岸橋起升減速箱停機(jī)散熱模型構(gòu)建與健康狀態(tài)快速劃分研究*

呂賽格,胡 雄,王 冰,王 微,張道兵

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院,上海 201306)

0 引 言

作為大型集裝箱港口裝卸設(shè)備的岸橋在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著極其重要的角色[1]。起升機(jī)構(gòu)是岸橋的重要組成部分之一,通常岸橋工作環(huán)境惡劣,起升減速箱工作頻率高、負(fù)載重,會產(chǎn)生大量熱量,如果熱量得不到良好散發(fā),會使減速箱的溫度升高[2],故障、損壞現(xiàn)象會隨之出現(xiàn),這將大大縮短減速箱的使用壽命,進(jìn)而影響岸橋正常工作。因此,研究起升減速箱散熱規(guī)律,并快速判斷健康狀態(tài),對提升岸橋安全監(jiān)測水平具有重要意義。

目前,對減速箱散熱規(guī)律的研究已有少量文獻(xiàn)。高春慧等[3]對某起升減速箱停機(jī)狀態(tài)下的散熱規(guī)律進(jìn)行了研究,通過集總熱容法推導(dǎo)出散熱溫度模型并得出了一些散熱規(guī)律。YAN Ke等[4]對減速箱內(nèi)的球軸承保持架在超高轉(zhuǎn)速下的散熱特性進(jìn)行了研究,得出了空氣油流量和熱沉降與合適的保持架參數(shù)緊密相關(guān)。張昕冉等[5]對風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部減速箱的散熱進(jìn)行了初步探討,分析了減速箱過溫的主要影響因素及危害,并提出了多種散熱改造方案。但當(dāng)前大多研究是通過熱網(wǎng)絡(luò)法或有限元法來建立減速箱的穩(wěn)態(tài)溫度場分布模型,而對于減速箱非穩(wěn)態(tài)的溫度場,即減速箱溫度隨著時(shí)間的變化而時(shí)刻發(fā)生變化的溫度模型構(gòu)建與分析則很少有研究。

隨著機(jī)械設(shè)備日趨復(fù)雜,多數(shù)學(xué)者傾向于研究機(jī)械設(shè)備的故障位置或類型,常常忽略其健康狀況,而健康狀態(tài)識別為機(jī)械故障診斷奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。當(dāng)前最普遍的研究主要是基于振動信號的分析與處理來對減速箱進(jìn)行健康診斷。振動信號具有豐富的健康狀態(tài)信息和易于測量的特點(diǎn),因此,提取足夠健康狀態(tài)信息的特征是減速箱健康診斷的關(guān)鍵[7]。LI Yong-zhuo等[8]基于信號稀疏分解和階數(shù)跟蹤技術(shù),提出了一種從減速箱非平穩(wěn)振動信號中提取故障特征的新方法,用于對減速箱的健康狀態(tài)識別。侯美慧等[9]以岸橋減速箱為研究對象,基于Weibull和GG模糊聚類對其進(jìn)行了健康狀態(tài)識別,劃分了健康、亞健康、故障3種狀態(tài)。BARBIERI N等[10]以汽車變速箱為研究對象,通過比較受損與未受損振動信號的能量級和熵來直接驗(yàn)證變速箱是否存在損傷。CHEN Hui-peng等[11]采用基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙向振動信號數(shù)據(jù)融合方法對行星減速箱進(jìn)行了健康狀態(tài)識別,并與SVM和BPNN方法進(jìn)行了比較,其分類準(zhǔn)確率明顯更高。

雖然大部分設(shè)備的故障都可以通過分析振動信號來反映,但現(xiàn)場采集的信號數(shù)據(jù)往往摻雜著許多干擾信號,使得信號的特征與故障并不是簡單對應(yīng)的關(guān)系,從單一的振動信號中提取出判斷故障的依據(jù)比較麻煩[12]。所以,需要尋求其他的指標(biāo)來共同完成對設(shè)備健康狀態(tài)的評估,若將幾個(gè)衡量減速箱健康狀態(tài)的指標(biāo)結(jié)合起來共同進(jìn)行分析研究,這將會降低提取判斷故障依據(jù)的復(fù)雜性,并提高減速健康診斷的準(zhǔn)確性與可靠性。然而,目前基于溫度信號的減速箱狀態(tài)劃分很少有研究。

由于工作狀態(tài)下,影響減速箱散熱的因素過于復(fù)雜,因?yàn)闇p速箱的散熱系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程中都是起作用的,在工作狀態(tài)下與在停機(jī)狀態(tài)下的散熱系統(tǒng)是相同的,散熱條件也是一樣的。而在停機(jī)狀態(tài)下研究散熱系統(tǒng),建立散熱模型相比于工作狀態(tài)時(shí)影響因素少,較為簡單。

綜上所述,筆者針對停機(jī)狀態(tài)下的減速箱散熱規(guī)律及健康診斷進(jìn)行研究,以上海港某岸橋起升減速箱為研究對象,分析散熱機(jī)理及影響散熱的主要因素,進(jìn)而建立散熱溫度模型,從而得到散熱規(guī)律;最后通過停機(jī)散熱初始溫度的判斷對減速箱的健康狀態(tài)進(jìn)行快速劃分。

1 減速箱的散熱溫度模型

1.1 散熱機(jī)理分析

為研究影響某岸橋起升減速箱散熱的因素,筆者對其散熱機(jī)理進(jìn)行分析。減速箱的熱態(tài)過程包括產(chǎn)生熱量和散發(fā)熱量的過程[13]。減速箱由嚙合齒輪、軸承及齒輪攪動潤滑油的摩擦等原因產(chǎn)生熱量,通過箱體內(nèi)潤滑油的吸熱及箱體表面向空氣中傳遞熱量來散發(fā)熱量,即齒輪、軸承等產(chǎn)生的摩擦熱一部分由潤滑油吸收,另一部分散失到空氣中。正常情況下,潤滑油吸收的熱量與散失到空氣中的熱量總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于減速箱內(nèi)各構(gòu)件由于摩擦產(chǎn)生的熱量,因此會減少減速箱的溫升,達(dá)到散熱的目的。

1.2 影響散熱的因素分析

在工作狀態(tài)下,減速箱的溫度受各種因素影響而時(shí)刻發(fā)生變化,不易分析,而停機(jī)狀態(tài)下的溫度曲線是單調(diào)下降的,此時(shí)只有散熱沒有產(chǎn)熱,只需分析影響散熱的因素,主要包括:散熱系數(shù)、散熱表面積、潤滑油的品質(zhì)、潤滑油量、初始溫度和環(huán)境溫度等[14]。本文采集高速軸上一處的溫度,在減速箱高速軸、潤滑油確定的情況下,高速軸的散熱系數(shù)、散熱表面積、潤滑油的比熱容等為恒定的量。下面分析其余變量對減速箱散熱的影響情況:

(1)潤滑油油量

在不超過額定油量時(shí),減速箱溫度與潤滑油量成負(fù)相關(guān),即油量越多,吸收的熱量越多,減速箱的溫度下降越快。但潤滑油量越多、吸收的熱量越多時(shí),油溫會升高,導(dǎo)致粘度減小、流動性增加,進(jìn)而增加潤滑油的泄漏機(jī)率,使整個(gè)潤滑系統(tǒng)油壓減小,引起潤滑油成膜性能變差,導(dǎo)致減速箱內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生接觸磨損,最終使得減速箱頻繁發(fā)生故障[15]。

(2)初始溫度

筆者選取上海港3臺岸橋在同一天同一時(shí)間段的散熱溫度數(shù)據(jù),3臺岸橋構(gòu)造基本一致,又處于同一環(huán)境中,此時(shí)的變量為岸橋停機(jī)時(shí)減速箱的溫度,即減速箱開始散熱的初始溫度。

不同初始溫度下,3臺岸橋起升減速箱經(jīng)過相同時(shí)間(4 h),測得的溫度變化率如表1所示。

表1 不同初始溫度下岸橋起升減速箱溫度變化率

根據(jù)表1可以看出:經(jīng)過相同時(shí)間,初始溫度低的減速箱溫度變化率比初始溫度高的小,即初始溫度越高,減速箱溫度下降趨勢越大。這可能受冷卻風(fēng)扇的調(diào)節(jié)作用,當(dāng)溫度較高時(shí),風(fēng)扇會增大自身功率來加快散熱的速率。

(3)環(huán)境溫度

由傳熱學(xué)原理可得,減速箱溫度與環(huán)境溫度成負(fù)相關(guān),即環(huán)境溫度越高,從減速箱散失到空氣中的熱量就越小,減速箱溫度下降的速率就越慢。

1.3 散熱溫度模型

停機(jī)狀態(tài)下,減速箱只散熱不產(chǎn)熱。散失的熱量一部分由潤滑油吸收,一部分則散失到空氣中,所以溫度T與潤滑油吸收的熱量Qoil和散失到空氣中的熱量Qair相關(guān),可表示為:

T=fs(Qoil,Qair)

(1)

式中:fs(Qoil,Qair)—T與Qoil和Qair的函數(shù)關(guān)系。

影響物質(zhì)吸熱能力的因素有:物質(zhì)的種類、質(zhì)量及其溫度變化值。對于潤滑油,其吸熱的公式如下[16]:

Qoil=cmΔt

(2)

式中:c—潤滑油的比熱容,J/(kg·K);m—潤滑油的質(zhì)量,kg,質(zhì)量等于體積v乘以密度ρ,潤滑油的體積可以等效為潤滑油量q;Δt—潤滑油溫度的變化值,℃。

散失到空氣中的熱量為:

Qair=αS(T0-Tair)

(3)

式中:α—散熱系數(shù),W/(m·K);S—散熱表面積,mm2;T0—初始溫度,℃;Tair—環(huán)境溫度,℃。

由式(1～3)可得:

T=f′(c,q,α,S,T0,Tair)

(4)

式中:f′(c,q,α,S,T0,Tair)—T與c,q,α,S,T0和Tair的函數(shù)關(guān)系。

由1.2分析影響減速箱散熱的因素得:c,α和S是確定的,所以溫度模型為:

T=g(q,T0,Tair)

(5)

式中:g(q,T0,Tair)—溫度T與潤滑油量q、初始溫度T0和環(huán)境溫度Tair的函數(shù)關(guān)系。

2 起升減速箱數(shù)據(jù)擬合

某岸橋起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

本文需要采集的信號數(shù)據(jù)為高速軸的振動與溫度數(shù)據(jù)。起升減速箱高速軸上的實(shí)際溫度、振動加速度傳感器測點(diǎn)圖如圖2所示。

圖2 起升減速箱高速軸實(shí)際溫度、振動加速度傳感器測點(diǎn)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

筆者對上海港某岸橋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該岸橋在2009年剛投入使用為健康狀態(tài),高速軸軸承在2014年發(fā)生故障,并在維修后恢復(fù)工作,此處采集了從2009年至2015年,即減速箱從正常工作到故障再到正常工作一個(gè)周期的數(shù)據(jù)。岸橋在工作過程中,會由于臺風(fēng)或者檢修等原因,不定時(shí)地停機(jī),使得非工作態(tài)數(shù)據(jù)會混雜在工業(yè)大數(shù)據(jù)中,同時(shí)也會產(chǎn)生部分由于傳感器故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失。本文在分析前已進(jìn)行了數(shù)據(jù)的預(yù)處理,祛除了無效數(shù)據(jù)和缺失數(shù)據(jù),所以并不影響研究。

本文涉及的測點(diǎn)編號、名稱及其通道如表2所示。

表2 涉及測點(diǎn)的名稱及對應(yīng)通道

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采集的信號包括工作信號和停機(jī)信號:工作時(shí)的振動信號是有明顯的幅值,而停機(jī)狀態(tài)下的振動信號幅值接近地毯值[17];對于溫度信號,工作狀態(tài)下減速箱既產(chǎn)熱又散熱,溫度信號呈現(xiàn)頻繁波動的形狀,而停機(jī)狀態(tài)下減速箱不產(chǎn)熱只散熱,則溫度信號是單調(diào)下降的。

振動信號與溫度信號的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 振動與溫度信號的時(shí)域圖

圓圈以外為工作狀態(tài)下的信號,圓圈以內(nèi)則是停機(jī)狀態(tài)下的信號。

由于現(xiàn)場存在環(huán)境噪聲等多種因素干擾,采集的數(shù)據(jù)并不都是完整的,為了提高數(shù)據(jù)分析與處理的準(zhǔn)確性和可靠性,需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段處理毛刺,運(yùn)用采集系統(tǒng)自帶的功能進(jìn)行毛刺剔除;第二階段根據(jù)研究需要進(jìn)行處理,包括去除本底噪聲、清除空數(shù)據(jù)和信號平滑處理等。

本文通過系統(tǒng)編程清除空數(shù)據(jù),采用局部最小值法去除本底噪聲,對由量化誤差造成曲線抖動的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,得到較為平整光滑的信號。

平滑處理前后的溫度信號如圖4所示。

圖4 平滑處理前后的溫度信號

2.3 溫度擬合

筆者提取停機(jī)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合和非線性擬合。不同擬合模型對2011年4月9日至15日中停機(jī)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)的擬合情況,如圖5所示。

圖5 不同模型的擬合結(jié)果

4種擬合模型的擬合度如表3所示。

表3 4種不同模型的擬合度

由圖5及表3可以看出,Explinear指數(shù)模型的擬合效果最好。筆者選其作為減速箱的散熱溫度模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(6)

該模型的擬合參數(shù)如表4所示。

表4 Explinear模型擬合參數(shù)

筆者對選定的散熱溫度模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證:將該模型對2009年至2015年間的停機(jī)散熱數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其中4組數(shù)據(jù)的擬合情況如圖6所示。

圖6 Explinear模型驗(yàn)證

將擬合參數(shù)及誤差生成報(bào)告,如表5所示。

表5 4組驗(yàn)證數(shù)據(jù)的擬合參數(shù)及誤差

由表5可以看出,選定的Explinear指數(shù)模型擬合效果良好,則將其作為散熱溫度模型符合減速箱停機(jī)散熱規(guī)律。

高春慧對減速箱的停機(jī)散熱建立集總熱容模型,對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到數(shù)學(xué)模型y=ea+bc+cx2,雖然擬合效果良好,但其只是對減速箱散熱模型的建立做了基礎(chǔ)性的工作,并沒有將擬合出的公式與實(shí)際影響散熱的因素對應(yīng)起來。由于篇幅原因,本文將不對兩個(gè)模型的具體對比進(jìn)行闡述,會在后續(xù)的研究中進(jìn)行完善。

2.4 停機(jī)散熱規(guī)律

結(jié)合停機(jī)散熱模型及擬合參數(shù)、誤差整合可以得到以下規(guī)律:

(1)上海港某岸橋起升減速箱的停機(jī)散熱溫度曲線呈指數(shù)衰減形式,其數(shù)學(xué)表達(dá)式基本符合式(6);(2)曲線擬合得到的Explinear指數(shù)模型的參數(shù)中,參數(shù)p4為負(fù)數(shù),參數(shù)p2的數(shù)量級在4個(gè)參數(shù)中最大;(3)在擬合過程中參數(shù)p2的誤差最大,說明p2對減速箱的停機(jī)散熱影響最大,其對應(yīng)于影響減速箱停機(jī)散熱的因素中最重要的因素;(4)從擬合曲線可以看出,停機(jī)狀態(tài)下減速箱的溫度先下降很快,當(dāng)下降到一定程度后,下降趨勢變得平緩,即減速箱散熱存在著先快后慢的規(guī)律。原因是運(yùn)行結(jié)束后,減速箱溫度較環(huán)境溫度高,所以其傳遞熱量的能力較強(qiáng),熱量散失較多,此時(shí)溫度下降較快;當(dāng)減速箱溫度下降到接近環(huán)境溫度時(shí),由于溫差越來越小,傳遞熱量的能力也隨之變小,熱量散失較少,此時(shí)溫度下降趨勢變得平緩。

3 減速箱健康狀態(tài)快速劃分

減速箱正常工作時(shí),散熱系統(tǒng)是健康的,此時(shí)散熱遠(yuǎn)大于產(chǎn)熱,停機(jī)時(shí)的溫度較低,即減速箱開始停機(jī)散熱的初始溫度較低;而當(dāng)減速箱出現(xiàn)故障時(shí),散熱系統(tǒng)不能正常運(yùn)作,產(chǎn)生的熱量得不到良好散發(fā),停機(jī)時(shí)的溫度較高,即減速箱開始停機(jī)散熱的初始溫度較高。由此可得,減速箱的狀態(tài)與其停機(jī)散熱的初始溫度相關(guān)聯(lián),將其作為減速箱健康狀態(tài)快速劃分的依據(jù)。

基于停機(jī)散熱初始溫度的減速箱狀態(tài)快速劃分流程圖如圖7所示。

圖7 基于停機(jī)散熱初始溫度的減速箱狀態(tài)快速劃分流程

首先筆者進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理,然后提取停機(jī)散熱曲線的初始溫度,將所得的初始溫度繪制成變化趨勢圖,從圖中分析得到減速箱的健康狀態(tài)情況。李亞洲[18]通過振動信號的振動烈度熵將上海港某岸橋起升減速箱劃分為健康、亞健康、故障3種狀態(tài),并給出了對應(yīng)的時(shí)間段。

本文對2009年至2015年采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后,提取每個(gè)月減速箱停機(jī)散熱時(shí)的初始溫度,并繪制初始溫度的變化趨勢圖,如圖8所示。

圖8 減速箱停機(jī)散熱初始溫度變化趨勢圖

從圖8中可以看出,減速箱停機(jī)散熱的初始溫度存在明顯的規(guī)律:2009年1月至2010年6月、2014年10月至2015年12月初始溫度較低,此時(shí)對應(yīng)健康狀態(tài);2014年1月至8月初始溫度較高,此時(shí)對應(yīng)故障狀態(tài);2010年7月至2013年12月初始溫度介于中間,此時(shí)對應(yīng)亞健康狀態(tài)。

減速箱健康狀態(tài)劃分結(jié)果如表6所示。

表6 減速箱健康狀態(tài)劃分結(jié)果

4 結(jié)束語

本文基于2009年至2015年期間現(xiàn)場采集的上海港某岸橋起升減速箱在停機(jī)狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,構(gòu)建了岸橋起升減速箱的停機(jī)散熱模型,并對起升減速箱的健康狀態(tài)進(jìn)行了快速劃分;其主要過程如下:

(1)結(jié)合傳熱學(xué)原理及減速箱停機(jī)散熱機(jī)理,分析了影響減速箱停機(jī)散熱的因素,推導(dǎo)了散熱溫度模型;

(2)通過數(shù)據(jù)擬合、驗(yàn)證得到了停機(jī)散熱的數(shù)學(xué)模型,歸納了減速箱的散熱規(guī)律,找出了對應(yīng)于影響減速箱散熱最重要因素的擬合參數(shù),為運(yùn)行狀態(tài)下減速箱的散熱系統(tǒng)狀態(tài)研究提供了指導(dǎo)意義;

(3)以減速箱停機(jī)散熱的初始溫度為判斷依據(jù),對減速箱進(jìn)行了健康、亞健康、故障3種狀態(tài)的快速劃分。

本文的研究結(jié)果可為后續(xù)的研究人員制定減速箱的故障診斷及維修保養(yǎng)方案提供參考。