巷道堆垛機健康管理系統(tǒng)的構(gòu)建研究

陳華婷，韓春宇，魏金旺，劉 斌

（1.北京物資學(xué)院，北京 101149；2.北京順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司牛欄山酒廠，北京 100000）

0 引言

巷道堆垛機的可靠性是提高企業(yè)生產(chǎn)率，提升企業(yè)經(jīng)濟效益，減少企業(yè)損失的前提條件。通過對巷道堆垛機實施健康管理，可以提高巷道堆垛機的利用率，避免巷道堆垛機的安全隱患，提高巷道堆垛機的可靠性。因而，對巷道堆垛機進行健康管理具有重要意義。目前，能夠滿足巷道堆垛機健康管理需求的相關(guān)系統(tǒng)并不多，功能也不夠完善和實用，因此構(gòu)建面向巷道堆垛機的健康管理系統(tǒng)尤為重要。

1 巷道堆垛機健康管理概念分析

目前針對設(shè)備健康管理的相關(guān)研究主要有：朱子玉針對煙草行業(yè)設(shè)備提出設(shè)備健康管理核心是關(guān)注設(shè)備“健康”和“亞健康”階段，保護健康狀態(tài)的持久性和穩(wěn)定性，研究設(shè)備動態(tài)損傷規(guī)律，設(shè)計和實施預(yù)防保健、健康評價、平衡調(diào)整、動態(tài)保養(yǎng)維修對策和健康保健制度，以便在全壽命周期內(nèi)設(shè)備保持健康、高效、低成本運行[1]。鄭朋偉提出煤礦機電設(shè)備健康管理系統(tǒng)是指建立在網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及相關(guān)理論基礎(chǔ)之上，發(fā)揮電子商務(wù)服務(wù)性、分布性等優(yōu)勢對設(shè)備的智能化維護，最終實現(xiàn)對現(xiàn)有資源重新整合，確保機電設(shè)備的健康管理[2]。趙中敏針對大型復(fù)雜設(shè)備提出設(shè)備健康管理是通過整合涉筆管理規(guī)章制度和業(yè)務(wù)流程，緊密結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測、維修、使用和環(huán)境等信息，對設(shè)計設(shè)備健康的因素進行全面過程控制，對維修活動進行計劃和優(yōu)化[3]。

在借鑒已有研究基礎(chǔ)的條件下，針對巷道堆垛機的健康管理特征，本文提出巷道堆垛機的健康管理是以巷道堆垛機的運行狀態(tài)為核心，緊密結(jié)合巷道堆垛機狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境、使用等信息，對巷道堆垛機進行故障診斷分析，并對巷道堆垛機的健康狀態(tài)進行評價，為了達到提高巷道堆垛機運行可靠性的目的，制定相應(yīng)的巷道堆垛機使用和維護策略，保持巷道堆垛機的理想工作狀態(tài)，實現(xiàn)巷道堆垛機的主動、可持續(xù)性維護。

圖1 巷道堆垛機的健康管理

2 影響巷道堆垛機運行可靠性的主要因素分析

巷道堆垛機的運行可靠性對企業(yè)物流系統(tǒng)的正常運作至關(guān)重要，貨物的入庫與出庫操作均需要巷道堆垛機完成，巷道堆垛機的運行可靠性受諸多因素的影響。以某企業(yè)為例，對影響巷道堆垛機運行可靠性的主要因素進行分析，具體可以概括為四個方面：1）倉庫內(nèi)環(huán)境參數(shù)溫濕度不均勻。從環(huán)境溫度角度考慮巷道堆垛機的電動機、軸承等部件在高速運行情況下因溫升和散熱不佳產(chǎn)生熱膨脹，從而造成結(jié)構(gòu)之間咬死，產(chǎn)生設(shè)備故障或損壞；從環(huán)境濕度角度來考慮，濕度較大會造成巷道堆垛機零部件的生銹與腐蝕，在腐蝕部位可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成設(shè)備突然損壞；2）設(shè)備動態(tài)特性振動與噪聲較大。由于巷道堆垛機的大型物流設(shè)備，設(shè)備的振動與噪聲不可避免，但巷道堆垛機的振動和噪聲過大會引起其定位精度不準(zhǔn)，影響其性能，大大降低系統(tǒng)的使用壽命；3）關(guān)鍵電子器件變頻器故障。變頻器故障會使主電路出現(xiàn)故障，進而造成巷道堆垛機的無法運行；4）關(guān)鍵零部件故障。巷道堆垛機的關(guān)鍵零部件如主軸、主動輪及導(dǎo)向輪等過度磨損以及表面缺陷，會造成零部件容易失效，其最主要的失效形式為零件工作表面的磨損失效，如果零件的磨損超過了某一限度，就會喪失其規(guī)定的功能，引起巷道堆垛機性能下降或不能工作。

3 巷道堆垛機健康管理系統(tǒng)設(shè)計分析

巷道堆垛機的健康管理系統(tǒng)是通過對巷道堆垛機及其部件健康狀態(tài)的影響因素進行監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上，對巷道堆垛機在運行中出現(xiàn)的故障進行有效的診斷，并結(jié)合當(dāng)前巷道堆垛機的健康狀態(tài)進行評估，確定巷道堆垛機的健康狀態(tài)等級，最終提出巷道堆垛機健康管理措施，實現(xiàn)巷道堆垛機健康狀態(tài)全程管理。因此該系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能如下：

1）巷道堆垛機的數(shù)據(jù)采集與處理

對巷道堆垛機基本信息，即巷道堆垛機的設(shè)計參數(shù)及影響其運行可靠性的相關(guān)因素進行數(shù)據(jù)采集，并通過傳感技術(shù)對巷道堆垛機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行處理。

2）巷道堆垛機的故障診斷

對巷道堆垛機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)并采用多分析方法（如時頻分析、包絡(luò)分析等）將采集的數(shù)據(jù)進行分析處理[4]。并且與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工況實時對比分析，查出故障點或劣化點，提前做好故障診斷工作，準(zhǔn)確預(yù)測巷道堆垛機故障工作點，針對巷道堆垛機的故障提出有效的健康維護措施。

3）巷道堆垛機的健康狀態(tài)評估

利用在線檢測系統(tǒng)或離線檢測系統(tǒng)獲得巷道堆垛機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，科學(xué)選取指標(biāo)，建立相適應(yīng)的評價體系，科學(xué)判斷巷道堆垛機的工作狀態(tài)，明確巷道堆垛機健康級別，并分類采取措施。

4）數(shù)據(jù)傳輸功能

通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備故障診斷以及設(shè)備維護等數(shù)據(jù)與外部環(huán)境的實時傳輸，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、安全性以及穩(wěn)定性。

該系統(tǒng)基本框架圖如圖2所示。

4 巷道堆垛機的故障診斷分析

針對巷道堆垛機進行故障診斷分析是巷道堆垛機健康管理系統(tǒng)的核心內(nèi)容。其中巷道堆垛機的健康狀態(tài)監(jiān)測是進行故障診斷分析的前提，在此前提下，結(jié)合巷道堆垛機相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，對巷道堆垛機進行故障樹建模，實現(xiàn)巷道堆垛機的故障診斷分析。

4.1 巷道堆垛機的健康狀態(tài)監(jiān)測

對巷道堆垛機在實際運行中的健康狀態(tài)監(jiān)測，是對巷道堆垛機進行故障診斷分析的前提。本文針對巷道堆垛機的健康狀態(tài)監(jiān)測主要從以下幾方面開展，并選取狀態(tài)監(jiān)測典型模塊振動與噪聲模塊進行詳細(xì)說明：

1）外部環(huán)境檢測模塊

圖2 巷道堆垛機健康管理系統(tǒng)主要功能模塊

在立體倉庫內(nèi)多個位置放置USB溫濕度傳感器節(jié)點進行外部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集，采樣頻率為2min/份，可以得到倉庫內(nèi)溫濕度數(shù)值波動范圍以及相對位置的溫濕度數(shù)值，對整個立體倉庫的溫濕度特性分析，進而可以設(shè)置正常的工作范圍，在溫度、濕度超過正常工作范圍時進行預(yù)警。

2）振動與噪聲模塊

巷道堆垛機運行時的振動和噪聲是檢測巷道堆垛機好壞的主要性能指標(biāo)。其振動與噪聲會引起其定位精度不準(zhǔn)，加速機械的磨損，不但會影響其性能，降低系統(tǒng)的可靠性，還大大降低了系統(tǒng)的使用壽命。

本文以一臺巷道堆垛機為例，對振動與噪聲測試數(shù)據(jù)進行分析，得到振動信號關(guān)于時間t的表達式為y1=-1.2943×10-7t5-1.0764×10-5t4-8.4445×10-5t3-0.0144t2+0.3997t-0.8345；噪聲信號關(guān)于時間t的表達式為y2=8.9909×10-6t5-0.0011t4+0.0450t3-0.8524t2+6.9720t+73.9512，其振動與噪聲的相關(guān)系數(shù)c=0.4526，為實相關(guān)關(guān)系，顯著性檢驗得p=0.0012＜0.05，因此振動信號與噪聲信號之間存在正相關(guān)關(guān)系。這樣，可以根據(jù)振動與噪聲信號進行對比分析以及相關(guān)分析，對巷道堆垛機出現(xiàn)的故障進行有效的診斷。

如圖3所示是一臺巷道堆垛機的時域波形圖，采樣頻率為5120Hz。將巷道堆垛機的噪聲數(shù)據(jù)與振動數(shù)據(jù)進行對比分析，巷道堆垛機噪聲信號記錄如圖3所示，時間段114s～224s（圖中框線所示）為巷道堆垛機全程運行時間，時間段114s～165s巷道堆垛機由巷道的起點運行至巷道的終點，時間段167s～224ss巷道堆垛機由巷道的終點返回至巷道的起點，橫線為巷道堆垛機噪聲標(biāo)準(zhǔn)值基線84dB，巷道堆垛機振動信號記錄如圖4所示，時間段14s～124s（圖中框線所示）為巷道堆垛機全程運行時間，其中時間段14s～61s巷道堆垛機由巷道的起點運行至巷道的終點，時間段64s～124s巷道堆垛機由巷道的終點返回至巷道的起點，噪聲信號記錄與振動信號記錄中，巷道堆垛機從開始運行，運行了81s時（圖中三角所示位置），噪聲數(shù)值和振動數(shù)值兩者同時較大，在此處可能存在著巷道堆垛機與軌道配合不均勻故障；巷道堆垛機從開始運行，運行了92s時（圖中三角所示位置），噪聲數(shù)值和振動數(shù)值兩者同時較大，經(jīng)檢查，在此處可能存在著軌道過度磨損問題。

經(jīng)過分析，可以對某企業(yè)20臺巷道堆垛機的故障進行有效的識別，經(jīng)分析其中出現(xiàn)的故障有：5號巷道堆垛機導(dǎo)軌不平順故障；13號巷道堆垛機存在與導(dǎo)軌配合不均勻故障；4號巷道堆垛機工作方式不在聯(lián)機位置或是通訊網(wǎng)絡(luò)受到干擾；15號巷道堆垛機軌道接頭開焊或變形；14號巷道堆垛機行走輪部分剝落或部分磨損嚴(yán)重；10號巷道堆垛機變頻器故障或前進或后退行程開關(guān)位置不對；11號巷道堆垛機載貨及貨叉伸縮機構(gòu)裝配不標(biāo)準(zhǔn)。

表1 某企業(yè)13號巷道堆垛機數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3 某企業(yè)13號巷道堆垛機噪聲測試結(jié)果統(tǒng)計圖

圖4 某企業(yè)13號巷道堆垛機振動信號時域圖

3）變頻器模塊

針對變頻器的工作特點，對變頻器主要運行參數(shù)進行監(jiān)控，當(dāng)參數(shù)超過額定值時進行報警，可有效預(yù)防故障的發(fā)生，保證變頻器穩(wěn)定可靠的運行。

電流監(jiān)測：運行電流允許范圍通常為：一般負(fù)載：0～150%（100%對應(yīng)變頻器的額定電流），重載：0～200%（100%對應(yīng)變頻器的額定電流）。電流不是平穩(wěn)恒定的，而是根據(jù)負(fù)載動作不斷變化的曲線，系統(tǒng)要分析的是在正常變化的過程中，標(biāo)定電流變化的異常信息。

電壓監(jiān)測：220V變頻器輸入電壓范圍（200V～240V），直流母線電壓：DC：340V。380V變頻器輸入電壓范圍（380V～440V），直流母線電壓：DC：620V。監(jiān)控直流母線電壓值，可以了解電壓突變情況，對于保護無剎車電阻保護的變頻器有重要意義。

IGBT溫度監(jiān)測：IGBT溫度設(shè)定出廠在0～110度。超溫會報警，并損壞模塊。造成變頻器永久性損壞，所以溫度控制檢測非常重要。不能允許IGBT工作在超過80度環(huán)境下工作。

轉(zhuǎn)矩監(jiān)測：輕載過轉(zhuǎn)矩（110%）60秒內(nèi)報警，重載過轉(zhuǎn)矩（160%）60秒內(nèi)報警。

4）關(guān)鍵零部件無損檢測模塊

針對巷道堆垛機的關(guān)鍵部件，包括主軸，主動輪以及導(dǎo)向輪進行無損檢測，識別其表面損傷，出具檢測報告，提前預(yù)知部件故障的發(fā)生，避免更嚴(yán)重事故的發(fā)生。

4.2 巷道堆垛機故障診斷模型的建立

基于巷道堆垛機狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，采用FTA方法對故障診斷中的模型進行建立，通過模型的建立可以找到巷道堆垛機系統(tǒng)運行的薄弱環(huán)節(jié)，對故障進行預(yù)測，進而可以有針對性的采取維護措施，實現(xiàn)巷道堆垛機的高效運行[5]。本文以“巷道堆垛機不能運行”為頂事件，建立巷道堆垛機的故障樹模型，其故障主要表現(xiàn)在兩個方面，巷道堆垛機的機械系統(tǒng)故障和電氣系統(tǒng)故障。如圖5～圖10所示為典型的故障樹模型。

圖5 故障樹主結(jié)構(gòu)

圖6 運行機構(gòu)X向故障樹分支

圖7 起升機構(gòu)Z向故障樹分支

圖8 伸叉機構(gòu)Y向故障分支

圖9 主電路故障樹分支

圖10 控制系統(tǒng)故障樹分支

表2 故障樹明細(xì)表

續(xù)（表2）

得到巷道堆垛機故障樹的最小割集，得到的故障樹最小割集為{19}、{26}、 {27}、{28}、{29,41}、{30}、{32}、{33}、{34}、{36}、{37}、{43}、{44}、{45}、{47}、{48}、{51}、{52}、{53}、{55}、{56}、{57}、{58}、{60}、{61}、{67}、{68}、{69}、{70}、{71}、{72}、{73}、{74}、{75}、{76}、{77}、{78}、{79}、{80}、{81}、{82}、{83}、{84}、{85}。

通過計算結(jié)果可知，該故障樹有44個最小割集，所以，要想頂事件“巷道堆垛機不能正常工作”不發(fā)生，應(yīng)避免以上最小割集事件的發(fā)生，反之，一旦頂事件發(fā)生，則可根據(jù)故障樹對可能發(fā)生的事件由上向下逐一分析，對故障加以排除[6]。一般來說，最小割集最多，引起頂事件發(fā)生故障的模式越多，系統(tǒng)越危險，求最小割集可全面掌握頂事件發(fā)生的可能性。

5 巷道堆垛機健康管理措施的提出

針對巷道堆垛機科學(xué)的健康管理可以有效降低其故障的發(fā)生概率，巷道堆垛機的健康管理措施可以從以下兩方面進行考慮：

1）運行環(huán)境可靠性提升措施

巷道堆垛機的運行環(huán)境對巷道堆垛機的性能有很大影響，地軌上有油漬或者紙盒，導(dǎo)致巷道堆垛機在剎車時產(chǎn)生滑動報警，影響其性能；在溫濕度過高或者過低會對巷道堆垛機的機械性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致設(shè)備故障。因此巷道堆垛機的使用過程中需要著重注意對巷道堆垛機使用環(huán)境的管理?？梢砸?guī)定在指定時間內(nèi)對巷道堆垛機運行軌道附近進行除塵與清潔，在立體式貨架附近設(shè)置攔網(wǎng)防止雜物掉落影響巷道堆垛機運行；在極端天氣情況下需要做好倉庫的溫度調(diào)節(jié)工作，以防止使用環(huán)境影響巷道堆垛機的運行，并注意加強通風(fēng)，防止因環(huán)境濕度過大導(dǎo)致的巷道堆垛機生銹腐蝕。

2）運行狀態(tài)監(jiān)測可靠性提升措施

分析巷道堆垛機的運行狀態(tài)，采取以下措施進行有效維護，減少振動與噪聲對巷道堆垛機的性能的影響：（1）加強日常對巷道堆垛機的維護工作，檢查導(dǎo)軌、機架有無松動的現(xiàn)象；（2）加強潤滑工作，保證傳動機構(gòu)的穩(wěn)定性；加強對電動機的維護，有效控制電動機的振動；（3）在某些振動位移突出的結(jié)構(gòu)部位，加強其剛度，使其模態(tài)頻率轉(zhuǎn)移，振幅減??；（4）在主要構(gòu)件的連接部位加裝橡膠隔振墊，隔振墊對較高頻振動能量有很強的吸收和隔離作用，可以有效隔離高頻振動；（5）對驅(qū)動輪和支撐輪采用聚氨酯合金和把高阻尼材料鑲嵌在輪腰上下兩側(cè)來減振降噪，改剛向?qū)蜉啚閷嵭妮喬ナ綄?dǎo)向輪，減少和降低金屬撞擊噪聲。

對變頻器進行有效維護，是保證巷道堆垛機運行可靠性的前提，其維護措施可以從以下四方面進行考慮：（1）日常檢查。電源電壓和電流是否在允許范圍內(nèi)；變頻器和電動機是否有異常振動和異常聲音；各種顯示是否正常等；（2）定期對變頻器進行維護。對緊固件進行必要的緊固；定期清掃風(fēng)機進風(fēng)口、散熱片和空氣過濾器上的灰塵、臟物，使風(fēng)路暢通；檢查絕緣電阻是否在正常范圍內(nèi)等；（3）控制變頻器運行時間，避免變頻器過熱。變頻器在運行過程中，考慮到變頻器的使用壽命和變頻器的運行規(guī)律，需要采取間歇式控制的方式，避免變頻器過熱給變頻器控制元件帶來較大的傷害；（4）定期更換零部件。變頻器中不同種類的零部件使用壽命不同，并隨著安裝的環(huán)境和使用條件改變。使用中，應(yīng)隨時注意觀察、分析和及時更換。

3）降低巷道堆垛機的利用率

通過增加成品庫發(fā)貨時間以及利用空閑時間倒庫，將次日發(fā)貨的產(chǎn)品倒到離出庫臺最近最低的地方，可以大大縮短出庫作業(yè)周期，提高巷道堆垛機實際出入庫能力，減低其利用率，提高運行可靠性。

6 結(jié)論

目前針對物流大型設(shè)備健康管理系統(tǒng)的研究，還處于初步階段，相關(guān)研究還沒有成熟方案。本文根據(jù)巷道堆垛機實際運行情況，建立巷道堆垛機的健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了巷道堆垛機的主動、可持續(xù)維護，提高了巷道堆垛機的運行可靠性，進而提升了物流系統(tǒng)的運作效率。并將此系統(tǒng)實際應(yīng)用到企業(yè)中，解決企業(yè)的實際問題。對于設(shè)備健康管理方面的研究具有重要意義。

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