起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動與故障診斷思考

張強，陳串，付懷智

（舟山鼠浪湖碼頭有限公司，浙江 舟山 316000）

碼頭門座式起重機金屬結(jié)構(gòu)運行環(huán)境復(fù)雜，對其進行強度與振動分析，對其進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保其安全、可靠的工作，具有十分重要的意義。疲勞失效是一種普遍存在的失效模式，它的發(fā)生往往是突然的，并且受各種內(nèi)外因素的影響很大。在結(jié)構(gòu)的疲勞失效過程中，存在一種非常明顯的現(xiàn)象，即在交變荷載作用下，結(jié)構(gòu)的一次或多次振動頻率與其自身的一次或多次振動頻率相同或相近時，將會出現(xiàn)一次諧波，此時，特定的激勵將引起相應(yīng)的反應(yīng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。這給運行人員的生命安全以及企業(yè)的經(jīng)濟效益帶來了不同程度的損失?；诖?，開展起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動與故障診斷思考分析研究就顯得尤為必要。

1 碼頭門座式起重機金屬結(jié)構(gòu)特點

碼頭門座式起重機主要應(yīng)用于海港及內(nèi)河港口的通用碼頭，其工作狀況對碼頭裝卸作業(yè)的效率產(chǎn)生了本質(zhì)的影響。裝備由金屬結(jié)構(gòu)、機械與電氣系統(tǒng)三個部分組成，金屬結(jié)構(gòu)由平衡系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、人字架、回轉(zhuǎn)平臺、均衡梁、司機室、機器房等組成。機械裝置有四種，即升降、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和移動；電力系統(tǒng)包括電力、電力供應(yīng)、電力控制等。就拿當(dāng)前港口常用的圓筒型門座起重機來說，它屬于剛性拉桿四連桿式組合臂架系統(tǒng)，可以在變幅度過程中實現(xiàn)對吊裝貨物的水平轉(zhuǎn)移，其工作級別和結(jié)構(gòu)工作級別如表1 所示。

表1 碼頭門座式起重機工作級別和結(jié)構(gòu)工作級別表

2 起重機械金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)疲勞和動態(tài)疲勞的差別

2.1 起重機械金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)疲勞

起重機械金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)疲勞不考慮阻尼和模態(tài)等響應(yīng)情況，只是考慮應(yīng)力集中這一項因素。在進行疲勞曲線制定時，通常是在一定的應(yīng)力條件下，選擇非振頻率進行試驗。裂紋的擴展特性為采用經(jīng)驗公式或者疲勞斷裂力學(xué)方法來研究疲勞規(guī)律。在工程應(yīng)用方面，通常只是考慮材料、結(jié)構(gòu)形式，工藝以及消除缺陷和降低應(yīng)力集中等問題。

2.2 起重機械金屬結(jié)構(gòu)動態(tài)疲勞

起重機械金屬結(jié)構(gòu)動態(tài)疲勞分析中阻尼力分布為決定結(jié)構(gòu)響應(yīng)大小的主要因素，而與金屬結(jié)構(gòu)振動的破壞和貢獻作用的應(yīng)變模型分布特征有關(guān)。比如，一些動態(tài)荷載激勵會引起起重機械金屬結(jié)構(gòu)局部模態(tài)和荷載的振動耦合作用，發(fā)生疲勞斷裂的部位通常是局部振動中應(yīng)變大，并且缺陷或者是應(yīng)力集中的位置。引起金屬結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的主要原因是局部振動和應(yīng)力集中兩種因素工作作用的結(jié)果。從疲勞曲線制定的角度來看，起重機械金屬結(jié)構(gòu)動態(tài)疲勞分析需要在一定應(yīng)力狀態(tài)下，跟蹤共振頻率發(fā)生共振破壞進行試驗。從裂紋擴展特性的角度來看，起重機械金屬結(jié)構(gòu)動態(tài)疲勞趨向于共振和遠離共振的疲勞裂紋，具有不同的擴展速率，若裂紋擴展導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)固定頻率遠離荷載頻率，此時，裂紋擴展為收斂性裂紋，否則，為發(fā)散性裂紋。從工程應(yīng)用的角度來看，起重機械金屬結(jié)構(gòu)動態(tài)疲勞主要是降低結(jié)構(gòu)振動水平，特別是局部振動水平，進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計，附加阻尼器處理。同時，還要考慮材料、結(jié)構(gòu)形式、工藝以及消除缺陷和降低應(yīng)力集中等問題。

3 起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷中存在的問題

3.1 金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷方法具有局限性

對起重機金屬結(jié)構(gòu)的安全性進行評價，需要從裝備使用中獲得的各類特征信息，并從中找出與其相關(guān)的征兆，進而對其加以應(yīng)用，從而實現(xiàn)對其的故障診斷。近年來，人們開始采用短時傅里葉變換和傅里葉變換等方法來更好地對這些信號進行分析，從而更好地從這些信號中抽取出一些有用的信息，從而實現(xiàn)對這些信息的有效識別。從眾多事例中我們可以看出，在操作中，金屬構(gòu)件會發(fā)生磨耗，而且這種磨耗相對較弱，也存在一些潛伏性。在系統(tǒng)運行中，由于傳輸路徑的復(fù)雜性和多因素的耦合，使得單一的信號處理方法不能有效地對其進行溯源。

3.2 對金屬結(jié)構(gòu)振動故障機理不夠了解

起重機械振動故障診斷具有很強的復(fù)雜性，且影響因素比較多，分析振動故障的機理是通過對反應(yīng)裝置參數(shù)與其失效信號間所表現(xiàn)出的規(guī)律性的研究。具體的研究步驟如下。

（1）根據(jù)所研究目標(biāo)的物性特征，建立一種合理的數(shù)學(xué)模型；（2）用模擬方法得到了最后的反應(yīng)特性。（3）通過對所采集的數(shù)據(jù)的綜合，對所建立的模型進行修改，從而獲得精確的時效特性。

在對起重機械金屬結(jié)構(gòu)進行振動故障分析時，對故障機理的研究不夠深入，其主要原因是：（1）起重機的機械結(jié)構(gòu)是一個很復(fù)雜的問題，在對其進行分析時，往往需要很強的數(shù)學(xué)、機械理論，這給其計算帶來了很大的困難。（2）對失效機制的研究，必須與試驗相結(jié)合，這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。（3）要精確地表達這種失效還需要通過工程實踐來證明，而且因為失效的隨機性，所以在現(xiàn)實的工程中很難找到一個單一的失效特征。

3.3 金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷技術(shù)智能化水平較低

智能化振動故障診斷系統(tǒng)是提升起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷效率和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。但目前，針對簡單的、具體的故障，各種智能診斷技術(shù)的優(yōu)勢和不足都有很大的區(qū)別。盡管現(xiàn)在可以選擇的智能診斷方法有很多種，但在特定的環(huán)境下，大部分的診斷方法都需要對一些人工設(shè)定的參數(shù)和條件進行假設(shè)，所以，要想得到一個完美的智能診斷系統(tǒng)，就必須繼續(xù)加大對它的研究和分析。

4 提升起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷準(zhǔn)確性和效率的方法

4.1 選擇更加先進的診斷技術(shù)手段

先進的診斷技術(shù)手段是提升起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷準(zhǔn)確性和效率的關(guān)鍵，盡量摒棄傳統(tǒng)粗放式的診斷技術(shù)，選擇智能化水平高的診斷技術(shù)，如專家診斷技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)、模糊故障診斷技術(shù)，都是能夠快速完成起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷的技術(shù)手段，可進行大范圍的推廣和應(yīng)用。

（1）專家診斷技術(shù)。專家診斷系統(tǒng)能對起重機械金屬結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的振動問題進行分析、觀測，找出產(chǎn)生振動的原因，并給出合適而有效的解決辦法。一個專家的診斷要求有很強的專業(yè)知識作為基礎(chǔ)，才能作出正確的診斷。但在實際應(yīng)用中，起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動診斷方面專業(yè)知識的獲取難度比較大，需要大量時間和精力來收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并錄入專家數(shù)據(jù)庫中，耗時比較長。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷。此項故障診斷技術(shù)在實際應(yīng)用中，需要先對存在的問題進行分析，并對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行離線訓(xùn)練，建立故障現(xiàn)象和診斷結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系。并對明確數(shù)據(jù)庫中存在的錯誤情況進行改正，促使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠輸出準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果。但在實際應(yīng)用中，由于引起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障的成因比較復(fù)雜，具有很強的不確定性和不可預(yù)測性，因此，在進行對比和分析各種錯誤，以及輸出神經(jīng)元時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)難以顯示新類型的錯誤，這會對重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障振動準(zhǔn)確性造成一定的影響。

（3）模糊故障診斷方法。此種金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷方法可細(xì)分為基于模糊模式的診斷方法、基于模糊推理的診斷方法、基于模糊模型的診斷方法。在進行起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷中采用模糊故障診斷方法，可有效克服各種不確定性因素和不可預(yù)測性因素的影響，可有效處理因為隨著時間變化或者非線性復(fù)雜性問題。此種診斷方法最明顯的不足是在進行起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷時，需要提前建立適當(dāng)?shù)哪：?guī)則，對使用人員的專業(yè)水平和綜合素質(zhì)有很高的要求。

4.2 開展金屬記憶檢測和振動檢測

和其他起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷技術(shù)相比，金屬記憶檢測具有明顯的優(yōu)勢，無須進行磁化處理。起重機械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位，會在磁場的作用下形成磁記憶信號。在進行金屬記憶檢測時如果進行消磁操作，會導(dǎo)致應(yīng)力集中在一些微弱的記憶信號上。此種信號極易被磁化，覆蓋整個磁場。因此，在進行起重機械金屬結(jié)構(gòu)金屬記憶時，必須提前完成消磁操作。起重機械金屬結(jié)構(gòu)在進行重物上升或者是下降操作時，金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)常會發(fā)生低頻率振動，從而影響整個起重機械金屬結(jié)構(gòu)運行的穩(wěn)定性，也會對現(xiàn)場工作人員的生命安全構(gòu)成一定的威脅。因此，在進行起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷時，可需要充分結(jié)合實際情況，將起重機械垂直方向的振動點盡量布設(shè)在主梁跨中蓋板上，黏貼結(jié)束后，再進行降速處理。

4.3 嚴(yán)格控制診斷誤差

起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷具有很強的復(fù)雜性，影響診斷效果的因素比較多，任何一個細(xì)節(jié)把控不當(dāng)，都會影響最終診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然診斷誤差是客觀存在的，無法從根本上得到有效規(guī)避，但采用一系列行之有效的方法和措施，可將有效降低誤差，具體而言，可從以下幾個方面同時入手。

金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷，要逐步摒棄對單一故障的診斷方法，改用群體故障診斷方法，在進行金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷的基礎(chǔ)上，同時對金屬結(jié)構(gòu)的磨損情況、疲勞情況、破裂情況、裂紋等故障進行聯(lián)合檢測。雖然振動信號不會疊加到多個單獨的誤差特征信號上，但各種誤差信號特性之間的相互耦合具有盲目性，若采用單一的故障診斷方式，可能會出現(xiàn)一些安全事故。在進行起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估中，單一誤差的大小和信號處理效果密切相關(guān)。若能夠?qū)⒄駝有盘柕奶卣骱推渌蓴_分量的頻譜區(qū)分開來，可在金屬結(jié)構(gòu)振動故障和損壞檢測的同時，診斷出組耦合特性的分離，以提升起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障診斷的準(zhǔn)確性。

將金屬結(jié)構(gòu)零部件的故障診斷，融入整個起重機械故障診斷系統(tǒng)中，零部件診斷時，通常只能對一些關(guān)鍵部位，或者特定的結(jié)構(gòu)進行診斷，只能完成誘導(dǎo)誤差的診斷，并不能將起重機械中存在其他故障問題。但從整個系統(tǒng)的故障入手，應(yīng)用一套完整的故障診斷系統(tǒng)，就能對起重機械運行中存在的全部故障進行診斷，快速找到故障的位置、成因，再制定科學(xué)有效的解決方法和對策。

5 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合理論與實踐，分析了起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動與故障診斷，分析結(jié)果表明，振動故障是起重機械運行中最常見的故障形式，也是難以快速、準(zhǔn)確識別的故障。為實現(xiàn)對起重機械金屬結(jié)構(gòu)振動故障的有效診斷，就必須結(jié)合起重機械的結(jié)構(gòu)特點和工作特點，明確金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)疲勞和動態(tài)疲勞的差別，按照目前存在的問題，從選擇更加先進的診斷技術(shù)手段、開展金屬記憶檢測和振動檢測、嚴(yán)格控制診斷誤差等方面同時入手，可實現(xiàn)對起重機械振動故障快速、準(zhǔn)確的診斷，為故障處理提供真實有效的數(shù)據(jù)，從而提升檢修效率，延長起重機械的使用壽命，獲得更大的經(jīng)濟效益。