超齡服役港口機械設備結構缺陷修復及智能化改造技術研究

樊 攀 謝文寧 張水良 李瀟峰

中交機電工程局有限公司

1 引言

日照港石臼港區東煤南移工程是將現有日照港石臼港區一公司的煤炭裝卸設備搬遷至南區，將南區5#～7#泊位改造為專業化的煤炭泊位，分別為2個5萬t級泊位和1個10萬t級泊位，設計年吞吐量為出口煤炭一期為2 500萬t，二期達到4 000萬t。此工程涉及5臺堆料機(S1-S5)、8臺取料機(R1-R4,R5,R7-R9)共計13臺大型港口機械設備的改造任務。13臺機械設備涉及80、90、00三個年代6種不同機型，改造過程中面臨圖紙缺失、新舊板材焊接、智能化升級改造等多項難題[1]。

2 超齡服役港口機械設備結構缺陷修復技術

日照港石臼港區東作業區目前13臺大機需要搬遷至南作業區進行改造升級，以S1堆料機為例，S1堆料機于1986年投產，距今已經運行33年，機身結構老舊，臂架左側銷軸無潤滑，銷軸與銅套卡死，銷軸麻面、點蝕情況嚴重，臂架根部鋼結構銹蝕、變形嚴重。吊卸時，該側銷軸無法從L架鉸點支座抽出，需將鉸點支座割斷使臂架與L架分離，待臂架落地后使用除銹、打磨、撞錘等手段，才將銷軸抽出。經觀察，內部沒有潤滑，銷軸與銅套結合面麻面、點蝕嚴重，無法繼續使用，此處鉸點鋼結構銹蝕嚴重。因此在實施改造前，必須先對此種結構故障缺陷部位進行受力狀態的采集及檢測，然后根據檢測結果進行結構健康狀態評估并提出解決方案，最終通過焊縫的外觀檢測、無損檢測試驗[2]及使用中的動應力測試來確認其維修效果是否安全可靠。

2.1 結構故障缺陷的部位、類型及受力狀態的釆集及檢測

通過現場調研及現場測量，解決以下問題：

(1)構件裂紋類型的檢測與分析。

(2)構件腐蝕情況的檢測與分析。

(3)構件銹蝕情況的檢測與分析。

(4)其他類型缺陷的檢測與確定。

2.2 結構健康狀況評價及維修方法決策

通過理論分析及計算，解決以下問題：

(1)結構健康狀態指標及評價體系。

(2)結構失效模式及影響分析。

(3)主要維修項目的確定方法。

(4)日照港堆取料機結構缺陷評價及維修決策。

2.3 新舊材料的成分與性能分析

通過材料成分光譜分析及機械性能拉伸試驗，解決以下問題：

(1)需要更換或修復部位的舊材料成分分析。

(2)舊材料機械性能分析。

(3)新構件材料的成分與機械性能分析。

(4)焊材的選定與性能分析。

2.4 修復工藝方案

根據試驗結果及理論分析，提出維修工藝方案。

2.4.1 根據構件的故障缺陷部位與類型，確認維修方案

(1)構件裂紋的維修。根據構件現場裂紋情況(如貫穿性裂紋、局部淺表裂紋以及裂紋尺寸等)確定不同的維修方案(如切除后更換新構件、或清除裂紋后焊補等)。

(2)構件腐蝕的維修。根據構件現場腐蝕情況(如腐蝕坑的形狀、大小、深度及分布情況等)確定不同的維修方案(如切除后更換新構件、或清理后進行焊補等)。

(3)構件銹蝕的維修。根據構件現場銹蝕情況(如銹蝕深度及分布情況等)確定不同的維修方案(如切除后更換新構件、或清理后進行焊補等)。

2.4.2 焊接修復工藝的優化與工藝文件制定

(1)建立局部修復部位數學模型。

(2)對需要切除的構件進行切除時溫度場、應力場及變形情況進行分析，確定合理的切除工藝方案。

(3)分析焊接時溫度場、應力場及焊接變形情況，優化焊接工藝方案。

(4)制定焊接工藝文件。

2.5 維修效果檢測

通過焊縫的外觀檢測、無損檢測試驗及使用中的動應力測試，解決以下問題：

(1)對維修后焊接接頭的部位與焊補部位進行檢測與分析，確認維修質量。

(2)對維修后使用過程中維修部位及危險部位結構的動應力狀態進行檢測，確認維修質量。

3 超齡服役港口機械設備智能潤滑系統改造技術

堆料機、取料機智能潤滑系統是現代電腦信息技術、控制技術、大數據采集分析技術和現代潤滑技術的結合[3]。智能潤滑系統優劣的關鍵在于其控制系統的可靠、簡明和其對系統各種運行數據強大的記錄、分析處理方法。取料機和堆料機每臺機安裝2套獨立的智能潤滑系統，裝船機安裝3套獨立的智能潤滑系統，所有設備的所有潤滑點都納入了智能潤滑系統當中，由智能潤滑系統自動潤滑。每套智能潤滑系統都帶有本地電控箱，每個電控箱都帶有觸屏工控電腦，可以獨立工作，在本地觸摸屏上就地設置、操作，同時可按照預先設定的打油周期和打油量自動打油。每一潤滑支路的打油量和打油周期均可任意設定。各潤滑泵站獨立工作，互不影響，會詳細記錄打油和故障情況。每個泵站附帶多個電磁閥模組(3口、4口、5口或6口)。電磁閥模組出來的油脂經過遞進式分配器等量或按比例分配后，再輸送到各潤滑點。所有分配器均裝有動作監測開關。主管路發生漏油，或者任何一個潤滑點發生堵塞，潤滑系統都會發出報警信號。智能潤滑系統設計參數見表1。

表1 智能潤滑系統設計參數

3.1 系統組成及工作原理

堆料機、取料機智能潤滑系統主要由潤滑泵站、主管路、電磁閥模組、分支管路、遞進式分配器及智能潤滑控制系統組成。泵站輸出潤滑脂，通過主管路到達各處電磁閥模組的進油口，這時如果某一路電磁閥打開，油脂則從相應的分支管路加注到相應的潤滑點(或遞進式分配器，經分配器按比例精確分配后再送往潤滑點)。實踐中1個泵站同一時間只開啟1個電磁閥，所以每一路打油與其他油路無關，相互獨立。

本系統各設備的智能潤滑控制路徑采用工業控制平板電腦和485總線采集控制模塊實現分布式采集和控制，能夠實現對各個加油點定時定量加油，能檢測到系統各加油點的工作狀況，產生詳細的日志記錄，同時當系統出現故障時能提供報警，確保加油點能按時加入足夠的潤滑油。同時系統具有自動重啟功能，當工控電腦與485數據采集控制模塊通訊中斷(超過20 s)時，電腦供電自動切斷，過10 s再次供電，以保證系統長期穩定工作。

整個系統分為電控子系統和潤滑油脂供給子系統。電控子系統泵站本地電控箱和485總線采集控制模塊。每個電控箱內主要包含高性能工業控制平板電腦，485總線采集控制模塊和邏輯電路。泵站外的每個電磁閥箱內包含485采集控制模塊，電磁閥以及接近開關。每個遞進式分配器上安裝的動作指示接近開關，可以在分配器不動作時將信號反饋給主控系統，從而發出報警信號。

3.2 堆料機、取料機及裝船機智能潤滑系統的特點

(1) 智能潤滑系統適應性非常強，在大部分港口大機應用場景下完全可以取代雙線和單線潤滑系統。1套智能潤滑系統可以給以潤滑泵為中心的半徑100 m范圍內的數千個潤滑點供油。電磁閥模組可以設置在主管路和電纜可以到達的任何地方，電磁閥后面可以直接接潤滑點，也可以接遞進式分配器。電磁閥模組設置在防護等級達到IP55的防護箱內，可經受任意旋轉甚至強度范圍內的高速轉動。

(2) 智能潤滑系統可根據用戶要求來設計操作界面、命名潤滑部位。用戶的一些使用習慣、潤滑管理規定(例如定時要求操作者打油，到時候沒打油可以發送報警信號到管理者的電腦)等，均可在軟件中按要求編制。系統采用與具體設備布局一致的操作界面，操作簡單、直觀(見圖1)。

圖1 智能潤滑系統操作界面

(3)系統主控采用ARM系列工控電腦、WINCE操作系統和485總線控制構架，設置了壓力、動作等多種檢測反饋裝置。軟件使用直觀的圖形界面和清楚的文字菜單相配合，使客戶能夠望文生義。同時，有著嚴密的后臺監控和運行數據分析，如果運行數據異常，系統即進入精細運行模式，進行詳細的自動測試和修復，如果確認有故障，則發出報警信號。

(4)詳細的日志記錄功能。日志分級顯示，涵蓋加油記錄、運行記錄、故障記錄、動作壓力時序記錄等，供系統維護、生產管理查詢之用，積累的數據還可通過統計分析來提高潤滑系統的使用效率。

(5)智能潤滑系統沒有背壓，也沒有母分配器的阻力，潤滑泵提供的壓力可直接作用于潤滑點(或末端分配器)，而且管路壓力可隨阻力的增減而自適應。即溫度降低時管路壓力會自然上升，而溫度上升時管路壓力自然會降下來。因此相同條件下溫度、距離適用性更好。

4 超齡服役港口機械設備智能灑水除塵噴淋抑塵系統改造技術

堆料機、取料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統由上水裝置、水箱、空壓機、水泵、管路、噴嘴、手動閥、電磁閥、單向閥、自動泄水閥、過濾器、壓力表、流量計、水位計、電伴熱和保溫系統等組成[4]。地面上水栓供水，機上用水既可直接從地面供水，也可用機上水泵從水箱供水?？蓪崿F遠程自動和本地手動控制，自動模式下可在司機室啟停系統，手動模式下可在水泵附近的本地操作箱上手動啟停水泵和電磁閥。司機室操作面板和本地操作箱均設水泵運行指示燈和液位指示燈，司機可根據物料含水量、氣候條件及揚塵情況控制灑水量，以滿足環保要求。智能灑水除塵噴淋系統設計參數見表2。

表2 智能灑水除塵噴淋系統設計參數

4.1 耗水量及主要設備配置

堆料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統耗水量見表3，取料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統耗水量見表4。

表3 堆料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統耗水量

表4 取料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統耗水量

堆料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統主要設備配置見表5，取料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統主要設備配置見表6。

表5 堆料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統主要設備配置

表6 取料機智能灑水除塵噴淋抑塵系統主要設備配置

4.2 供水及泄水

(1)大機由地面上水栓供水，上水栓設上水口接頭，大機門腿處行走臺車設水管卷盤。機上除塵用水既可直接從地面供水，也可用機上水泵從水箱供水，并設置相應的切換閥門，司機可根據實際情況不定期地人工連接給水箱供水。

(2)回轉平臺、中心漏斗、懸臂頭部漏斗周圍設高壓沖洗，預留管道接口，并帶20 m高壓軟管。

(3)水泵和管道低點均設自動泄水閥，停止噴水后可自動泄水。

5 結語

系統分析了超齡服役港口機械設備結構缺陷修復技術的研究思路，總結了超齡服役堆料機、取料機智能潤滑系統和智能灑水除塵系統改造技術經驗。

(1)通過對機械結構缺陷分析及新舊材料焊接關鍵技術研究，實現超齡服役大型港口堆料機、取料機結構健康狀態評估，確定修復工藝方案，并對結構缺陷維修部位進行效果檢測。

(2)針對超齡服役堆料機、取料機原有潤滑系統缺陷，開展相關設計工作，將大機由手動潤滑改造為智能潤滑系統，提升系統的智能化水平。

(3)核實超齡服役堆料機、取料機灑水噴淋現狀，對其進行再設計，將大機由只含沖洗功能改造為智能灑水噴淋抑塵系統，改善了港口環境質量，增強了節能降耗效果。

(4)能有效延長超齡服役港口機械設備在正常工況下的使用壽命，降低單位能耗，提高生產效率，符合國家智慧港口建設發展戰略。