本文主要圍繞結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和預警系統(tǒng)展開設(shè)計與實現(xiàn)，研究的主要內(nèi)容包括：門機結(jié)構(gòu)的不安全因素分析，門機安全監(jiān)測預警系統(tǒng)總體方案設(shè)計，門機有限元模型的建立與分析和各類傳感器布點預警工藝的研究，監(jiān)測平臺軟件系統(tǒng)的開發(fā)與整體實現(xiàn)和測試結(jié)果的分析。本文結(jié)構(gòu)簡單流程如圖 1.7 所示，論文的基本結(jié)構(gòu)安排如下：

 

 

第一部分：主要由監(jiān)測系統(tǒng)的背景意義出發(fā)，結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及監(jiān)測系統(tǒng)平臺的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，引出本文想要研究與解決的問題，最后簡單的介紹論文的結(jié)構(gòu)安排。

 

第二部分：通過調(diào)研、了解門機經(jīng)常使用較多的一大些大型貨運港口碼頭，以及研究MQ2533 型門座式起重機的《使用說明手冊》、《裝卸機械履歷冊》和《單臂架門座式起重機技術(shù)規(guī)格書》，簡單介紹門機的結(jié)構(gòu)與其工作原理，對門機主要結(jié)構(gòu)件的一些不安全因素進行分析為后續(xù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

第三部分：提出港口門機安全監(jiān)控預警系統(tǒng)的具體功能設(shè)計，整體分為現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)，隨后對系統(tǒng)的硬件進行選型，分析并加入濾波算法保證系統(tǒng)的整體系統(tǒng)的精度與可靠性，最后提出系統(tǒng)的總體方案。

 第四部分：針對傳感器布點預警的工藝研究，對門機MQ2533 的建模仿真分析與計算，找出應力與位移集中點進行布置傳感器，并且通過研究計算得出風速風向傳感的具體布點位置，并對應力、位移、風速的閾值進行分別的分析與設(shè)定。

第五部分：針對門機的安全監(jiān)控預警系統(tǒng)實現(xiàn)，開發(fā)軟件監(jiān)控系統(tǒng)平臺。簡單介紹軟件的開發(fā)環(huán)境，設(shè)計系統(tǒng)軟件架構(gòu)和軟件的相應界面，并對系統(tǒng)硬件進行測試。最后對系統(tǒng)進行實際的現(xiàn)場安裝測試應用與結(jié)果分析，并提出可以采取的一些有效措施。

第二部分：門機不安全因素分析及系統(tǒng)設(shè)計原則

     門機作為大型危險特種設(shè)備，保證其正常的作業(yè)及工作人員的安全是一個非常嚴峻的挑戰(zhàn)。本章主要分析門機在工程施工中一些重要結(jié)構(gòu)的不安全因素，通過調(diào)研、了解使用門機較多的一些大型貨運港口碼頭，研究 MQ2533門機的《使用說明手冊》、《裝卸機械履歷冊》和《單臂架門座式起重機技術(shù)規(guī)格書》，分析得出門機經(jīng)常出現(xiàn)故障的位置及原因，為后續(xù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2.1  門機結(jié)構(gòu)及工作原理簡介

2.1.1  門機結(jié)構(gòu)

門機被廣泛地應用在各種運貨碼頭、港口及露天物料堆積場等裝卸作業(yè)場所，其擁有較好的作業(yè)性能、卓越的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及良好的通用性。本文的研究對象為山東日照港口常用的門機 MQ2533，該機是四連桿式全回轉(zhuǎn)起重機，本機在全幅度（9.5～33m）下，額定的起重重量為 25t。門機主要的金屬構(gòu)件包括門架、象鼻梁、臂架、轉(zhuǎn)臺、大拉桿、人字架、平衡梁、小拉桿、轉(zhuǎn)柱、吊重等等，港口常用門機及結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示

 

門機利用的是轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式支撐裝置，臂架系統(tǒng)、平衡梁系統(tǒng)、人字架、機器室等安裝于由滾動元件支撐著的轉(zhuǎn)臺上，門機有運行、回轉(zhuǎn)和變幅等機構(gòu)，門機多數(shù)沿地面或者其專有的軌道行走，完成裝卸及起重工作，每周期內(nèi)都參加作業(yè)，沿地面軌道行走時，其下方可以過鐵路車輛或者其它的地面車輛

臂架：采用箱型結(jié)構(gòu)，擁有充分的剛度與強度且悅目的外觀。針對其主要的受力位置行了局部增強，如臂架頭部、小拉桿的鉸接處、滑輪補償處和齒條箱等等部位。各個鉸接點主要采用關(guān)節(jié)或者滾動軸承鏈接。臂架的頭部裝置主要由二個導向起升滑輪和擋繩器組成，其安置在臂架尾段上方，分別和變幅系統(tǒng)的齒條箱及小拉桿進行鉸接，臂架尾段右側(cè)部位裝有幅度指示器，在作業(yè)時方便司機清晰的認識門機實時的工作幅度。

轉(zhuǎn)柱及變幅平衡系統(tǒng)：人字架的結(jié)構(gòu)主要是利用框架，且結(jié)構(gòu)件都為箱形截面。人

字架的頂部設(shè)有平衡梁支座與導向起升滑輪裝置，中部由變幅平臺和導向起升滑輪裝置構(gòu)成。變幅平衡系統(tǒng)由小拉桿及平衡梁組成。平衡梁的結(jié)構(gòu)采用的是框架，主臂梁主要為箱形截面，用銷將平衡梁的頭部和小拉桿進行鉸性連接，尾部為配重裝置，框架結(jié)構(gòu)的剛性極佳，方便于制造與維修。

    轉(zhuǎn)臺：轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)利用的是板梁，采用圓筒結(jié)構(gòu)增強于回轉(zhuǎn)的支承位置，圓筒體和轉(zhuǎn)臺與兩根板筋進行焊接。轉(zhuǎn)臺下部由高剛度的螺栓聯(lián)接，通過回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)圈和圓筒法蘭盤，以便增強回轉(zhuǎn)支承部位的強度與剛度。

    圓筒門架：圓筒門架包括三部分為主梁、端梁和圓筒。圓筒的頂部和回轉(zhuǎn)支承外圈相連通過法蘭盤用高剛度螺栓聯(lián)接，圓筒與主梁之間進行焊接，擁有足夠的剛度和強度。為了方便后續(xù)的安裝與運送，主梁和端梁間由螺栓進行聯(lián)接[。門架的自身重量較小，迎風面積較小，且具有悅目的外觀。

 

2.1.2  工作原理

    門機主要分成四大機構(gòu)，包括（行走機構(gòu)、起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)），行走機構(gòu)為非工作機構(gòu)，后三個機構(gòu)均為工作機構(gòu)。門機的金屬結(jié)構(gòu)利用有限元計算分析與計算機優(yōu)化安排，為了使制作材料得到較大限度的利用，各個鉸點位置布設(shè)應相當合理且結(jié)構(gòu)受力部位需鮮明，并對于關(guān)鍵部位留有相當大的安全裕量。門機各機構(gòu)與電氣系統(tǒng)之間裝有多個安全限位開關(guān)、超載保護設(shè)備等來保證門機能夠安全穩(wěn)定的作業(yè)。

行走機構(gòu)：行走機構(gòu)是非工作性機構(gòu)，主要是為了調(diào)整門機作業(yè)情況下的位置，正常作業(yè)范圍內(nèi)，門機只進行短距離的移動，僅在預防暴風或者換泊位等異常情況下才進行相對長距離行走。運行驅(qū)動機構(gòu)包括四套獨立驅(qū)動裝置，通過減速制動一體的減速電機，再經(jīng)過開式齒輪傳動副來驅(qū)動車輪，使門機能正常運行。支承裝置包括安于端梁支撐面下的均衡梁、驅(qū)動從動的四組獨立且有兩個車輪的臺車，行走的臺車設(shè)置有垂直與水平鉸，可以自動輕微的調(diào)整軌道直線的偏差與略微的碼頭塌陷，但堵塞較為慘重與軌道的嚴重變形都將會阻礙運行機構(gòu)正常作業(yè)行走。門機兩側(cè)各設(shè)了套防爬裝置、定及拉索防風裝置，在暴風惡劣天氣要來臨時，應該把門機駕駛到錨定位置，將其錨定并且要拉緊防風拉索。行走機構(gòu)非作業(yè)情況下，為了預防門機由于風載荷或者其它因素受損應該隨時將防爬靴放下。

起升機構(gòu)：起升機構(gòu)包括雙電機、雙減速器、雙卷筒，單電機與雙電機可以互換工作，電機的起動、調(diào)速運用的是串電阻，下降運用的是能耗制動方法。在機器房內(nèi)前后布置了獨立卷揚裝置。兩套卷揚機構(gòu)不僅可以單獨運作，也可同時啟動。抓斗工作的情況下，前部卷揚設(shè)備的鋼絲繩前部連接抓斗的閉合繩，后部需要連接支持繩。原理為，變頻電機帶動齒輪減速器，其間經(jīng)過聯(lián)軸，低速軸帶動卷筒，卷筒上帶有鋼絲繩，帶動變頻電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，控制卷筒上鋼絲繩卷進與放出狀態(tài)，真正實現(xiàn)取物與貨物的升降；在切斷電機供電狀態(tài)下，主要利用電力液壓推桿制動器進行制動，控制取物和貨物升降裝置停止運作。

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)：回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置與回轉(zhuǎn)支承裝置，回轉(zhuǎn)支承裝置運用的是三排滾柱式方法，回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)主要是利用彈性柱銷聯(lián)軸器、行星齒輪減速器、摩擦型極限力矩聯(lián)軸器來驅(qū)動小齒輪做行星運動。駕駛員可以觀察回轉(zhuǎn)運動真實的運動情況，腳踩回轉(zhuǎn)剎車的踏板，用腳的力度來控制制動過程中的輕重緩急，需要減速時駕駛員需輕踩腳剎，重踩時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)將會斷電并進行制動。

    變幅機構(gòu)：變幅機構(gòu)主要利用四連桿，補償滑輪組主要補償水平方向上位移的變幅，平衡系統(tǒng)利用杠桿的配重進行平衡。變幅機構(gòu)包括減速器、制動器、電動機、齒條導向裝置等等。臂架的扭動是由變幅機構(gòu)的減速軸帶動小齒輪，小齒輪帶動前后位移齒條。在搖擺架上設(shè)有小齒輪與上下壓輪，進行變幅的時候可圍繞著搖擺架的中心軸線進行擺動，從而保障齒條和齒輪的更好嚙合。門機作業(yè)過程中磨損等各種因素，嚙合的間隙可能會出現(xiàn)相應的變化，為了保障門機的各個機構(gòu)正常作業(yè)，需要調(diào)整齒輪與齒條的嚙合間隙，可以利用變幅機構(gòu)上搖擺架的偏心壓輪來調(diào)整齒輪與齒條件的嚙合間隙。

 2.1.3  工作條件及設(shè)計指標

（1）設(shè)備工作條件：

    工作環(huán)境溫度為-25~+45C；最大相對濕度不大于 95%，可有鹽霧、凝露；作業(yè)風速不超過 20m/s；非作業(yè)風速為(35~42)m/s，可根據(jù)用戶要求確定。門機的電源為三相交流電，電壓為 380V，頻率為 50Hz，其電動機允許電壓波動上限是額定電壓的+10%，在尖峰電流時刻，波動下限是額定電壓的-10%。

 （2）設(shè)計指標：

 1）測量精度：在門機實際作業(yè)工況下，系統(tǒng)的測量誤差應不大于 5%；

 2）工作溫度：0℃~+60℃；濕度：10%~95%RH；

 3）在門機作業(yè)周期內(nèi)系統(tǒng)的采樣周期應該不大于 100ms；

 4）歷史數(shù)據(jù)儲存的時間應該不少于 30 個連續(xù)工作日。

 2.2  門機不安全因素分析

 2.2.1  臂架不安全因素分析

臂架是門機的主要受力部分之一，臂架是門機出現(xiàn)故障的概率最大的結(jié)構(gòu)件，其比例占到考察研究分析故障總數(shù)的 13.6%，臂架結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)損傷的主要原因有：裂紋與斷裂、凹凸變形松動、非正常的磨損與彎折。圖 2.2 是調(diào)研時發(fā)現(xiàn)的臂架出現(xiàn)較多的故障部位。

 

 

臂架折斷也是瞬時間發(fā)生的，然而在通過調(diào)研與分析發(fā)現(xiàn)，臂架的折斷是一個相

對遲緩的過程，在折斷前臂架受壓一側(cè)的翼板將會呈現(xiàn)出凹凸波浪狀的變形。

在大多數(shù)的情況中折斷的位置沒有發(fā)生在下翼板壓應力最大處附近，而且通常不都是在載荷最大的情況下折斷，而是載荷最小的時候甚至空載的時候折斷。凹凸波浪狀變形是局部失穩(wěn)一個重要的特征，可以用一個傅里葉級數(shù)諧波來進行描述。如圖 2.3 示的四邊簡支板，其變形函數(shù)為：bynaxmAWm=sinsin                          

 (2.1) 屈曲時取 n=1，m1A 不等于 0， =bam / 時將出現(xiàn)圓形鼓包，如 ba4/ = 時即有 4 個圓形鼓包。由以上分析可以得出主臂架折斷的主要原因是受壓翼板失穩(wěn)，然而折斷起因與板自身的支承條件、材料彈性模量的下降、焊縫以及初始曲率等因素具有密切的關(guān)系。

2.2.2  象鼻梁不安全因素分析

    門機屬于四連桿機構(gòu)，象鼻梁是整個門機結(jié)構(gòu)最上與最前的結(jié)構(gòu)件，其設(shè)計好壞在

整機的自身重量與作業(yè)的安全穩(wěn)定方面起到至關(guān)重要作用。如果該結(jié)構(gòu)設(shè)計超重將導致門機的配重也相應地放大，從而造成門機整個自身重量的提高而影響運行機構(gòu)輪壓。所以保證象鼻梁的可靠性、穩(wěn)定性以及剛度強度的前提下，盡可能地優(yōu)化該結(jié)構(gòu)使其自身重量盡量減輕。象鼻梁是直接承受貨物載荷的構(gòu)件，其頂端靠近吊鉤滑輪的焊縫處較多而且經(jīng)常承受動載荷，其裂縫容易擴張，在作業(yè)過程中，構(gòu)件每個平面都可能發(fā)生相應的扭轉(zhuǎn)、彎曲變形，由于裂紋導致的象鼻梁上滑輪座掉下來是存在非常嚴重的安全隱患。

 

2.2.3  人字架不安全因素分析

     人字架是許多機械設(shè)備中必不可少的組成部分之一，也是門機的主要部件之一，人

字架下部與轉(zhuǎn)臺通過焊性相連接。如圖 2.4 是調(diào)研時發(fā)現(xiàn)的人字架出現(xiàn)的一些故障情況。

 

 

 

人字架是整個的上部平衡系統(tǒng)（臂架、回轉(zhuǎn)臺、繩索系統(tǒng)）的支點，起升鋼絲繩與變幅鋼絲繩需要人字架頂部的滑輪進行傳力，使整個上臂架系統(tǒng)達到平衡。人字架的變形相對較小，變形最大的部位在人字架的頂部，最大應力發(fā)生的部位在人字架與轉(zhuǎn)臺連接的部位，位置為結(jié)構(gòu)裂紋發(fā)生的敏感部位，通過調(diào)研與分析發(fā)現(xiàn)，人字架經(jīng)常產(chǎn)生故障的類型主要為裂紋、局部的變形或松動斷裂等。

 2.2.4  大拉桿不安全因素分析

    門機的大拉桿采用箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計，其位于整個門機較前端與象鼻梁連接，焊接時產(chǎn)生的收縮變形可能對該結(jié)構(gòu)造成后續(xù)彎曲變形的影響，調(diào)研與研究發(fā)現(xiàn)大拉桿常常出現(xiàn)故障的原因主要有局部的變形，細小裂紋、與象鼻梁鉸接處松動或者斷裂。圖

2.5 是走訪時發(fā)現(xiàn)的大拉桿出現(xiàn)的故障情況。

2.2.5  轉(zhuǎn)臺不安全因素分析

    門座式起重機在裝卸過程中，承擔著多種交替變換的載荷，如臂架、平衡系統(tǒng)配重和貨物等等，圓筒錨定的兩側(cè)可能會出現(xiàn)縱向的裂紋，通過調(diào)研與分析得知，主要的問題是焊接處存在質(zhì)量問題，像筒體連接兩筋和旋轉(zhuǎn)減速器承重箱體的焊縫處，上轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的時候，其扭矩主要經(jīng)過圓筒和支撐箱體相連的筋板傳遞給筒體。門機卷筒如圖 2.6

所示，

 

 

圓筒體同時承受著軸向壓力與拉力且是主臂梁的兩個支撐點，因為圓筒和筋板之間的焊縫質(zhì)量較低，出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象因而導致錨錠裝置的兩側(cè)順著焊縫從筒體外側(cè)往內(nèi)側(cè)出現(xiàn)局部裂紋，有動載荷的情況下，將會使板筋和圓筒體間的焊縫發(fā)生較為早期的疲勞損傷。

 2.3  系統(tǒng)設(shè)計原則

     門機安全監(jiān)測系統(tǒng)是獲得門機在運行過程結(jié)構(gòu)信息的重要途徑，使運維工作人員針對指定的目標結(jié)構(gòu)做出緊急的對應措施，本文提出的系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)計原則如下：

 1）保證系統(tǒng)精度與可靠性：由于門機的作業(yè)環(huán)境相對惡劣，則安裝在其上的結(jié)構(gòu)健康安監(jiān)測系統(tǒng)就必須在港口等環(huán)境下實時運行監(jiān)測，保證整個系統(tǒng)的精度與可靠性，即使多么先進的設(shè)備，在結(jié)構(gòu)受損壞的前提下也發(fā)揮不出有效的作用。

 2）保證系統(tǒng)的超前性：整體設(shè)備的選型、監(jiān)測系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能與監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展情況、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的相關(guān)理論相一致，應擁有先進、超前的預警性。

 3）操作與維護性：整個系統(tǒng)在正常運行后應該易于操作與管理，為了更加方便的更新，應該對運維人員的相關(guān)技術(shù)能力要求不要太高。

 4）遠程固件升級功能：依據(jù)系統(tǒng)的自檢能力與系統(tǒng)需要可通過遠程固件來改善，并且系統(tǒng)應具有多種類型的通信協(xié)議與端口，為后期系統(tǒng)的升級來服務。

 5）最佳的成本控制：提出的方案的應該利用最優(yōu)控制理論，做到節(jié)約成本以及后期運維可能投入的人力、財力與物力，又能最大程度地發(fā)揮出實際情況中的監(jiān)測效果。

 6）系統(tǒng)設(shè)置：應滿足門機在日常作業(yè)與管理方面的需求，應該將實用性作為第一原則，同時考慮科學實驗和驗證理論等等因素。

7）合理布點：監(jiān)控點的布設(shè)主要依據(jù)有限元軟件的分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論與實際結(jié)構(gòu)故障等情況，應該監(jiān)測門機的主要損傷結(jié)構(gòu)與通常情況下維護人員無法檢查

或者較為困難的檢查結(jié)構(gòu)。選用合適的傳感器在分析得到的重點部位布點，傳感器應適應設(shè)備的結(jié)構(gòu)，具備長期的耐久性，在高低溫作業(yè)情況下傳感器仍能正常工作。選用無線傳輸通信將采集的數(shù)據(jù)并傳送至安全監(jiān)控平臺系統(tǒng)，監(jiān)控端及時地獲取前端傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息；在日常作業(yè)及保養(yǎng)維護工作時及時發(fā)現(xiàn)故障及監(jiān)測情況至安全監(jiān)測平臺。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)對門機作業(yè)期間的主要結(jié)構(gòu)件異常情況進行預警評估。本章通過走訪、了解門機經(jīng)常使用較多的一大些大型貨運港口碼頭，以及研究MQ2533 型門座式起重機的《使用說明手冊》、《裝卸機械履歷冊》和《單臂架門座式起重機技術(shù)規(guī)格書》，簡單分析了門機的結(jié)構(gòu)與其工作原理，門機設(shè)備的工作條件，分析門機主要結(jié)構(gòu)件的一些不安全因素的分析為第三部分監(jiān)控系統(tǒng)的方案與第四部分的傳感器布設(shè)方案奠定了基礎(chǔ)。