淺析岸邊集裝箱起重機(jī)的壽命檢測(cè)系統(tǒng)

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海，200125

摘 要：起重機(jī)作為特種設(shè)備之一，不當(dāng)?shù)倪^(guò)負(fù)荷使用或者維修保養(yǎng)不到位，往往會(huì)導(dǎo)致主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷。通過(guò)采用一套壽命檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)起重機(jī)上的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、直至報(bào)警輸出，保障了起重機(jī)的使用安全，延長(zhǎng)了起重機(jī)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；疲勞；檢測(cè)；應(yīng)用

引言

岸邊集裝箱起重機(jī)是一種大型起重設(shè)備，其事故的發(fā)生將造成極其嚴(yán)重的后果。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，起重機(jī)事故的發(fā)生多由對(duì)其的監(jiān)管及維修保養(yǎng)不善引起，因此開發(fā)起重機(jī)的壽命檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)減少起重機(jī)事故的發(fā)生、保證工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行具有重要的意義。

對(duì)起重機(jī)及其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行壽命檢測(cè)，一方面能夠了解起重機(jī)的疲勞情況，從而做到對(duì)起重機(jī)適時(shí)的維護(hù)，維持其安全工作，使起重機(jī)盡可能地達(dá)到最大使用壽命；另一方面，也提醒維修保養(yǎng)人員對(duì)一些主要元器件進(jìn)行及時(shí)的更換或維修，以保障起重機(jī)安全有效地工作。因此，本文將著重研究岸橋壽命檢測(cè)系統(tǒng)及其在起重機(jī)項(xiàng)目上的實(shí)際應(yīng)用。

1岸橋壽命檢測(cè)系統(tǒng)的介紹

岸橋壽命檢測(cè)系統(tǒng)是一套基于岸邊集裝箱起重機(jī)疲勞損傷研究分析基礎(chǔ)上，對(duì)起重機(jī)上所安裝的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)其進(jìn)行整理分析，之后生成警告或報(bào)警。該系統(tǒng)既可以安裝在全新的岸橋上，也可以通過(guò)改造安裝在碼頭舊的岸橋上。它主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警輸出這3個(gè)部分組成。

1.1數(shù)據(jù)采集

1.1.1應(yīng)力的采集

采集疲勞測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力是進(jìn)行岸橋剩余壽命評(píng)估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。應(yīng)力的采集有兩種方法：一是通過(guò)在疲勞測(cè)點(diǎn)安裝應(yīng)變片的直接測(cè)法；二是通過(guò)測(cè)量起重量以及小車在主梁上的位置等信息，使用力學(xué)的方法換算出測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的間接測(cè)法。此系統(tǒng)采用先期同時(shí)對(duì)起重機(jī)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行直接測(cè)量和間接測(cè)量，然后使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識(shí)別的方法分析起重量、小車位置等信息跟測(cè)點(diǎn)應(yīng)力間的關(guān)系，之后就可以通過(guò)間接測(cè)量起重量、小車位置等信息準(zhǔn)確地得到測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力。這種方法可以兼顧直接測(cè)量的準(zhǔn)確性和間接測(cè)量的便利性，同時(shí)也是起重機(jī)剩余壽命評(píng)估和安全監(jiān)控相結(jié)合的合理性的最好證明。

1.1.2統(tǒng)計(jì)時(shí)間的采集

剩余壽命評(píng)估需要對(duì)某一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)力循環(huán)數(shù)，得到應(yīng)力譜，然后對(duì)這段應(yīng)力譜進(jìn)行累積損傷計(jì)算，得到疲勞壽命為多少個(gè)這樣長(zhǎng)度的時(shí)間?？紤]到起重機(jī)是以周期性的循環(huán)方式進(jìn)行工作的，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)間可以選為一個(gè)工作周期。起重機(jī)每完成一次工作循環(huán)就對(duì)其進(jìn)行一次壽命評(píng)估，得到的壽命就是多少次工作循環(huán)。至此，確定了統(tǒng)計(jì)時(shí)間的選取問(wèn)題，即需要采集起重機(jī)每次工作循環(huán)的時(shí)間，而這可以通過(guò)與起重機(jī)上的PLC控制系統(tǒng)以及主機(jī)構(gòu)電機(jī)工作時(shí)間表建立后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并計(jì)算出已使用的工作循環(huán)數(shù)。

1.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)跟信號(hào)采集部分的各個(gè)模塊獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。疲勞壽命、力矩頻譜因素、起重機(jī)的起升和疲勞周期的次數(shù)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)操作的小時(shí)數(shù)是壽命檢測(cè)系統(tǒng)的主要參數(shù)。利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將處理結(jié)果進(jìn)行輸出。

在以上這些參數(shù)中，疲勞壽命是極其重要的參數(shù)。它是材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。采集了測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和起重機(jī)工作時(shí)間后，可以計(jì)算同結(jié)構(gòu)部件疲勞積累損傷有關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)。

（1）對(duì)一段工作周期時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力數(shù)據(jù)使用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)應(yīng)力循環(huán)數(shù)，記錄每個(gè)應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力變程；

（2）對(duì)每一個(gè)應(yīng)力變程通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的疲勞壽命；

（3）對(duì)每一個(gè)疲勞壽命按式進(jìn)行取倒數(shù)累加，再對(duì)累加值取倒數(shù)得到總的疲勞壽命；

（4）疲勞壽命減去已經(jīng)歷的壽命即得到起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剩余壽命；

（5）將這些參數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；

（6）通過(guò)光纜或者無(wú)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將以上這些數(shù)據(jù)傳送到岸橋PLC控制系統(tǒng)中。

1.3報(bào)警輸出

壽命檢測(cè)系統(tǒng)生成了起重機(jī)及其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的疲勞壽命及其他一些參數(shù)。對(duì)碼頭岸橋起重機(jī)設(shè)備管理者來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)的及時(shí)跟進(jìn)及處理是非常必要的，因?yàn)檫@個(gè)直接決定了一些主要元器件的更換時(shí)間表及起重機(jī)日常維修保養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)。設(shè)備管理者需設(shè)置相應(yīng)的警告及報(bào)警閥值。

其中有一點(diǎn)需要特別指出的是，如果壽命檢測(cè)系統(tǒng)在起重機(jī)制造時(shí)期同步安裝，則系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)記錄代表該設(shè)備的所有操作從最初始開始。假如這套系統(tǒng)安裝在一臺(tái)運(yùn)行了多年的岸橋上，那就得將之前幾年的歷史服務(wù)信息計(jì)入系統(tǒng)，過(guò)去的歷史服務(wù)可以通過(guò)額外建立疲勞審計(jì)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

通常起重機(jī)上的報(bào)警通常分為兩類：一類是CMS系統(tǒng)警告。即利用岸橋上的CMS系統(tǒng)對(duì)一些參數(shù)超過(guò)警告閥值進(jìn)行預(yù)警。此類報(bào)警通常危險(xiǎn)系數(shù)較低，但也需維修人員引起注意及重視。另一類是聲光報(bào)警。即當(dāng)參數(shù)超過(guò)報(bào)警閥值時(shí)，岸橋上安裝的聲光報(bào)警設(shè)備會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的聲音報(bào)警，并且發(fā)有燈光閃爍以提醒起重機(jī)司機(jī)和維修人員。此類報(bào)警通常危險(xiǎn)系數(shù)中等，維修人員應(yīng)引起格外重視，需對(duì)相關(guān)元器件及系統(tǒng)等進(jìn)行必要的維修或更換。

2岸橋壽命檢測(cè)系統(tǒng)在岸橋上的應(yīng)用

2.1岸橋壽命檢測(cè)系統(tǒng)的元件組成

為了永久地處理與起重機(jī)及其主驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命相關(guān)的一些參數(shù)，此次壽命檢測(cè)系統(tǒng)的元器件主要選用了一些抗疲勞老化性能突出的產(chǎn)品，主要為TELEMECANIQUE品牌材料（施耐德電氣），包括：

（1）一個(gè)交流/直流的穩(wěn)壓電源；

（2）一個(gè)數(shù)據(jù)收集及處理器，處理通過(guò)與橋吊控制系統(tǒng)建立而收到的安裝在起重機(jī)上的一些傳感器數(shù)據(jù)；

（3）一個(gè)模塊；

（4）一個(gè)程序存儲(chǔ)模塊和一個(gè)高壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

（5）一個(gè)保存參數(shù)和結(jié)果的模塊；

（6）一個(gè)同岸橋上自動(dòng)化以及PLC系統(tǒng)建立的接口（WIFI或光纜連接兩種選擇）；

（7）一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的IP55的控制柜，柜內(nèi)安裝所有的以上元器件，該柜體既可以安裝在室內(nèi)也適用于安裝在室外。

這套系統(tǒng)對(duì)起重機(jī)的操作沒(méi)有影響，不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成干擾或功能障礙。當(dāng)內(nèi)部或環(huán)境發(fā)生機(jī)能障礙時(shí)，其自主運(yùn)行的功能足以保證其能進(jìn)行自動(dòng)診斷同時(shí)向司機(jī)發(fā)出警告。

內(nèi)部功能出現(xiàn)機(jī)能障礙時(shí)也不改變計(jì)算結(jié)果和參數(shù)的存儲(chǔ)。

2.2岸橋壽命檢測(cè)系統(tǒng)的輸出

本系統(tǒng)從安裝在起重機(jī)上的不同傳感器上采集信息，利用這些信息的輸入來(lái)定義工作周期，真正的疲勞周期（包括結(jié)構(gòu)元素的計(jì)算，在起升過(guò)程中導(dǎo)致壓力變化的各種操作事故）。同時(shí)通過(guò)計(jì)算，一方面，得到了一些重要參數(shù)，諸如起重機(jī)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的疲勞率；另一方面，則是獲得了重建所需的和結(jié)構(gòu)部件及組件相關(guān)的其他各種參數(shù)。

壽命檢測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果及參數(shù)實(shí)際有5種類型：

（1）一些需要了解的普通起重機(jī)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的損傷狀態(tài)：通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示；

（2）一些需要考慮的實(shí)際操作條件，例如極端的電纜張力，起升重量等。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以知道應(yīng)力譜疲勞周期的因素和真實(shí)的疲勞周期；

（3）一些能啟動(dòng)維護(hù)保養(yǎng)操作或條件控制的參數(shù)或結(jié)果；

（4）一些對(duì)起重機(jī)修復(fù)很有幫助的參數(shù)，同時(shí)在觸發(fā)事件的瞬間獲得寶貴的操作數(shù)據(jù)。即在事件發(fā)生的極短時(shí)間內(nèi)，一些參數(shù)狀態(tài)的持續(xù)變化，諸如起重機(jī)起升過(guò)載、左右偏載、掛艙故障等。

壽命檢測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警根據(jù)各個(gè)參數(shù)所設(shè)定的對(duì)應(yīng)安全閥值來(lái)進(jìn)行報(bào)警，系統(tǒng)可直接輸出至警報(bào)器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)也將結(jié)果傳輸至起重機(jī)主PLC系統(tǒng)，在CMS系統(tǒng)中進(jìn)行警告或報(bào)警，可以使維修保養(yǎng)人員清楚地了解具體問(wèn)題，以便進(jìn)行及時(shí)跟進(jìn)處理。

3結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是一套獨(dú)立自主運(yùn)行的系統(tǒng)，其不會(huì)對(duì)起重機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行干擾，同時(shí)也不受控制系統(tǒng)故障等影響，具有很高的安全性及穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)收集，分析處理得出一些重要參數(shù)，再對(duì)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)及主要驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命進(jìn)行評(píng)估，報(bào)警，增加了起重機(jī)的安全性，延長(zhǎng)了起重機(jī)的使用壽命，對(duì)起重機(jī)領(lǐng)域的持續(xù)應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧海浩.基于nsoft的塔式起重機(jī)疲勞載荷譜編制及疲勞剩余壽命估算.起重運(yùn)輸機(jī)械，2015（11）.

[2]曹掌兵.分析全站儀在起重機(jī)檢驗(yàn)中的應(yīng)用.裝備制造技術(shù)，2015（07）.

[3]黃邢陳.橋式起重機(jī)安全監(jiān)控與性能評(píng)估系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 上海交通大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：

陳明/男/1982年生/上海人/工程師/本科/研究方向?yàn)殡姎庀到y(tǒng)在岸橋上的應(yīng)用