiān)測人員對此部位進(jìn)行了重點關(guān)注。其溫度監(jiān)測結(jié)果如表2所示：

表2 05-131-16號門機(jī)起升機(jī)構(gòu)減速器溫度監(jiān)測記錄Tab.2 Tem perature monitoring records of 05-131-16 crane’s hoisting mechanism reducer

如表2所示，其右側(cè)三級軸承處溫度明顯高于其他各級，由此可初步懷疑此部位出現(xiàn)異常運轉(zhuǎn)而導(dǎo)致溫度異常。

據(jù)此可推斷 16號門機(jī)右側(cè)三級軸承損壞，技術(shù)部立即協(xié)調(diào)生產(chǎn)部門，利用船舶空檔組織開展計劃性預(yù)警維修。當(dāng)減速器解體后，發(fā)現(xiàn)右側(cè)三級軸承珠已磨損為方形，但并未散落，其他各級齒輪及軸承完好，未受到故障波及。此次監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)故障隱患并準(zhǔn)確判斷故障位置，維修只需更換三級軸承，各級齒輪及其他各級齒輪均完好，大幅降低了維修成本，最多可減少備件支出 10萬余元。同時，通過合理計劃利用生產(chǎn)空檔及時解決，未對公司業(yè)務(wù)造成影響。

3.2 案例二

2014年9月，監(jiān)測人員在日常監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，05-131-17號(下稱“17號門機(jī)”)減速箱內(nèi)噪音異常，可清晰聽到三級行星輪組部位運轉(zhuǎn)過程中伴有輕微的金屬摩擦聲。根據(jù)噪音監(jiān)測結(jié)果，監(jiān)測人員初步判斷三級行星輪組極有可能存在故障隱患，需對其開展精密監(jiān)測，對其進(jìn)行精確診斷。

隨后用振動監(jiān)測儀進(jìn)行檢測分析測量得到的振動加速度信號如圖1所示。

圖1 減速箱振動加速度信號Fig.1 Acceleration signal of the reducer vibration

通過數(shù)據(jù)分析得到各項時域統(tǒng)計指標(biāo)結(jié)果，如表3所示。從各項統(tǒng)計值看出，脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)存在數(shù)值較大的情況，可初步判定其可能存在異常。

表3 減速機(jī)振動加速度信號時域統(tǒng)計指標(biāo)Tab.3 Time domain statistical indicators of the reducer vibration acceleration signal

圖2 減速箱振動加速度信號頻譜Fig.2 Spectrum of the reducer vibration acceleration signal

圖3 減速箱振動加速度信號時頻譜Fig.3 Spectrum of the reducer vibration acceleration signal

進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，圖2所示的該信號頻譜中，低頻段中設(shè)備固有振動成分較低而2,000,Hz附近存在較大的有規(guī)律振動，其4,000,Hz處的倍頻也十分明顯。因此可斷定該設(shè)備存在故障。圖3所示的時頻圖也體現(xiàn)出了上述規(guī)律。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可斷定此減速機(jī)內(nèi)部存在故障隱患，初步判定為內(nèi)部異常摩擦。技術(shù)部利用生產(chǎn)空檔對其進(jìn)行裝卸并解體，解體發(fā)現(xiàn)該減速機(jī)三級行星輪軸向下躥出，與行星輪架發(fā)生摩擦，三級行星輪軸嚴(yán)重磨損，產(chǎn)生大量鐵屑，如圖 4所示。但由于維修及時，三級行星輪軸尚未斷裂，避免其他部件損壞，只需將三級行星輪軸更換即可，節(jié)約備件成本3萬余元。

圖4 減速機(jī)故障圖Fig.4 Pictures of the fault reducer

4 經(jīng)濟(jì)效益及社會效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，每臺40,t門機(jī)的平均生產(chǎn)效率是440,t/h，公司的平均單船裝卸作業(yè)時間為 50,h，船舶空檔間隙為 6,h。由于大噸位船舶進(jìn)出港時間要考慮潮汐水位，錯過潮汐時機(jī)就要等待至少12,h。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，減少了40,t門機(jī)減速器在線故障停時后，可保障生產(chǎn)用車，保證船舶進(jìn)出港時間，2014年共多接卸載重17萬t以上船舶6條，貨物的裝卸費用為30元/t，增加裝卸費用 6×170,000×30＝30,600,000元。此外，計劃性預(yù)警維修機(jī)制將部分故障在萌芽期處理，避免故障范圍擴(kuò)散，每年可節(jié)省維修及備件成本支出 800,000元。因此，實行門機(jī)計劃性預(yù)警維修機(jī)制可為公司整體經(jīng)營創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值 3,100余萬元。

4.2 社會效益分析

通過實施門機(jī)狀態(tài)監(jiān)測，公司門機(jī)管理人員對門機(jī)故障的發(fā)展趨勢與規(guī)律有了更加深刻的認(rèn)識，為今后更好地管理門機(jī)打下了基礎(chǔ)，節(jié)約了門機(jī)維修的人力和物力，保證了公司生產(chǎn)用車。同時，也為公司的轉(zhuǎn)型發(fā)展與創(chuàng)新發(fā)展做了堅實的鋪墊，為設(shè)備管理新模式的探索打下了堅實的基礎(chǔ)，為公司開展單船成本核算提供了可靠的參考依據(jù)?！?/p>

［1］ 屈梁生，何正嘉. 機(jī)械故障診斷學(xué)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986.

［2］ 張順峰. 大型減速機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2006.

［3］ 管爭榮. 減速機(jī)振動和噪聲分析與譜診斷方法研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.

［4］ 陳紅英，吉衛(wèi)喜，陳雪峰，等. 減速機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2007(3)：85-87.

On Condition M onitoring Based Planned W arning and M aintenance M anagement M echanism for Portal Cranes

WANG Xinwei，ZHENG Yilong
(Tianjin Port No.5 Stevedoring Co.，LTD.，Tianjin 300456，China)

Portal crane is the most w idely used port handling equipment in bulk cargo wharfs．However，as there are less detection methods，the diagnosis of potential faults is difficult，and the on-line fault of the portal machine is frequent，therefore，the maintenance time and cost increase greatly．In order to change passive maintenance mode to an active mode，this paper describes the implementation of a planned maintenance warning mechanism．Through a variety of monitoring based on condition monitoring，the production gap was well used and hidden troubles were timely treated，which significantly reduces online shutdown and maintenance cost and guarantees enterprise benefit.

portal crane；condition monitoring；planned warning and maintenance；fault diagnosis；on-line fault stop；economic benefit

TH213.4

：A

：1006-8945(2015)10-0066-04

2015-09-08