浅析岸边集装箱起重机的寿命检测系统

上海振华重工（集团）股份有限公司，上海，200125

摘 要：起重机作为特种设备之一，不当的过负荷使用或者维修保养不到位，往往会导致主要驱动机构及钢结构疲劳损伤。通过采用一套寿命检测系统对起重机上的传感器进行数据采集、处理、直至报警输出，保障了起重机的使用安全，延长了起重机的使用寿命。

关键词：起重机；疲劳；检测；应用

引言

岸边集装箱起重机是一种大型起重设备，其事故的发生将造成极其严重的后果。相关统计表明，起重机事故的发生多由对其的监管及维修保养不善引起，因此开发起重机的寿命检测系统对减少起重机事故的发生、保证工业生产活动的正常进行具有重要的意义。

对起重机及其主要驱动机构进行寿命检测，一方面能够了解起重机的疲劳情况，从而做到对起重机适时的维护，维持其安全工作，使起重机尽可能地达到最大使用寿命；另一方面，也提醒维修保养人员对一些主要元器件进行及时的更换或维修，以保障起重机安全有效地工作。因此，本文将着重研究岸桥寿命检测系统及其在起重机项目上的实际应用。

1岸桥寿命检测系统的介绍

岸桥寿命检测系统是一套基于岸边集装箱起重机疲劳损伤研究分析基础上，对起重机上所安装的传感器进行数据采集，并对其进行整理分析，之后生成警告或报警。该系统既可以安装在全新的岸桥上，也可以通过改造安装在码头旧的岸桥上。它主要由数据采集、数据处理、报警输出这3个部分组成。

1.1数据采集

1.1.1应力的采集

采集疲劳测点的应力是进行岸桥剩余寿命评估的数据基础。应力的采集有两种方法：一是通过在疲劳测点安装应变片的直接测法；二是通过测量起重量以及小车在主梁上的位置等信息，使用力学的方法换算出测点应力的间接测法。此系统采用先期同时对起重机测点的应力进行直接测量和间接测量，然后使用神经网络等模式识别的方法分析起重量、小车位置等信息跟测点应力间的关系，之后就可以通过间接测量起重量、小车位置等信息准确地得到测点的应力。这种方法可以兼顾直接测量的准确性和间接测量的便利性，同时也是起重机剩余寿命评估和安全监控相结合的合理性的最好证明。

1.1.2统计时间的采集

剩余寿命评估需要对某一段时间内的应力数据统计应力循环数，得到应力谱，然后对这段应力谱进行累积损伤计算，得到疲劳寿命为多少个这样长度的时间。考虑到起重机是以周期性的循环方式进行工作的，因此统计时间可以选为一个工作周期。起重机每完成一次工作循环就对其进行一次寿命评估，得到的寿命就是多少次工作循环。至此，确定了统计时间的选取问题，即需要采集起重机每次工作循环的时间，而这可以通过与起重机上的PLC控制系统以及主机构电机工作时间表建立后进行数据采集并计算出已使用的工作循环数。

1.2数据处理

数据处理是整个系统的控制中心，它负责跟信号采集部分的各个模块获取实时数据。疲劳寿命、力矩频谱因素、起重机的起升和疲劳周期的次数以及驱动机构操作的小时数是寿命检测系统的主要参数。利用该系统的数据处理器对这些数据进行处理，最后将处理结果进行输出。

在以上这些参数中，疲劳寿命是极其重要的参数。它是材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数。采集了测点应力和起重机工作时间后，可以计算同结构部件疲劳积累损伤有关的一些结构和驱动机构参数。

（1）对一段工作周期时间内的应力数据使用雨流计数法统计应力循环数，记录每个应力循环的应力变程；

（2）对每一个应力变程通过计算得到对应的疲劳寿命；

（3）对每一个疲劳寿命按式进行取倒数累加，再对累加值取倒数得到总的疲劳寿命；

（4）疲劳寿命减去已经历的寿命即得到起重机钢结构及驱动机构的剩余寿命；

（5）将这些参数存储在存储器中；

（6）通过光缆或者无线进行数据传输，将以上这些数据传送到岸桥PLC控制系统中。

1.3报警输出

寿命检测系统生成了起重机及其主要驱动机构的疲劳寿命及其他一些参数。对码头岸桥起重机设备管理者来说，这些数据的及时跟进及处理是非常必要的，因为这个直接决定了一些主要元器件的更换时间表及起重机日常维修保养的侧重点。设备管理者需设置相应的警告及报警阀值。

其中有一点需要特别指出的是，如果寿命检测系统在起重机制造时期同步安装，则系统提供的数据记录代表该设备的所有操作从最初始开始。假如这套系统安装在一台运行了多年的岸桥上，那就得将之前几年的历史服务信息计入系统，过去的历史服务可以通过额外建立疲劳审计来进行统计。

通常起重机上的报警通常分为两类：一类是CMS系统警告。即利用岸桥上的CMS系统对一些参数超过警告阀值进行预警。此类报警通常危险系数较低，但也需维修人员引起注意及重视。另一类是声光报警。即當参数超过报警阀值时，岸桥上安装的声光报警设备会发出强烈的声音报警，并且发有灯光闪烁以提醒起重机司机和维修人员。此类报警通常危险系数中等，维修人员应引起格外重视，需对相关元器件及系统等进行必要的维修或更换。

2岸桥寿命检测系统在岸桥上的应用

2.1岸桥寿命检测系统的元件组成

为了永久地处理与起重机及其主驱动机构寿命相关的一些参数，此次寿命检测系统的元器件主要选用了一些抗疲劳老化性能突出的产品，主要为TELEMECANIQUE品牌材料（施耐德电气），包括：

（1）一个交流/直流的稳压电源；

（2）一个数据收集及处理器，处理通过与桥吊控制系统建立而收到的安装在起重机上的一些传感器数据；

（3）一个模块；

（4）一个程序存储模块和一个高压缩数据存储器；

（5）一个保存参数和结果的模块；

（6）一个同岸桥上自动化以及PLC系统建立的接口（WIFI或光缆连接两种选择）；

（7）一个标准的IP55的控制柜，柜内安装所有的以上元器件，该柜体既可以安装在室内也适用于安装在室外。

这套系统对起重机的操作没有影响，不会对设备运行造成干扰或功能障碍。当内部或环境发生机能障碍时，其自主运行的功能足以保证其能进行自动诊断同时向司机发出警告。

内部功能出现机能障碍时也不改变计算结果和参数的存储。

2.2岸桥寿命检测系统的输出

本系统从安装在起重机上的不同传感器上采集信息，利用这些信息的输入来定义工作周期，真正的疲劳周期（包括结构元素的计算，在起升过程中导致压力变化的各种操作事故）。同时通过计算，一方面，得到了一些重要参数，诸如起重机及驱动机构的疲劳率；另一方面，则是获得了重建所需的和结构部件及组件相关的其他各种参数。

寿命检测系统的输出结果及参数实际有5种类型：

（1）一些需要了解的普通起重機及其驱动机构的损伤状态：通过显示器进行显示；

（2）一些需要考虑的实际操作条件，例如极端的电缆张力，起升重量等。通过以上数据可以知道应力谱疲劳周期的因素和真实的疲劳周期；

（3）一些能启动维护保养操作或条件控制的参数或结果；

（4）一些对起重机修复很有帮助的参数，同时在触发事件的瞬间获得宝贵的操作数据。即在事件发生的极短时间内，一些参数状态的持续变化，诸如起重机起升过载、左右偏载、挂舱故障等。

寿命检测系统的报警根据各个参数所设定的对应安全阀值来进行报警，系统可直接输出至警报器进行报警，同时也将结果传输至起重机主PLC系统，在CMS系统中进行警告或报警，可以使维修保养人员清楚地了解具体问题，以便进行及时跟进处理。

3结语

本系统是一套独立自主运行的系统，其不会对起重机控制系统进行干扰，同时也不受控制系统故障等影响，具有很高的安全性及稳定性。通过对传感器的数据收集，分析处理得出一些重要参数，再对起重机钢结构及主要驱动机构寿命进行评估，报警，增加了起重机的安全性，延长了起重机的使用寿命，对起重机领域的持续应用具有重要的借鉴意义。

参考文献：

[1]顾海浩.基于nsoft的塔式起重机疲劳载荷谱编制及疲劳剩余寿命估算.起重运输机械，2015（11）.

[2]曹掌兵.分析全站仪在起重机检验中的应用.装备制造技术，2015（07）.

[3]黄邢陈.桥式起重机安全监控与性能评估系统的研究与设计[D]. 上海交通大学，2015.

作者简介：

陈明/男/1982年生/上海人/工程师/本科/研究方向为电气系统在岸桥上的应用