桥式起重机故障类型与故障诊断方法综述

刘芳

摘要： 本文首先对桥式起重机的故障类型进行了分类，并对常见的故障诊断方法进行了梳理，以求找到合适的方法对故障进行诊断，减少由故障导致的事故。桥式起重机的组成结构庞大且复杂，而且在它工作时相关的操作人员比较多，如果发生事故将会带来很严重的后果。因此，掌握起重机的故障发生模式，找到合适的方法对其进行分析，具有重要意义。

Abstract： In this paper， the fault types of bridge cranes are classified， and the common fault diagnosis methods are sorted out in order to find the appropriate method to diagnose faults and reduce the accidents caused by faults. The composition of the bridge crane is large and complex， and there are many operators involved in its work， if the accident happened， it will bring very serious consequences. Therefore， it is of great significance to master the failure mode of the crane and find the appropriate method to analyze it.

关键词： 桥式起重机；故障类型；故障诊断方法

Key words： bridge crane；fault type；fault diagnosis method

中图分类号：TH21 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0183-03

0 引言

设备故障诊断技术，是在1978年由R.A.Collacott博士所提出，主要指查找设备或者系统故障的过程，国际工程界很快地接受了这一概念[1]。而今，设备故障诊断已经广泛运用到了很多领域，得到了更加快速的发展。

桥式起重机是企业生产中大型的搬运设备，在日常生产中占有很重要的地位。起重机出现故障甚至会影响到其原来的功能，也可能会带来严重的事故，造成经济损失。因此，它的故障问题是值得关注并研究的。

本文首先对桥式起重机故障种类进行了分类与分析，然后对故障的诊断方法进行了归纳总结，试图找到合适的方法诊断桥式起重机的故障，以期能够对桥式起重机的故障及事故的发生起到诊断的作用。

1 桥式起重机故障类型分析

由于缺乏有效的管理以及采取措施的不及時造成桥式起重机的事故发生，带来人员和财产的损失。因此，寻找恰当的方法能够诊断桥式起重机的故障就变得非常重要且有意义。

桥式起重机主要故障形式有制动器、减速器、吊索具、金属结构以及电气系统故障这五种类型[2]。

1.1 制动器故障

制动器刹车失灵、制动力矩不稳、不抱闸以及打滑发热是制动器较容易发生的故障。工作时，由于制动器过度的磨损或主弹簧的变形而导致刹不住车；力矩不稳是由于制动轮不规律的振动使力矩产生形变；不抱闸以及打滑发热是因制动轮表面摩擦减小由油污和杂物的影响造成的。

1.2 减速器故障

减速器在工作时，容易产生的故障是振动异常以及减速器的漏油。振动异常是由紧固减速器底座的螺栓松动或失效，或是构件刚度较差，变形导致；减速器的漏油是由排气孔积尘，或箱体的缝隙，以及通气孔造成的不均衡的压力差而导致的。

1.3 吊索具故障

起升机构在运行时钢丝绳跳槽或断裂、溜钩、卷筒故障以及“过卷”现象是较容易产生的。钢丝绳跳槽或断裂是因钢丝绳的受力不均及其磨损而导致的；溜钩是在起升机构起吊或下放重物的情况下，制动系统突然失效，重物失去控制而掉落的现象，造成这个现象的原因是制动器和垫片之间的间隙过大；卷筒故障是由卷筒与钢丝绳间的挤压与摩擦造成；“过卷”现象是动滑轮冲过定滑轮，是由于抱闸松动、极限开关和控制线路故障导致。

1.4 金属结构故障

其与机构的疲劳磨损程度等有关，如果它发生故障将会造成很严重的危害。超负荷情况下运行的起重机，不仅会导致主梁的下沉弯曲还可能造成吊组件的损坏。桥式起重机金属结构的故障形式主要有以下两种形式。

1.4.1 轨道故障

车轮啃轨现象是大车在轨道上运行时容易出现的，造成这个现象的原因是桥架结构的疲劳变形，以及两台电机在大车启动时不同时工作，带来大车车体倾斜的现象，进而对轨道进行啃噬，如果轨道上有杂物等，也会导致大车的啃轨现象。在轨道上运行时小车较易出现“三条腿”以及车轮有时悬空等现象；造成这个现象的原因是车轮制造、安装或桥架不合标准。小车“三条腿”可能带来的影响是车体晃动、起重机振动以及运行的不稳定。小车打滑是由轨道上的杂物造成的。

1.4.2 主梁故障

有着弹性形变的桥式起重机主梁，因载荷的作用带来上下挠的变形，会在卸下载荷的情况下消失。联轴器的断裂和小车“三条腿”的现象是由主梁下挠造成的。主梁的永久变形是由超负荷的运转、高温腐蚀等以及对结构不当的维修造成的。

1.5 电气系统故障

电气系统主要由电机绕组、串联电阻、联动线路及交流接触器组成。当桥式起重机工作时，持续运行的电阻将会产生大的热量，如果电阻常在高温环境中工作，那么将会使电阻线及其端子的质变速度加快，导致阻值的变化，使电机烧毁，造成电阻阻值的不均衡，最终会使大车扭裂。电机的老损是在起重机启动和关闭的瞬间由于电压和功率的变化大而造成的。endprint

2 故障诊断方法

故障诊断方法在缩短维修周期，保持和恢复系统功能，提高维修质量和效率以及提高装备可用性程度方面发挥了很大的作用。可以分为三大类：基于解析模型的方法，基于定性模型/知识的方法以及基于数据驱动的方法[3]。

2.1 基于解析模型的方法

基于分析模型的方法将诊断对象的数学模型中的参数同实际运行过程中的参数进行比较，得到残差，然后对计算结果进行统计分析来实现故障的诊断，其可分为状态估计法、等价空间法以及参数估计法[4]。

状态估计法主要是在对设备系统的状态能够观测的情况下，它是通过将观测器的输出与实际输出形成的对比来组成残差序列，再对残差序列的阈值评价进而诊断是否产生故障。在可以得到系统准确的数学模型的前提下，该方法是最有效的[5]。

等价空间方法是以输入或输出（或部分输出）系统中的实际值的手段来检测被诊断对象一致性的数学关系的方法，来达到检测故障的目的。该法适合应用于离散系统模型中[6]。

参数估计法是通过对模型参数和物理参数进行统计分析来实现故障的诊断，主要包括基于系统参数以及基于故障参数的方法，前者是以系统参数和响应的过程系数变化为依据来检测和诊断故障；后者是对故障信号进行在线建模，用一定的参数表现形式来将动态系统中的故障表达出来，是未知增益形式的乘性参数或者是附加未知时变函数项的加性参数。以上方法都要求有精确的数学模型进行检测，并且计算量较大，对复杂系统的故障诊断有一定的难度，因此在实际中的应用范围很小。

2.2 基于定性模型/知识的方法

基于定性模型/知识的方法主要是依据过去的经验、工艺知识等进行故障的检测；在基于定性知识的方法体系中，主要包括以下几种诊断方法[7]。

专家系统故障诊断方法，指通过模拟专家实际诊断的思路，随时调用相应的应用程序，将采集到的被诊断对象的信息进行处理，能够将最终故障或是可能性最高的故障快速的找到，最后由用户来证实[8]。

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）在引导系统最优化设计、分析薄弱环节以及运行维修方面是有力的工具。它的适用范围是分析复杂的系统，最终目标是诊断对象中最不想发生的故障，逐层将造成故障的全部因素找到，直至找出最开始、故障形式已知、不需要再进行下一步分解的因素为止。故障树分析法是一种演绎推理法，将发生的故障同其原因表达成树形图。将最严重的事件或者综合性的事件作为顶事件，最原始的事件作为底事件，其他事件作为中间事件，事件用字母符号来表示，逻辑门是各个事件间的逻辑关系，并将此与事件连接成树形，称为故障树。

基于数据融合的故障诊断方法是将应用多个传感器的系统作为对象发展而来的对信息处理的新研究方向。它归纳分析并处理从各种途径、各个空间和时间上获得的有效信息，为决策者提供决策支持及控制依据，获得比单一信息源、单一处理机制更加可靠的诊断。数据融合模型为图1所示的三级结构[9]。

2.3 基于数据驱动的方法

基于数据驱动的方法是通过挖掘历史数据，归纳出系统正常工作与非正常工作的属性特点，从而实现故障诊断。主要有基于统计分析、基于信号分析以及基于定量知识数据分析的方法[10]。

基于统计分析的方法主要根据分析过程中的数据统计量，从其中的变化来提取特征。统计理论进行故障诊断是以系统中必须出现故障为前提，否则过程数据的特征计量只能在一定的、可以接受的范围内波动。即使不能可靠的预测到每次某个变量具体的观测数值，但它的平均值及方差等特征统计量是会保持稳定的，这被称之为特征统计量的可重复性。通过该重复性对指定的变量进行设定特定的门限值，进而对故障进行诊断。

基于信号分析的方法，利用信号处理技术来分解信号，得到时域和频域的相关特征，对故障进行分类诊断，信号处理方法一般有谱分析、小波变换、s变换和希尔伯特-黄变换（HHT）。

基于定量知識数据分析的方法不需要定量的数学模型，它是利用人工智能的技术来对故障进行诊断。最重要的信息是从过程数据中提取，主要方法有基于人工神经网络的方法、基于SVM 的方法以及基于模糊逻辑的方法[11]。

3 总结

通过对桥式起重机故障类型的分析，发现桥式起重机的故障种类多而且系统运行复杂，所以本文认为运用故障树的方法对桥式起重机的故障进行诊断是比较适合的。故障树作为基于定性经验知识分析的一种方法，它具有灵活性、直观性、通用性强等优点，它能够充分利用生产过程中的历史经验、工艺知识等信息，并且具有较完整的理论基础，相对于其它方法，对于解决故障种类繁多的桥式起重机故障诊断问题具有更大的优势。

参考文献：

[1]IsermanR. Process fault detection based on modeling and estimation methods asurvey [J]. Automatica，1984，20（4）：387-404.

[2]王文瑞.基于解析模型的微电网故障诊断方法的研究[D]. 上海应用技术学院，2015.

[3]卞玉涛，李志华.基于专家系统的故障诊断方法的研究与改进[J].电子设计工程，2013，16：83-86，89.

[4]黄道，宋欣.神经网络在化工过程故障诊断中的应用[J].控制工程，2006，13（1）：6-9.

[5]陈玉东，施颂椒，翁正新.动态系统的故障诊断方法综述[J]. 化工自动化及仪表，2001，28（3）：1-14.

[6]孙岩.基于解析模型的风力发电机组鲁棒故障诊断方法研究[D].中南大学，2013.

[7]朱大奇，于盛林.基于知识的故障诊断方法综述[J].安徽工业大学学报（自然科学版），2002（3）：197-204.

[8]薛光辉，吴淼.机电设备故障诊断方法研究现状与发展趋势[J].煤炭工程，2010（5）：103-105.

[9]Jie Zhang.Improved on-line process fault diagnosis through information fusion in multiple neural netwoeks.Computers and Chemical Engineering.2006.30（1）：558-571.

[10]李晗，萧德云.基于数据驱动的故障诊断方法综述[J].控制与决策，2011，26（1）：1-9.

[11]苏中鲜.基于数据驱动的工业过程故障诊断方法综述[J]. 软件导刊，2016（3）：149-150.endprint