基于FMEA 的岸边集装箱起重机健康监测技术研究

本文选自《起重运输机械》杂志，如需转载，请注明出处

作者：张志斌 丁克勤 刘关四

摘 要：岸边集装箱起重机是码头前沿装卸的关键设备。随着信息技术的飞速发展，岸边集装箱起重机的集成化、智能化、自动化程度越来越高，对设备的远程监测需求越来越突出。针对岸边集装箱起重机系统复杂问题，提出基于故障模式及影响分析（FMEA）的健康监测方法。首先对岸边集装箱起重机进行结构层次划分，确定FMEA分析的结构边界，针对系统故障模式的发生频度、故障影响确定各故障模式的风险优先数（RPN）；然后建立维修决策逻辑决断图，从而确定健康监测内容及指标；最后围绕监测内容及指标构建岸边集装箱起重机健康监测系统。该系统能够为设备关键指标特征参数进行实时在线监测，为设备的远程运维提供数据支撑。

关键词：岸边集装箱起重机；故障模式；FMEA 分析；健康监测

Abstract: Quayside container crane is the key equipment for loading and unloading at the front of the wharf. With the rapid development of information technology, Quayside container crane has higher integration, intelligence and automation. Therefore, the demand for remote monitoring of equipment is becoming more and more prominent. Aiming at the complex problems of quayside container crane system, a health monitoring method based on fault mode and impact analysis (FMEA) is proposed. Firstly, the structure hierarchy of quayside container crane is divided, and the structure machine boundary of FMEA analysis is determined, and the risk priority number (RPN) of fault mode is determined according to the frequency and impact of system failure mode. Then, the logical decision diagram of maintenance policy is established to determine the content and index of health monitoring. Finally, the health of quayside container crane is constructed around the monitoring content and index. Health monitoring system. The system can realize real-time monitoring of key indicator characteristic parameters and provide data support for remote operation and maintenance of equipment.

Keywords: quayside container crane; failure mode; FMEA analysis; health monitoring

0 引言

岸边集装箱起重机作为码头前沿装卸的主要力量，正向着大型化与高效化的方向发展[1]。随着机械尺寸大型化，吊具下额定起重量重型化等相关参数的变化，一方面岸边集装箱起重机金属结构受到反复的交变应力影响，容易产生疲劳损伤；另一方面岸边集装箱起重机的电机、减速器、制动器等关键部件负荷较重，出现故障频发的趋势。因此，研究岸边集装箱起重机金属结构、工作机构等的典型故障模式，并对故障的原因和可能导致的影响进行分析，找出岸边集装箱起重机状态监测的主要项目，开展有针对性的状态监测显得越来越重要，为实施有效维护管理提供科学依据和可靠保障 [2]。

1 岸边集装箱起重机FMEA 分析

FMEA 是故障模式及影响分析(Failure Mode EffectAnalysis) 的简称，是可靠性维修理论的重要组成部分。它从系统的最低级组成开始，有步骤地分析每一个部件可能的故障模式，根据每个部件故障模式分析跟踪到系统，以决定每个故障模式对系统性影响，以便在现有技术的基础上采取相应对策消化这些风险或将这些风险减小到可以接受的水平[3]。对岸边集装箱起重机进行FMEA 分析。

1.1 分析研究对象

确定岸边集装箱起重机的基本功能，收集数据及信息。主要包括技术规格书和事故案例、设计数据和图纸、可靠性数据、运行及维修经验反馈等方面的资料等。这些数据和信息越充分有效，其分析结果的可信度就越高。

1.2 形成功能和边界图

边界图用于描述分析的边界范围和接口，说明各组件、零部件之间的关系。建立岸边集装箱起重机功能和边界图，如图1 所示。

图1 岸边集装箱起重机功能和边界图

1.3 列举故障模式

在FMEA 分析中，列举故障模式的精确完备与否，直接关系到分析结果的精确度。

1.4 故障发生频度评估

因为每个系统的特性不同，其评估不尽相同，通用的故障频度评估表如表1 所示。

表1 故障发生频度评估表

1.5 故障影响分析

FMEA 分析的目的是确定各类可能的故障及所产生的影响，并最终通过改善手段消除这些故障及其影响。在确定了故障模式后，接下来考虑故障影响。不同的故障模式，其影响（即危害性）是不同的。FMEA 分析中，每种故障模式的影响可以通过风险度来评估，根据风险度数值大小，可以确定各个故障模式的重要度排序，并以此排序作为采取对策优先与否的依据。风险度表示为RPN，是FMEA 分析中的关键指标，用其可以确定对故障采取对策的优先顺序。

风险度= 故障发生频度× 故障影响度= 故障发生频度×（安全性+ 经济性+ 操作性）

通用的故障影响度评估如表2 所示。

表2 故障影响度评估表

岸边集装箱起重机的主要金属结构应满足在各种工况下的强度、刚度、疲劳和稳定性要求，保证起重机有良好的工作性能。岸边集装箱起重机的起升机构由驱动装置通过钢丝绳卷绕系统和集装箱吊具实现货箱的升降作业。起升机构的驱动装置设在机器房内，由电动机、制动器、联轴节、减速器和钢丝绳卷筒组成。以岸边集装箱起重机金属结构（外伸梁/ 后大梁、门架/ 梯型架、连接）和起升机构（电动机、制动器、减速器）为例建立FMEA 分析图。

表3 岸边集装箱起重机FMEA 分析图

2 基于逻辑决断图确定监测项目

根据FMEA 寻找到缺陷和薄弱环节，目的是采取相应对策消除故障现象及故障原因，同时风险度排序给出了需要采取对策的故障优先次序。至于需要采取何种对策，结合FMEA 和逻辑决断图可以选择技术可行且经济合理的对策，从而提高系统可靠性。建立岸边集装箱起重机故障对策逻辑决断图如下图2 所示。

图2 故障对策逻辑决断图

根据图2，对于故障发生不很明显的潜在故障，要结合状态监测和日常维保检查信息（如温度、振动数据的异常等信息）确定其存在，为采取何种预防对策提供依据；对于会伤及人员和环境的安全故障（如制动力矩不足等），要进行定期预防维修，否则应改造后使用，其中预防维修项目一般也需要根据监测或检验结果提出；对于会减缓或停止生产的运行故障，要根据维修经济性决定采取定期检验、事后维修或停产停机时间检查，个别可以不采取预防措施（如制动器电动液压动力装置自然老化等）。

岸边集装箱起重机的结构和工作特点决定了其在运行过程中存在很多不易发现的潜在故障和对人身、环境有影响的安全故障。岸边集装箱起重机金属结构质量的好坏直接影响到起重机的安全，如金属结构一旦损坏，将产生严重事故，起重机金属结构变形( 扭曲变形) 以及结构连接螺栓松紧不一，会使连接螺栓因载荷而断裂；或由于焊缝质量不符要求而产生裂纹均会引起起重机不能正常运行，影响安全生产。另外岸边集装箱起重机的机械部分的故障主要来自电动机、制动器、减速器等主要零部件。电动机等电器设备在冲击、振动与摆动条件下工作，特别是在高温、多灰尘、潮湿的环境中更容易发生故障。电动机故障主要有不能起动、温升过高，负载时功率达不到额定值等。减速器主要用于传递扭矩并降低转速，减速器的质量好坏直接影响到起重机安全运行。使用了一定时间后的减速器其齿轮表面往往因疲劳点蚀和磨损而引起异常的噪声，并出现传动不平稳、有振动、发热等现象。制动器的故障直接危及安全生产，影响机构运动的准确性和工作的安全性。制动器的故障大都来自摩擦片与制动盘间隙调整不当，有时因液压推杆故障或制动力矩太小，联轴节内的润滑脂甩到制动盘上，或制动盘磨损等原因也会造成制动器失灵或工作不可靠。制动器在运行100 150 个工作小时后，就应对其进行额外的视觉检查。但是仅靠每班的人工检查存在很多不安全因素，因为缺陷故障发现不及时而未得到及时调整维修而发生事故的已屡见不鲜。

3 基于FMEA 分析的健康状态监测系统设计

通过分析可以看出，有必要对岸边集装箱起重机金属结构和主要零部件进行状态监测。通过状态监测提供的信息不仅可以帮助识别和发现岸边集装箱起重机的一些潜在故障，为制定预防对策提供依据；还可以根据监测结果有针对性地进行预防维修，防止伤及人员和环境的起重安全事故的发生。

根据表3 风险优先度排序结果，得到岸边集装箱起重机状态监测项目主要包括电动机的异温、异振动等；金属结构的主要焊缝脱焊或开裂、变形等；制动器制动盘的裂纹、异常温升、力矩不足等；减速器的异温、异振动等。金属结构缺陷可以通过监测结构应力状态发现，减速机需要对油温，壳体、轴承的振动信号以及高速轴转速的监测，制动器主要对制动位移以及制动盘温度进行监测，电机主要对电机温度，机座、轴承的振动信号以及转轴转速的实时在线监测。据此建立岸边集装箱起重机关键部件健康状态监测系统如图3 所示。

图3 起重机健康监测系统拓扑图

岸边集装箱起重机关键部件健康状态监测系统以风险预防为原则，以远程管理、健康监测、健康诊断、健康预报为目标，采用风险管理的思路梳理风险隐患，采用无线传感网络通讯技术，实时获取起重机的运行参数、电气系统运行状态，减速机、电机、制动器等关键机构部件的运行状态以及钢结构关键区域的应力状态，对设备的实时工作状态进行远程在线监测、处理与分析，为设备的使用管理和维护维修提供技术支撑，提高设备运行的可靠性、减少停机时间、降低维修成本。当然，状态监测还必须和定期检验、日常维保有机结合起来，这样才能切实提高起重机械使用过程中的安全性[46]。

4 结束语

针对岸边集装箱起重机系统复杂问题，通过岸边集装箱起重机FMEA 分析确定岸边集装箱起重机金属结构的主要焊缝脱焊或开裂、变形等；电动机的异温、异振动；减速器的异温、异振动；制动器力矩不足等作为重要监测参数。围绕监测对象及指标构建岸边集装箱起重机健康监测系统。为岸边集装箱起重机关键指标特征参数的在线监测提供支撑，为设备的远程运维提供数据支撑。

参考文献

[1] 连磊，王凤．岸边集装箱起重机半自动改造[J]．港口装卸，2018(5)：26-29．

[2] 王兴，丁高耀，龚徐科，等．岸边集装箱起重机使用情况统计与分析[J]．特种设备安全技术，2017(3)：29-31．

[3] 刘关四．港口门座起重机FMEA 分析及其应用研究[D]．武汉工程大学，2015．

[4] 张志斌，李士林．基于物联网技术的起重机安全管理体系[J]．起重运输机械，2012(5)：79-81．

[5] 刘娟．起重机健康监测系统的设计及开发[D]．中北大学，2011．

[6] 裴玮，丁克勤，邬代军．起重机械安全健康监测与损伤预警方法研究[J]．机械工程与自动化，2010(06)：120-122．

来源：起重运输机械