門座起重機(jī)(下文簡稱門機(jī))是一種重要而又具 有代表性的旋轉(zhuǎn)類型的有軌運(yùn)行式起重機(jī)。其旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)作用是使被起吊的貨物圍繞門機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn) 動(dòng)，以達(dá)到在水平面內(nèi)運(yùn)移貨物的目的。如圖1所示，

回轉(zhuǎn)支承式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要部件包括電機(jī)、制動(dòng)器、行星減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪以及回轉(zhuǎn)支承。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)作為門機(jī)工作中使用頻率較高的部位，必須滿足門機(jī)低速正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)平穩(wěn)、安全可靠的要求，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響整個(gè)設(shè)備的使用性能與生產(chǎn)效率。因此，門機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在使用過程中必須具備 完備的潤滑、維護(hù)、保養(yǎng)與監(jiān)測措施，以保證整機(jī)能 夠高效、平穩(wěn)運(yùn)行，從而延長設(shè)備使用壽命，降低使 用成本，提高設(shè)備安全可靠性；反之，潤滑不當(dāng)則可能導(dǎo)致異響、振動(dòng)甚至設(shè)備損壞。2016 年，天津金某碼頭生產(chǎn)的 40 t×45 m 門機(jī)回轉(zhuǎn)支承發(fā)生異響，此后響聲加重并有保持架及滾動(dòng)體 從密封條處擠出。在更換回轉(zhuǎn)支承時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部上排滾動(dòng)體發(fā)生銹蝕，即潤滑工作不到位，滾動(dòng)摩擦副運(yùn)動(dòng)時(shí)沒有潤滑脂，長期嚴(yán)重磨損導(dǎo)致了設(shè)備損壞。事 實(shí)證明，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的良好潤滑是門機(jī)維護(hù)管理中重要的一環(huán)。

    本研究以門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)(主要對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合面、回轉(zhuǎn)支承兩部分進(jìn)行潤滑)為主要對(duì)象，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能潤滑系統(tǒng)，并配置在線振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，提高了門機(jī)設(shè)備的安全可靠性以及自動(dòng)化、智能化程度。

    旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能潤滑系統(tǒng)研發(fā)

    驅(qū)動(dòng)齒輪潤滑方式改進(jìn)

    目前，門機(jī)的旋轉(zhuǎn)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)支承外齒面間的潤滑，基本還在采用傳統(tǒng)的人工添加油脂方 式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不能保證齒面件潤滑均勻，并易造成現(xiàn)場油污。研究中，提出了附加隨動(dòng)潤滑齒 輪與油脂霧化噴涂兩種方案，用戶可根據(jù)自身?xiàng)l件進(jìn) 行選擇。

附加隨動(dòng)潤滑齒輪   該方案具體布置如圖 2 所示。

隨動(dòng)齒輪及固定軸 通過焊接支架與轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的減速機(jī)長軸孔底盤相連， 齒輪固定軸需機(jī)加工出油脂入口與出口(出口一般在 齒輪一周均布三組)，與隨動(dòng)齒輪間安裝深溝球軸承 以保證相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，隨動(dòng)齒輪也與回轉(zhuǎn)支承外齒圈嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，油脂通過固定軸的油脂入口進(jìn)入固定軸與齒輪間的密閉油腔，再被擠入隨動(dòng)齒 輪內(nèi)的油路，從油脂出口進(jìn)入齒輪與回轉(zhuǎn)支承間的嚙合面，從而實(shí)現(xiàn)潤滑。油脂輸入量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，以保證出口處油脂由于黏性形成凸起，在齒輪轉(zhuǎn) 動(dòng)一周過程中即被嚙合面吸收，而不會(huì)由于出油量過 大外溢形成油污。同時(shí)，為便于加工及不影響驅(qū)動(dòng)性能，隨動(dòng)齒輪材料選用具有一定彈性的尼龍材料。

    該方案成本較低，并便于在油脂入口通過連接管 路可以實(shí)現(xiàn)集中潤滑、自動(dòng)潤滑及智能潤滑。在使用 中，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定油脂隨動(dòng)添加量，避免潤 滑不充分或者潤滑過量造成浪費(fèi)與油污。

    油脂霧化噴涂   油脂霧化噴涂方案的原理較為簡單，是在驅(qū)動(dòng)齒輪附近設(shè)置霧化噴嘴，在驅(qū)動(dòng)齒輪相對(duì)回轉(zhuǎn)支承運(yùn)動(dòng)時(shí)，潤滑系統(tǒng)工作，呈霧狀的油脂被噴涂至齒輪嚙合面實(shí)現(xiàn)潤滑。油脂霧化噴涂系統(tǒng)部件較多，除電控系統(tǒng)可以與智能潤滑系統(tǒng)集成外，其他可分為3個(gè)部分：儲(chǔ)油罐，用來存儲(chǔ) 2#鋰基脂，并配備液位計(jì)；高壓輸送設(shè)備，包含空壓機(jī)、高壓泵、恒壓器、壓力表及各類壓力閥與管件等；霧化噴涂設(shè)備，主要為霧化噴嘴及支架結(jié)構(gòu)。

 

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能潤滑系統(tǒng)

      智能潤滑系統(tǒng)特點(diǎn)   門機(jī)現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)潤滑系統(tǒng)，多為單線、雙線的集中潤滑方式，其最大的缺點(diǎn)是不能根據(jù)每個(gè)潤滑點(diǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行給油，容易發(fā)生局部潤滑過多而浪 費(fèi)或過少甚至中斷而缺脂的情況，加之沒有配備監(jiān)測系統(tǒng)，長此以往易造成設(shè)備故障。針對(duì)該情況，所研發(fā)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能潤滑系統(tǒng)將具有如下的特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪-回轉(zhuǎn)支承嚙合 面與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)部兩個(gè)區(qū)域共計(jì) 26 點(diǎn)潤滑；單點(diǎn)并 行供油，每個(gè)潤滑點(diǎn)的供油量、循環(huán)供油時(shí)間根據(jù)現(xiàn) 場實(shí)際情況任意調(diào)整；逐點(diǎn)在線監(jiān)測，采用計(jì)量傳感 器與電磁閥對(duì)每個(gè)潤滑點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測；自動(dòng)補(bǔ)油監(jiān) 控，潤滑泵設(shè)置重量傳感器，潤滑脂不足時(shí)提請(qǐng)進(jìn)行 補(bǔ)油；有效提升設(shè)備安全可靠性與自動(dòng)化程度，降低 維修維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

智能潤滑系統(tǒng)方案及配置   門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能潤滑系統(tǒng)布置方案如圖 3 所 示。

潤滑系統(tǒng)開始工作時(shí)(即由每個(gè)點(diǎn)反饋的供油循環(huán)時(shí)間到達(dá)時(shí)，由控制系統(tǒng)控制潤滑泵站的啟動(dòng)； 潤滑泵注油至主管路后，各個(gè)給定編號(hào)的定量電磁給 油裝置根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)與所設(shè)定的給油量比 較后決定是否打開，給對(duì)應(yīng)的潤滑點(diǎn)供油；當(dāng)給油量 達(dá)到設(shè)定值后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，對(duì)應(yīng)的定量電磁 給油裝置關(guān)閉。在此過程中，26 個(gè)潤滑點(diǎn)均為獨(dú)立工作，互不干擾；同時(shí)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量傳感器實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測，不僅反饋潤滑脂流量并由系統(tǒng)記錄時(shí)間， 而且也肩負(fù)著故障監(jiān)測的功能，一旦異常將反饋至控 制系統(tǒng)報(bào)警，方便維修人員對(duì)給定編號(hào)的潤滑點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 定點(diǎn)處理。

    智能潤滑系統(tǒng)具體組成及配置如下：

   ①控制系統(tǒng)。其主要實(shí)現(xiàn)控制潤滑泵站啟停、電 磁給油器的運(yùn)行、電機(jī)及傳感器信息反饋。為避免設(shè) 備過于繁瑣，其 PLC 直接與門機(jī) PLC 合并，并可以擴(kuò)充遠(yuǎn)程手動(dòng)潤滑模式。

   ②潤滑泵站。由高壓柱塞泵、泵站電機(jī)、重力傳 感器、壓力傳感器等組成，其作為智能潤滑系統(tǒng)的核 心工作部件，向每路潤滑點(diǎn)輸送潤滑脂。

   ③電磁給油裝置。由電磁閥、流量傳感器和信息處理模塊組成，設(shè)置單獨(dú)箱體，并加裝高壓截止閥和 過濾器，以保證精密元件的正常工作與維修便利性。

   ④管路布置。考慮門機(jī)處于潮濕、鹽霧的碼頭工 作環(huán)境，潤滑管道及接頭應(yīng)采用不銹鋼管，材質(zhì)等級(jí) 不低于 304。潤滑點(diǎn)處的所有接頭采用鉤接式三通式 加油接頭以保證可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)加油。

   旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測系統(tǒng)

   在研發(fā)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能潤滑系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的振動(dòng)信號(hào)，設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測系統(tǒng)， 輔助智能潤滑系統(tǒng)工作，以期充分保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安全使用效果。

 

在線監(jiān)測系統(tǒng)方案布置

    根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)理與現(xiàn)場工況，主要對(duì)旋 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)支承及驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，其中在 回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈均布 4～6 個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪的輸 入軸軸套(即下定位圈)布置 2 個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件主要由 3 部分構(gòu)成：工控 機(jī)、數(shù)據(jù)采集分析儀(至少 16 同步輸入通道，采樣頻 率高于 200 kHz)和壓電式加速度傳感器。傳感器負(fù) 責(zé)采集回轉(zhuǎn)支承、驅(qū)動(dòng)齒輪及輸入軸振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng) 信號(hào)，數(shù)據(jù)采集分析儀與工控機(jī)連接，將采集到的模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，為故障分析提供數(shù)據(jù)。

    信號(hào)分析與預(yù)警子系統(tǒng)

    對(duì)于門機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由于其具有重載荷、變轉(zhuǎn) 速、變載荷、低速度的特點(diǎn)，在信號(hào)分析時(shí)需要通過比較優(yōu)選出最佳的信號(hào)處理方法。此外，異常振動(dòng)信 號(hào)的確定，也依賴于對(duì)大數(shù)據(jù)的歸納與總結(jié)，即首先 至少對(duì)同機(jī)型正常設(shè)備進(jìn)行較長時(shí)期的檢測以確定 合理的報(bào)警閾值。本研究以某碼頭 40 t×45 m 門機(jī)為 實(shí)驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)過較長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，歸納了部分預(yù) 警值，現(xiàn)對(duì)較有特點(diǎn)的回轉(zhuǎn)支承監(jiān)測分析結(jié)果舉例說 明如表 1 所示。

    監(jiān)測分析中在回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈均布 4 個(gè)測點(diǎn)，振動(dòng) 信號(hào)分析方法選用信號(hào)的時(shí)域分析、頻譜分析和包絡(luò) 解調(diào)譜分析；通過對(duì)多類型統(tǒng)計(jì)指標(biāo)分析比較，選用 振動(dòng)峰值、谷值、峰峰值、有效值與脈沖指標(biāo)作為最 佳指標(biāo)。在確定了監(jiān)測分析異常振動(dòng)預(yù)警值后，研究中在 原有在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警功能，聲 光報(bào)警裝置原理如圖 4 所示。當(dāng)回轉(zhuǎn)支承使用異常 時(shí)，報(bào)警器會(huì)以聲光形式提醒維修檢驗(yàn)，此后通過對(duì) 振動(dòng)信號(hào)與現(xiàn)場情況的詳細(xì)分析，確定問題成因并采 取對(duì)應(yīng)方案。

      門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在線監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)完成后，于 2016 年起在天津港起重量最大的 500 t×30 m 門機(jī) 上投入使用，并將監(jiān)測對(duì)象擴(kuò)展至起升與變幅機(jī)構(gòu)， 運(yùn)行平穩(wěn)有效，提升了關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠 性。該項(xiàng)成果“門座式起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵制造技術(shù)及在線檢測系統(tǒng)研發(fā)”，于 2017 年經(jīng)天津市高新 技術(shù)成果轉(zhuǎn)化中心認(rèn)定為國內(nèi)領(lǐng)先。

    提高設(shè)備自動(dòng)化程度及安全可靠性是實(shí)現(xiàn)智慧港口的必要條件。本研究開發(fā)的門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)智能 潤滑及在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了潤滑維護(hù)的自動(dòng)工作、 各點(diǎn)位智能決策定量以及工作狀態(tài)的運(yùn)行感知，對(duì)于 改善工作環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度以及延長設(shè)備使用壽命 有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，該項(xiàng)成果還可以直接應(yīng) 用于走行、起升、變幅等運(yùn)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)門機(jī)的整機(jī)潤滑與在線監(jiān)測系統(tǒng)改造，進(jìn)一步提升設(shè)備的智能化 工作程度