淺析岸邊集裝箱起重機的壽命檢測系統(tǒng)

上海振華重工（集團）股份有限公司，上海，200125

摘 要：起重機作為特種設(shè)備之一，不當?shù)倪^負荷使用或者維修保養(yǎng)不到位，往往會導(dǎo)致主要驅(qū)動機構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷。通過采用一套壽命檢測系統(tǒng)對起重機上的傳感器進行數(shù)據(jù)采集、處理、直至報警輸出，保障了起重機的使用安全，延長了起重機的使用壽命。

關(guān)鍵詞：起重機；疲勞；檢測；應(yīng)用

引言

岸邊集裝箱起重機是一種大型起重設(shè)備，其事故的發(fā)生將造成極其嚴重的后果。相關(guān)統(tǒng)計表明，起重機事故的發(fā)生多由對其的監(jiān)管及維修保養(yǎng)不善引起，因此開發(fā)起重機的壽命檢測系統(tǒng)對減少起重機事故的發(fā)生、保證工業(yè)生產(chǎn)活動的正常進行具有重要的意義。

對起重機及其主要驅(qū)動機構(gòu)進行壽命檢測，一方面能夠了解起重機的疲勞情況，從而做到對起重機適時的維護，維持其安全工作，使起重機盡可能地達到最大使用壽命；另一方面，也提醒維修保養(yǎng)人員對一些主要元器件進行及時的更換或維修，以保障起重機安全有效地工作。因此，本文將著重研究岸橋壽命檢測系統(tǒng)及其在起重機項目上的實際應(yīng)用。

1岸橋壽命檢測系統(tǒng)的介紹

岸橋壽命檢測系統(tǒng)是一套基于岸邊集裝箱起重機疲勞損傷研究分析基礎(chǔ)上，對起重機上所安裝的傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并對其進行整理分析，之后生成警告或報警。該系統(tǒng)既可以安裝在全新的岸橋上，也可以通過改造安裝在碼頭舊的岸橋上。它主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報警輸出這3個部分組成。

1.1數(shù)據(jù)采集

1.1.1應(yīng)力的采集

采集疲勞測點的應(yīng)力是進行岸橋剩余壽命評估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。應(yīng)力的采集有兩種方法：一是通過在疲勞測點安裝應(yīng)變片的直接測法；二是通過測量起重量以及小車在主梁上的位置等信息，使用力學的方法換算出測點應(yīng)力的間接測法。此系統(tǒng)采用先期同時對起重機測點的應(yīng)力進行直接測量和間接測量，然后使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模式識別的方法分析起重量、小車位置等信息跟測點應(yīng)力間的關(guān)系，之后就可以通過間接測量起重量、小車位置等信息準確地得到測點的應(yīng)力。這種方法可以兼顧直接測量的準確性和間接測量的便利性，同時也是起重機剩余壽命評估和安全監(jiān)控相結(jié)合的合理性的最好證明。

1.1.2統(tǒng)計時間的采集

剩余壽命評估需要對某一段時間內(nèi)的應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計應(yīng)力循環(huán)數(shù)，得到應(yīng)力譜，然后對這段應(yīng)力譜進行累積損傷計算，得到疲勞壽命為多少個這樣長度的時間。考慮到起重機是以周期性的循環(huán)方式進行工作的，因此統(tǒng)計時間可以選為一個工作周期。起重機每完成一次工作循環(huán)就對其進行一次壽命評估，得到的壽命就是多少次工作循環(huán)。至此，確定了統(tǒng)計時間的選取問題，即需要采集起重機每次工作循環(huán)的時間，而這可以通過與起重機上的PLC控制系統(tǒng)以及主機構(gòu)電機工作時間表建立后進行數(shù)據(jù)采集并計算出已使用的工作循環(huán)數(shù)。

1.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是整個系統(tǒng)的控制中心，它負責跟信號采集部分的各個模塊獲取實時數(shù)據(jù)。疲勞壽命、力矩頻譜因素、起重機的起升和疲勞周期的次數(shù)以及驅(qū)動機構(gòu)操作的小時數(shù)是壽命檢測系統(tǒng)的主要參數(shù)。利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器對這些數(shù)據(jù)進行處理，最后將處理結(jié)果進行輸出。

在以上這些參數(shù)中，疲勞壽命是極其重要的參數(shù)。它是材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。采集了測點應(yīng)力和起重機工作時間后，可以計算同結(jié)構(gòu)部件疲勞積累損傷有關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)參數(shù)。

（1）對一段工作周期時間內(nèi)的應(yīng)力數(shù)據(jù)使用雨流計數(shù)法統(tǒng)計應(yīng)力循環(huán)數(shù)，記錄每個應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力變程；

（2）對每一個應(yīng)力變程通過計算得到對應(yīng)的疲勞壽命；

（3）對每一個疲勞壽命按式進行取倒數(shù)累加，再對累加值取倒數(shù)得到總的疲勞壽命；

（4）疲勞壽命減去已經(jīng)歷的壽命即得到起重機鋼結(jié)構(gòu)及驅(qū)動機構(gòu)的剩余壽命；

（5）將這些參數(shù)存儲在存儲器中；

（6）通過光纜或者無線進行數(shù)據(jù)傳輸，將以上這些數(shù)據(jù)傳送到岸橋PLC控制系統(tǒng)中。

1.3報警輸出

壽命檢測系統(tǒng)生成了起重機及其主要驅(qū)動機構(gòu)的疲勞壽命及其他一些參數(shù)。對碼頭岸橋起重機設(shè)備管理者來說，這些數(shù)據(jù)的及時跟進及處理是非常必要的，因為這個直接決定了一些主要元器件的更換時間表及起重機日常維修保養(yǎng)的側(cè)重點。設(shè)備管理者需設(shè)置相應(yīng)的警告及報警閥值。

其中有一點需要特別指出的是，如果壽命檢測系統(tǒng)在起重機制造時期同步安裝，則系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)記錄代表該設(shè)備的所有操作從最初始開始。假如這套系統(tǒng)安裝在一臺運行了多年的岸橋上，那就得將之前幾年的歷史服務(wù)信息計入系統(tǒng)，過去的歷史服務(wù)可以通過額外建立疲勞審計來進行統(tǒng)計。

通常起重機上的報警通常分為兩類：一類是CMS系統(tǒng)警告。即利用岸橋上的CMS系統(tǒng)對一些參數(shù)超過警告閥值進行預(yù)警。此類報警通常危險系數(shù)較低，但也需維修人員引起注意及重視。另一類是聲光報警。即當參數(shù)超過報警閥值時，岸橋上安裝的聲光報警設(shè)備會發(fā)出強烈的聲音報警，并且發(fā)有燈光閃爍以提醒起重機司機和維修人員。此類報警通常危險系數(shù)中等，維修人員應(yīng)引起格外重視，需對相關(guān)元器件及系統(tǒng)等進行必要的維修或更換。

2岸橋壽命檢測系統(tǒng)在岸橋上的應(yīng)用

2.1岸橋壽命檢測系統(tǒng)的元件組成

為了永久地處理與起重機及其主驅(qū)動機構(gòu)壽命相關(guān)的一些參數(shù)，此次壽命檢測系統(tǒng)的元器件主要選用了一些抗疲勞老化性能突出的產(chǎn)品，主要為TELEMECANIQUE品牌材料（施耐德電氣），包括：

（1）一個交流/直流的穩(wěn)壓電源；

（2）一個數(shù)據(jù)收集及處理器，處理通過與橋吊控制系統(tǒng)建立而收到的安裝在起重機上的一些傳感器數(shù)據(jù)；

（3）一個模塊；

（4）一個程序存儲模塊和一個高壓縮數(shù)據(jù)存儲器；

（5）一個保存參數(shù)和結(jié)果的模塊；

（6）一個同岸橋上自動化以及PLC系統(tǒng)建立的接口（WIFI或光纜連接兩種選擇）；

（7）一個標準的IP55的控制柜，柜內(nèi)安裝所有的以上元器件，該柜體既可以安裝在室內(nèi)也適用于安裝在室外。

這套系統(tǒng)對起重機的操作沒有影響，不會對設(shè)備運行造成干擾或功能障礙。當內(nèi)部或環(huán)境發(fā)生機能障礙時，其自主運行的功能足以保證其能進行自動診斷同時向司機發(fā)出警告。

內(nèi)部功能出現(xiàn)機能障礙時也不改變計算結(jié)果和參數(shù)的存儲。

2.2岸橋壽命檢測系統(tǒng)的輸出

本系統(tǒng)從安裝在起重機上的不同傳感器上采集信息，利用這些信息的輸入來定義工作周期，真正的疲勞周期（包括結(jié)構(gòu)元素的計算，在起升過程中導(dǎo)致壓力變化的各種操作事故）。同時通過計算，一方面，得到了一些重要參數(shù)，諸如起重機及驅(qū)動機構(gòu)的疲勞率；另一方面，則是獲得了重建所需的和結(jié)構(gòu)部件及組件相關(guān)的其他各種參數(shù)。

壽命檢測系統(tǒng)的輸出結(jié)果及參數(shù)實際有5種類型：

（1）一些需要了解的普通起重機及其驅(qū)動機構(gòu)的損傷狀態(tài)：通過顯示器進行顯示；

（2）一些需要考慮的實際操作條件，例如極端的電纜張力，起升重量等。通過以上數(shù)據(jù)可以知道應(yīng)力譜疲勞周期的因素和真實的疲勞周期；

（3）一些能啟動維護保養(yǎng)操作或條件控制的參數(shù)或結(jié)果；

（4）一些對起重機修復(fù)很有幫助的參數(shù)，同時在觸發(fā)事件的瞬間獲得寶貴的操作數(shù)據(jù)。即在事件發(fā)生的極短時間內(nèi)，一些參數(shù)狀態(tài)的持續(xù)變化，諸如起重機起升過載、左右偏載、掛艙故障等。

壽命檢測系統(tǒng)的報警根據(jù)各個參數(shù)所設(shè)定的對應(yīng)安全閥值來進行報警，系統(tǒng)可直接輸出至警報器進行報警，同時也將結(jié)果傳輸至起重機主PLC系統(tǒng)，在CMS系統(tǒng)中進行警告或報警，可以使維修保養(yǎng)人員清楚地了解具體問題，以便進行及時跟進處理。

3結(jié)語

本系統(tǒng)是一套獨立自主運行的系統(tǒng)，其不會對起重機控制系統(tǒng)進行干擾，同時也不受控制系統(tǒng)故障等影響，具有很高的安全性及穩(wěn)定性。通過對傳感器的數(shù)據(jù)收集，分析處理得出一些重要參數(shù)，再對起重機鋼結(jié)構(gòu)及主要驅(qū)動機構(gòu)壽命進行評估，報警，增加了起重機的安全性，延長了起重機的使用壽命，對起重機領(lǐng)域的持續(xù)應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

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[3]黃邢陳.橋式起重機安全監(jiān)控與性能評估系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]. 上海交通大學，2015.

作者簡介：

陳明/男/1982年生/上海人/工程師/本科/研究方向為電氣系統(tǒng)在岸橋上的應(yīng)用