港口门机在线监测方法分析*

□李学鋆 □李军

重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074

港口门机在线监测方法分析*

□李学鋆 □李军

重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400074

概述了港口门机在线监测系统的组成，以金属结构件、钢丝绳、齿轮箱、电动机为重点分析了门机易出现故障的基本零部件，以及结构的在线监测方法与信号采集处理方案。

港口门机是港口三大机械之一，简称门机，属有轨起重机械，由上旋转部分和下运行部分组成，主要以提升、旋转、前进三种基本运动进行组合，完成指定工作任务。由于工作任务和环境的特殊性，门机的工作状况直接影响到作业效率和安全可靠性。

港口门机主要由四大系统构成：行走机构、起升机构、变幅机构、旋转机构。为了实时监测工作状态，一般可以将最基本的零部件作为出发点，结合门机在实际工作过程中出现的故障情况，制定监测方案。门机在工作时，被破坏的主要部位是金属结构件、电动机、齿轮箱、钢丝绳等，同时也会出现液压系统、回转支承件故障及失稳现象。

1 港口门机在线监测系统

港口门机在线监测系统比较复杂，主要任务是信号采集、预处理和处理，包括三大基础部分：传感单元、数据采集单元、数据处理单元。

信号采集是应用传感器采集相应的特征参量信号。具体包括：电阻应变片采集应力应变信号，并将其转换为电流信号；接触式电阻温度传感器采集温度信号，并将其转换为电流信号输出；振动传感器将被测对象的振动参量转换为电信号，经电子线路放大后显示和记录；张力传感器采集钢丝绳的张力信号，并转换为电信号输出。

信号预处理主要是将信号采集部分所采集到的信号进行预处理，并传输至到下一步处理。在这一步骤中，为了对温度等影响因素进行补偿，并提高灵敏度，需要引入电桥电路。根据电桥中可变电阻连接方式的不同，电桥可分为单电桥、双电桥和全电桥三种。对电压或电流信号进行放大、滤波、满度值调节、自动平衡后，再通过模数转换传输至下一个部分。

信号处理的任务是接收上一部分传输的信号，提取信号中的特征参量，对参量进行分析比对，以达到实时监测的目的。这一过程可以由人工完成，也可以由可编程序控制器进行处理并输出反馈信号。

2 门机的主要检测内容

港口门机的主要检测内容包括金属结构件、钢丝绳、齿轮箱、电动机等。

2.1 金属结构件

港口门机的大部分结构，如悬臂系统、人字架、转台金属结构等都有金属结构件。金属结构件失效的根本原因是受过载或交变载荷时裂纹扩展，此外，气孔、夹渣、微观裂纹等不合格焊缝和格里菲斯裂纹，以及焊缝拘束力不够也会引起失效。可以根据应力应变变化引起电阻变化的原理将电阻应变片布置在相关测试点进行信号采集，将信号处理结果与预置值比对，判定构件的受力状况。

为了达到在线监测的目的，防止出现构件断裂失效、构件变形过大、焊缝破坏及肋板失效等，可以通过有限元结构分析得出相关的应力云图，计算并初步断定受载荷结构最易被破坏的区域，以及焊缝联结失效区域、裂纹敏感区、应力集中点，从而确定电阻应变片的排列方式和布置点。

金属结构件在线监测系统中的信号采集部分由测量电桥和动态应变仪组成。测量电桥用于将应变引起的电阻转换为电压和电流的变化。为了消除港口环境引起的不稳定因素，如温度、湿度等，常进行补偿处理。电阻应变片以可变电阻的替代形式连入电桥电路中。动态应变仪则能完成对电桥盒输出信号与内置电路压电振动传感器的调理、预处理和采样，并传送至计算机，对信号进行存储和处理。动态应变仪包含放大器、滤波器、满度值调节、自动平衡、模数转换等环节[1]，其系统框图如图1所示。

图1 动态应变仪系统框图

文献[2]提出了定量检测梁类结构多裂纹参数法，从动力学入手，利用小波检测有限元分析法获得裂纹结构部位固有频率的本质反应，绘制出裂纹位置、裂纹深度、固有频率变化率曲线，计算出损伤系数，并验证了准确性。文献[3]运用压电阻抗法对焊缝裂纹进行识别和定位，结合压电阻抗法和有限元仿真软件对焊缝钢板进行谐响应分析，用RDSM（结构在无损状态与有损状态下两组电导数据的均方根差值）指数法讨论了基于电压陶瓷传感器的焊缝裂纹损伤程度和定位识别方法。

此外，在起重机金属结构方面还有声发射、聚偏氟乙烯与压电陶瓷检测、红外线成像检测、金属磁记忆检测等无损检测技术。

2.2 钢丝绳

在港口门机的服役过程中，过载会引起钢丝绳断裂，过大或长期交变载荷会引起变形过大，进而导致钢丝绳局部断裂失效、局部损坏等，甚至会引起相关联部件故障，出现严重的安全隐患，导致巨大的经济损失。

钢丝绳的破坏与张力差的大小有关。为了实时监测钢丝绳的工作状态，可以利用张力传感器采集钢丝绳上的特征参量，即张力、张力差，将所采集的信号处理后对数据进行分析，并基于特征参量的参考值监测工作状态。当特征参量出现异常时，及时检修与维护。

文献[4]设计了一套关于多绳摩擦式提升工程机械钢丝绳的故障在线监测系统，可以进行张力和张力差数据采集、传输、实时处理，以及超载报警和载重差超限闭锁，以确保提升系统安全运行，为门机钢丝绳的在线实时状态监测提供了参考。

2.3 齿轮箱

港口门机中的齿轮箱或齿轮齿条组承担着传递动力、升降速、改变转矩的重要功能。由于工作环境恶劣、循环速度快、次数多等原因，很容易出现故障，因此齿轮箱的运行状态监测与故障诊断十分必要。

齿轮的集中性故障或轴承故障必定会形成周期性脉冲信号与周期性冲击的啮齿振动，可在其输入与输出轴承座附近分别设置一个振动加速度传感器，以获取振动信号。对采集的振动信号进行分析处理，并与标准曲线比对，分析得出的结论。当特征参数出现异常时，分析故障部位，并及时处理。

文献[5]研究了齿轮齿面缺损与齿轮偏心在正常工况和断齿工况时的时域特征及频域特征，并以此为依据提取了8种时域及频域故障特征参量，对识别故障状态的径向基函数神经网络识别方法进行了深入研究，通过试验证明方法的可行性和准确性，并在救生船机舱齿轮箱的在线监测中取得了有效的应用。

2.4 电动机

利用电动机在能量转换过程中产生热量并导致温升的现象，可在港口门机起升机构、变幅机构的电动机机壳对称布置温度传感器，提取电动机在运转过程中的连续温度信号，将其传输并处理后进行分析比对。一般在开机1 h左右，电动机各部温度趋于正常。为了防止温度传感器的延时现象导致误判，在与电动机相连的减速箱箱体上可布置振动信号监测点，提取振动特征参量。电动机在线监测和故障诊断流程如图2所示。

图2 电动机在线监测和故障诊断流程图

文献[6]对某一信号进行希尔伯特变换，获得其共轭信号，并提出了一种基于定子电流希尔伯特模量频谱分析的异步电动机转子故障在线监测与诊断方法，同时进行了相应的试验，在电动机在线监测中可以更精确地定位电动机故障。此外，电动机电压、电流、负载的实时监测也必不可少，可以防止过压、过流、过载、短路、过热、断相等问题导致电动机出现机械故障或电气故障，这些故障会使电动机发热甚至烧毁。

2.5 其它重要部件

文献[7]给出了一套门机回转支承件的故障监测与诊断系统，通过特征参量的分析完成了实时监测，为回转支承件的实时监测提供了参考。

文献[8]提出了表征转轴动载特性的参量——动载波动系数，导出了数学表达式，实现了对转轴的振动监测，为门机其它受载复杂旋转支承件动态载荷实时监测提供了理论方法和试验基础。

文献[9]综合阐述了液压系统的离线检测技术，提出了运用油液静电传感器在线监测液压系统的方法。文献[10]基于滤膜淤积的恒功率测量法，针对油液污染导致的系统故障设计了基础应用系统，为液压系统的在线监测提供了可行性方案。

3 结束语

以包括金属结构件、钢丝绳、齿轮变速箱、电动机在内的港口门机基本零部件为分析对象，阐述了易出现故障的零部件，以及对应的实时监测方案与信号采集方法[11-14]。金属结构件的监测主要通过采集应力应变信号实现，技术成熟、成本低，但采集的信号容易受到干扰，并在传输过程中容易出现削弱。钢丝绳在线监测的数据采集对象是张力和张力差，信号准确易得，但获取数据的设备较复杂。齿轮箱在线监测时对提取的各部位信号进行分析，为了防止温度传感器出现信号采集延迟，加入振动信号特征量的监测与提取，提高精确度。电动机在线监测时除了对振动、温度信号进行监测提取外，还需要对电压、电流、负载等重要参数进行监测。

从港口门机的基本零部件着手研究其在线检测方法，可以将问题系统化，便于实现门机的在线监测，并进行集中化管理。

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（编辑：尔东）

Gave an introduction on the composition ofon-line monitoringsystemfor portal hoist and an analyses on the basic parts and components of the portal hoist which were prone to failure with the emphasis on the metal structure,wire rope,gear box and motor,as well as on-line monitoring method for the structure,signal acquisition and processing scheme.

起重机械；门机；在线监测

Hoisting Machinery；PortalHoist；On-line Monitoring

TH21

B

1672-0555（2017）01-011-03

*重庆市重点实验室项目（编号：CSTC2015yfpt_zdsys30001）；重庆市自然科学基金重点项目（编号：CSTC2013yykfB0184）

2016年9月

李学鋆（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为设备在线监测