硕士论文港口机械金属结构应力的在线监测安全评估系统研究.doc

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1、硕士论文-港口机械金属结构应力的在线监测安全评估系统研究 武汉理工大学硕士学位论文摘要随着经济全球化和物流业的不断发展,港口在现代货物流通中的作用日益重要,其发展水平已成为衡量一个国家社会发展水平的主要标志之一。随着港口装卸机械设备朝着大型化、连续化、高速化和自动化方向发展,使得设备的组成与结构变得越来越复杂。这一方面满足了提高装卸效率,降低生产成本等客观要求。但另一方面,机械设备发生故障的机会越来越多,造成停工停产所带来的经济损失也越来越大。因此,现代化港口对机械设备工作的可靠性都提出了严格的要求。为确保各种装卸机械设备的安全运行,提高其可靠性和安全运转率,必须采取相应措施对港口装卸机械的运

2、行状态实行有效监测和控制,以便及时发现异常情况,采取措施减少或避免突发性故障,保证设备安全可靠,提高货物装卸效率,这对缩短船舶滞港时间,加快港口货物流通,促进对外贸易和经济发展,都具有非常重要的意义。作为港口机械骨架的金属结构承受着机构传动部分设备的自重及外载荷,其工作状态直接关系到起重机整机的工作性能、安全性与可靠性,一旦发生故障会带来巨大的直接和间接损失。针对起重机金属结构相关数据的有效采集和分析,更是设备管理人员进行维修决策所必不可少的重要科学依据。然而到目前为止,针对港口机械金属结构故障一般是通过实验人员定期带仪器设备到工作环境复杂的港口机械上进行检测,然后再进行数据处理,工作繁琐、危

3、险,也不利于缩短故障检测与维修时间及提高生产效率。因此,有必要设计研究一种合理的方案来解决这一实际问题。本文就是在此背景下展开研究的。本文从港口机械金属结构的特点出发,结合港口机械的具体工作条件,对港口机械结构应力在线的监测进行研究,以现代机械测试与试验技术为研究手段,利用传统的应变电测法,借助和动态链接库编程技术,提出了针对港口机械结构应力在线监测安全评估系统的方案,进行了该系统的硬件配置和软。件编程。本文研究成果对港口机械的在线监测安全评估提供了有益的参考和借鉴。蝴:港口机械,金属结构应力,动态应变仪,在线监测,安全评估武汉理工人学硕士学位论文 , . .,. , . , ,. ., ,

4、, .,., , . . , 仃锄仃,唧出刑矾.仃砌.,.州恤:,武汉理工大学硕士学位论文第章绪论.研究的背景和意义.研究的背景经过改革开放余年的发展,特别是进入世纪以来,我国港口装卸设备取得了飞跃式的进展,沿海主要大型专业化码头装卸设备总体上已达到世界先进水平,个别机型已处世界领先地位。中国制造的港口机械已稳步进入世界,在全球港口机械市场上占据重要地位【】。目前,我国拥有大中型起重机一万多台,仅港口起重机就数千台。随着使用年限的增长,多次出现臂架、支承圆筒等结构件折断的大事故,不仅造成重大经济损失和人身伤亡,而且给使用单位的安全生产带来严重威胁。以港口起重机为例,服役期在年以上的装卸型起重机

5、大都出现了不同程度的结构损伤,若对这类起重机进行报废或更新处理是不经济的,也是不符合国情的。如:年秦皇岛港台门机转台以上结构件整体断裂造成灾难性破坏,年月山东日照港台/吨门机突然臂架折断造成严重事故,每次造成的事故少则几十万多则几百万的巨大经济损失,而且事故大部分都发生在正常工作状态下。如何科学合理地对这类起重机的金属结构进行安全性评价,使这类起重机合理延长使用寿命,保证安全工作,是一个受到普遍关注但又未得到较好解决的问题【】【】。港口机械事故的原因大体可归结为以下三个方面:疲劳裂纹扩展的结果;局部失稳引起整机破坏;肋板严重锈蚀,丧失了原有的抗力。对港口机械金属结构的安全性评价涉及到设计、制造

6、、维护各个阶段,其安全性评价的理论与方法是不一样的,这样就需要对金属结构的安全性评价进行更加深入的研究。起重机金属结构安全性评价就是将起重机金属结构看成一个系统,对系统中的主要元件如臂架、拉杆等的技术性能进行分类,确定金属结构的技术性能状态,进而对起重机设备的作业情况进行分析和预测。就其武汉理工大学硕士学位论文设计阶段而言,己由类比、仿形设计发展到基于力学数学理论与方法的强度设计和基于测试、寿命控制及可靠性理论与方法的现代设计。在这个阶段,安全性评价的理论与方法是根据设计过程中采用的理论、方法对设计对象的预期性能如强度、刚度、稳定性或在随机载荷作用下的综合承载能力作定量评价。机械强度有限寿命设

7、计就体现了这种思想。同理,在制造及使用阶段也是根据各自的理论与方法对其安性进行评价。如制造阶段是根据结构件的焊接工艺等制造质量评价结构产品的安全性;使用阶段则是根据结构产品的使用状况、保养程度通过日常检查、检测及分析对其安全性进行评价。然而,各个阶段结构安全性评价的程度是不一样的。总的说来,由于对设计理论及方法的研究进行得很深入。因此,该阶段的安全性评价要成熟得多。而由于其它阶段的评价方法受结构形式、使用现场等因素的影响大,定量评价的离散性也大,所以,在安全性评价理论与方法的研究上还有许多工作要做【】【。为了保证港口机械金属结构在服役期内的安全性,实时了解结构的工作状况,及时调整结构的运行条件

8、或采取适当的养护、维修措施,已成为设备制造厂和使用单位所关注的重点。.研究的意义随着科学技术的进步,现代化工程技术系统正朝着大规模、复杂化的方向发展。系统的复杂程度和自动化水平越来越高,使得影响系统运行的因素增加,产生故障或失效的可能性增大,一旦出现故障,就会产生链式反应,导致整个系统损坏,不仅造成巨大的经济损失,而且严重地危及到人身安全。因此,在做好可靠性设计、管理等工作的基础上,系统状态的自动检测以及故障的准确诊断、定位与预测得到广泛重视。大型设备状态监测与故障诊断技术在近十年内得到了前所未有的发展,它对工业部门重要设备的管理维护、提高企业生产能力、保证安全生产、改进产品质量都具有重要意义

9、【】【】【】。设备状态监测和故障诊断是从医学检验和诊断受到启发。有经验的人员利用耳听机器运转发出的声音,就可能知道没备运行是否正常;而现代状态监测与故障诊断技术,则是随着系统工程、信息论、控制论、电子技术、计算机技术、通讯技术等的发展而发展起来的,是多种学科和技术交叉与渗透而产生的一门新兴综合性高技术。其研究内容涉及故障机理、传感器与测量技术、数据武汉理工大学硕士学位论文采集、数字信号处理、数据库、专家系统、计算机软硬件、通讯等领城。状态监测和故障诊断技术在航天航空、能源电力、石油化工、交通运输、机械加工等行业都有应用,例如:航空发动机与飞机,核反应堆,汽轮发电机组,冶金设备,石油化工设备,船

10、舶发动机及其汽轮机,车辆发动机,矿山机械与矿井设备,以及大型结构的无损探伤及故障诊断【】【】【】。其作用主要表现在:早期预报,防止事故发生;预知性维修,提高设备管理水平;提高设备的设计、制造水平,改进产品质量;确定复杂机器的最佳工作参数,提高效率;降低噪声、泄漏等污染,保护环境。随着经济全球化和物流业的不断发展,港口在现代货物流通中的作用日益重要,其发展水平已成为衡量一个国家社会发展水平的主要标志之一。随着港口装卸机械设备朝着大型化、连续化、高速化和自动化方向发展,使得设备的组成与结构变得越来越复杂。这一方面满足了提高装卸效率,降低生产成本等客观要求。但另一方面,机械设备发生故障的机会越来越多

11、,造成停工停产所带来的经济损失也越来越大。因此,现代化港口对机械设备工作的可靠性都提出了严格的要求。为确保各种装卸机械设备的安全运行,提高其可靠性和安全运转率,必须采取相应措施对港口装卸机械的运行状态实行有效监测和控制,以便及时发现异常情况,采取措施减少或避免突发性故障,保证设备安全可靠,提高货物装卸效率,这对缩短船舶滞港时间,加快港口货物流通,促进对外贸。易和经济发展,都具有非常重要的意义【】【现阶段我国各主要港口大多数的港口机械都处于超期服役状态,工况也比较恶劣,我国目前仍然主要沿用传统的“定期保养,事后维修制度,故障检测与修复的设备和手段也较落后,导致整机可靠性差、安全隐患多、停机待修时

12、间长,严重影响了装卸效率和整机工作潜力的发挥。因此,为保证起重机的安全可靠运行,对其进行状态监测显得尤为重要和紧迫。特别是金属结构的疲劳载荷时间历程对起重机整机质量的影响很大,相关数据的有效采集和分析处理,更是设备管理人员进行维修决策和估算剩余寿命所必不可少的重要科学依据【】【 。但是港口机械大都属于大型机械,起升、运行、旋转、变幅等各工作机构武汉理工大学硕士学位论文一般都布置在离地几十米高的主机房里,装卸设备的上下楼梯又都很陡峭和狭窄,携带电荷放大器、磁带记录仪、示波器等振动测试仪器进行电设备的监测】。比较困难,在需要多次测试的时候,就更使测试人员疲于奔命【然而到目前为止,我们对港口机械的监

13、测都是通过实验人员定期带仪器设备到工作环境复杂的大型机械上进行检测,测试人员的工作危险而且繁琐,并且得到的数据只是我们所选取的时间点的状况,并不能完全说明整台机械设备长期以来的工作状态。而且无法长期监测机械结构应力,在结构可能处于危险工作状态的第一时间提醒工作人员进行维护。因此,一种能长期稳定实时在线监测港口机械状态的测试系统对于港口来说,是极其需要的。它无须频繁让测试人员到港口机械上进行检测,能随时提供机械结构一段时期以来的工作状态。检测人员只需在控制室的工控机上便可得到机械结构工作状态的详细数据,从而使的工作人员随时能掌握机械结构的工作状态,有利于从根本上改变我国现行的“事后维修和“定期维

14、修体制,并逐步走向“视性维修或“状态维修体制。.国内外故障诊断技术的发展与现状状态监测和故障诊断技术的发展趋势是:在系统结构方面,由分布式替代集中式监测方式,数据采集和状态监测由智能前端装置实现,故障诊断由中央计算机完成,从而使系统结构分布化、监测方式层次化;在计算机硬件平台方面,功能强大的工作站、服务器、超级微机及网络将综合在一起形成工作组,从而使先进的硬件技术得以应用,如局部总线技术、大容量高速硬盘技术、高速图形显示技术以及多媒体技术等;在计算机软件平台方面,高性能的实时多任务中文操作系统、优良的图形用户接口、动态数据交换、网络通讯、实时数据库、面向对象的编程语言等先进软件系统及技术将得到

15、应用,并为故障诊断系统软件的开发及运行提供一个前所未有的开放的优良环境;在系统软件功能方面,将向人机自然语言接口、实时多任务全过程在线监测、诊断过程自动组态等方向发展。另外,需要建立一套完整可靠的评估系统,包括统一的测试指标和公认的测试数据库,以对各种检测和诊断方法进行客观评价。武汉理工大学硕士学位论文.国外故障监测诊断技术的发展与现状近年来,故障诊断技术迅速发展,并在机械、化工、电力、航天、核能等多个领域取得了大量的应用成果。美国是最早开展故障诊断技术研究的国家。年美国开始执行阿波罗计划后,出现了一系列严重的设备故障,引起了美国军方和政府有关部门的重视。于是年月,在美国宇航局的倡导下,由美国

16、海军研究室主持成立了美国机械故障预防小组,首次采用状态监测技术对机械进行预防监测,标志着此术的开始研究。除了外,美国机械工程师学会领导下锅炉压力容器检测中心在应用发射技术对静设备监测诊断方面也取得了重要成果。其他还有 公司的超低温水泵和空压机监测技术,公司在军用机械轴与轴承方面的相关技术在国际上都处于领先地位。在航空运输方面,美国在可靠性维修管理的基础上,大规模地对大型飞机进行状态监测,研制并应用了以计算机为基础的飞行器数据综合系统,采集、记录、分析处理大量飞行中的信息来判断飞机各部位的故障并能发出排除故障的指令。这些技术在和等巨型客机上的成功应用,大大提高了飞行的安全性。目前,美国的军用飞机

17、也都装备了功能强大的状态监测和故障诊断系统。在大型旋转机械故障诊断方面,美国西屋公司.从年起就展开了研究工作,到年已完成了网络化的汽轮发电机组监测诊断系统,在实际应用中对西屋公司自己的机组公司的系统的安全运行发挥了巨大的作用。此外还有以和系统为代表的多种机组在线监测诊断系统等。在英国,从总体上看其设备监测诊断技术的发展与美国有密切的联系,最初的研究工作和启蒙活动始于年代末至年代处,以.为首的英国机械保健中心.率先开始研究工作,年由曼彻斯特大学发起创立了沃福森工业维修公司、公司等几家公司,担任政府的顾问、谐调和教育工作,开展了宣传、培训、咨询、制定规划、检测分析以及诊断技术开发等多方面业务活动。

18、在核电方面,英国原子能机构下设的一个系统可靠性服务站专门从事诊断技术的研究,此外,还起到了英国故障数据中心的作用。在钢铁和电力工业方面英国也有相应的机构提供监测与诊断技术服务。武汉理工大学硕士学位论文在欧洲其他一些国家,设备监测诊断技术的研究也有不同程度的进展,在某些方面还具有特色或占据领先地位,如瑞典的轴承监测技术,挪威的船舶诊断技术,丹麦的振动、噪声分析和声发射技术等等。相比美国、欧洲国家在航空、核工业以及军事部门中占有领先地位的话,日本在某些民用工业,如钢铁、化工和铁路等部门的监测诊断技术发展很快,在世界上占有一定的优势。他们密切注视着世界潮流发展动向,积极引进、消化最新技术,努力发展自

19、己的技术、研制诊断仪器。例如,当年英国提出设备综合工程学之后,日本设备工程师协会从年开始发展泉源生产维修,并每年向欧洲派遣“设备综合工程学调查团,了解诊断技术的开发研究工作情况,经过年努力,技术达到了使用阶段。日本一些全国性的学会也相继设立了专门的研究机构,开展监测诊断技术的研究;一些国立研究机构和一些著名的大学也相继开展了基础理论和应用技术研究。其他民办企业,如三菱重工、川崎重工、日立制作所、东京芝蒲电气等也以企业内部工作为中心,开展了一些应用水平较高的实用项目。例如,三菱重工的白木万博研制的“机械保健系统在汽轮机故障监测和诊断方面起到了有效的作用。九十年代以来,高档微机不断更新且价格迅速下

20、降,适合数字信号处理的计算方法不断优化,是数据处理速度大为提高,为在工业现场直接应用状态监测技术创造了条件。计算机实时状态监控能够大幅度地降低设备故障率,缩短故障检测与维修时间,增加正常运转时数,提高生产效率。因此,该技术问世以来,在全世界范围内得到了迅速发展,目前应用相当广泛。丹麦、美国、德国、日本等发达国家的专家学者对机械工作状态监测技术进行了深入研究,研制出不同系统。该类系统以丹麦公司的型振动监测系统、美国公司的系列振动监测系统、美国亚特兰大公司的系统为代表,已经达到较高的水平。在功能上比较典型的系统之一是丹麦公司的型振动监测系统 ,主要功能有:自动谱比较并进行故障预警报警;对%和%恒百

21、分比带宽谱进行速度补偿;幅值增长趋势图显示;三维谱图显示;振动总均方根值振动烈度计算等。它们的特点是硬件所占比例大,采集信息多,处理速度快,监测功能强,具有简单的故障诊断功能;但价格昂贵,且采用专用计算机系统及语言,新功能不易开发,对使用人员要求较耐】【】。武汉理工大学硕十学伊论文.国内故障监测诊断技术的发展及现状我国从年代后期展开了设备状态监测和诊断技术的研究、学习。年以前,一些大专院校和科研单位基本是结合教学和有关设备诊断技术的研究课题,逐渐开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究和小范围的工程实际应用研究。直到年才真正着眼从维修体制改革的高度,从探求寿命周期费用的经济性上系统、全

22、面研究设备监测诊断技术。不少工业企业开始研究美、日、欧的先进技术和经验,对一些故障机理、诊断方法及简易监测诊断仪器进行研究和研制。同时利用一些国外监测诊断设备,在进行研究的同时直接应用与实际生产,取得了一些成就,为加快我国的设备状态监测与故障诊断技术开发研究工作争取了时间。故障诊断技术在我国广泛的研究丌始于年代,华中科技大学杨叔子院士【、哈尔滨工业大学黄文虎院士、西安交通大学谢友柏院士【】、清华大学方崇智教授【、南京航空航天大学胡寿松教授【】、东南大学的钟秉林教授【】等人对故障诊断进行了长期的研究。年代中后期以来,我国有关研究院所、高等院校和企业开始自行或合作研究机械状念监测技术,无论在理论研

23、究、测试技术和仪器研制方面,都取得了成果,并开发出相应的机械状态监测系统。如:西安交通大学、浙江大学、北京理工大学、北京机械工业学院等。这些系统的软件功能比较丰富,硬件性能也不断改进,但基本上仍处于研究发展阶段,且价格依然昂贵,这些系统主要应用与国家重点企业中关键设备的监测或特定设备的监测,如大型汽轮机组、大型水轮机组等。年初,原国家经委发布了国营工业交通设备管理试行条例,明确指出:“要根据生产需要,逐步采用现代化故障诊断和状态监测技术,发展以状态监测为基础的预防维修体制。年国务院正式颁布了全民所有制工业交通企业设备管理条例,从而把设备诊断技术工作列入了企业管理法规,并指出了设备诊断技术要为维

24、修体制改革服务。这些为我国设备状态监测与故障诊断技术的开发、研究、发展奠定了良好的基础,使我国的设备状念监测和故障诊断工作开始走入了深入研究和蓬勃发展阶段。研究工作已从监测诊断系统的开发研制进入到诊断方法的研究;监测诊断手段由振动、工艺参数的监测扩大到油液、扭矩、功率甚至能损的监测诊断;研究对象由旋转机械扩展到柴油发动机和工程施工机械;时空范围有当地监测诊断扩大到异地监测诊断即监测诊武汉理工大学硕士学位论文断网络。在现场信号采集与故障诊断仪器及数据管理软件的研制方面,国内有一些大学及研究所推出了自己的产品,如北京振通检测技术研究所推出的和便携式采集器、重庆大学测试中心的.型振动测试分析仪、大连

25、理工大学推出的数据采集分析仪及管理软件、哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测与故障诊断系统”、西安交通大学的系统、浙江大学的.系统、清华大学的系统等【】。这些状态监测和故障诊断系统特点是以微机为基础,以软件开发为中心,功能多、灵活性大、适用面广、价格低。目前存在的主要问题是:硬件功能较弱,以巡回监测为主,实时性较差;系统集成化程度和软件商品化程度较低;传感器、二次仪表、计算机系统及软件的可靠性较低,难以适应工业现场恶劣的工作环境。.港口机械故障监测诊断技术的发展与现状由于港口机械的特殊性,到目前为止,针对港口机械金属结构的监测都是通过实验人员定期带仪器设备到工作环境复杂的大型机械上进行检测,测试

26、人员的工作危险而且繁琐,并且得到的数据只是所选取的时间点的状况,并不能完全说明整台机械设备长期以来的工作状态,而且无法长期监测机械金属结构应力,在结构可能处于危险工作状态的第一时间提醒工作人员进行维护。对港口机械金属结构进行故障监测诊断,首先要对其工作特点及受力状况进行分析,随后才能作出监测点的分布和以何种形式获取参数,进而考虑参数的分析处理,得出有价值的或是关键数据,其中所需要考虑以下因素:港口机械的运行工况一般有别于其他行业中的机械设备。首先各机构的运行基准点从只能是相对于结构固定、刚度不同的结构形式,在测量过程中会有很大的不同。这点明显区别于以大地为基准相对固定的运行机构。载荷的变化范围

27、比较大。这主要受两大方面的因素影响:第一是设备提取的货物形式不一,散货比重大小不同,件货长短不一,吊起时的振摆都将会在受力测点中反映出来;第二是人为因素,同样物体的货物在装卸过程中不同的人操作设备会得到不同的参数。港口机械在结构的安装过程中将会产生一定的内应力。并且这部分内应力是随机械所处不同状态变化的。因此,在考虑外载荷使结构受到的外应力以外,还需兼顾内应力的因素,这样才能列出监测受力点的总体范围,从而确武汉理工大学硕士学位论文定设备的安全工作受力区域。机械的结构振动测试,相对于所关心的监测点的受力分析,则会清晰得多。对机构运行关键点的观察在信号提取后的频谱分析图中显而易见,根据设计图纸中给

28、出的技术参数,对应的振源可作一比对。各类港口机械运用状态监测有其独特性,同时也存在不确定因素,如何对此类机械的强度、刚度进行有效测量,如何确定设备的有效安全工作参数,要做深入细致的工作,从中得到可靠的原始数据。通过定期的数据采集比对、计算,掌握和了解设备当时所处的技术状态并建立其档案。因此,现有的故障监测诊断技术在港口机械中的应用,还远远不能满足如今港口迅速发展的要求,还有许多工作需要进一步完善。在开发高效快速的港口装卸机械状态监控系统方面,发达工业国家处于主导地位,较著名的有、和施耐德公司等。这些公司应用先进的计算机控制技术、智能传感器技术、高速宽带通信技术等,不断推出新方案和新装置,使由他

29、们自主或参与合作开发或改造的港口装卸机械的装卸效率和安全可靠度都有了极大的提高,整机向有机、完善、协调、适配方向发展【引。.本论文的主要研究工作本论文以港口机械金属结构应力为对象,针对港口机械的特殊工作条件,提出一套在线监测安全评估系统,以实现对港口机械金属结构的长期在线监测安全评估。其中的主要研究工作包括以下几个方面:研究了港口机械金属结构的相关特性,探讨港口机械金属结构常见的失效形式以及这些失效产生的原因,并分析了检测这些失效常用的方法;对应力应变的电测法进行了研究,通过对电阻应变片的原理分析,探讨了电阻应变片在港口机械监测系统中的应用;研究了动态应变仪的工作原理和数据传输方法,针对数据的

30、接收与存取,利用与动态链接库,编写相应的程序函数;利用 软件对整个系统进行编写,为系统建立了友好的人机交流界面,并实现了监测数据的实时显示;借助国内外诊断技术,针对所采集到的数据,与安全报警值进行比较,对金属结构状况进行实时安全评估,尽可能的避免事故的发生。武汉理工大学硕士学位论文第章港口机械金属结构.港口机械概述.港口机械概述港口机械是用来完成船舶与车辆装卸、库场的堆码、拆垛和转运,以及舱内、库内、车内作业的起重运输机械。按其工作特点分为起重机械,输送机械,装卸搬运机械及专用机械四大类。港口起重机械是一种间歇动作机械,他具有短暂、重复、周期性循环的工作特点。起重机在搬运物料时,各工作机构做往

31、复周期性的运动,例如在起升机构的工作由货物的升、降和空载取物装置的升、降所组成。在起重机的每一个工作循环中,其有关的工作机构都要作一次正向和反向的运动。起重机械与连续输送机械的主要区别在于起重机械以周期性短暂往复工作循环搬运物品,而连续输送机械则长期连续单向运动来运送物品。正是由于这一基本差异决定】。了这两类不同类型的机械在构造和设计计算上的许多重要差另港口起重机械的种类繁多,但就其基本组成而言,主要由工作机构、金属结构以及动力和控制系统三个基本部分组成。工作机构工作机构是起重机械不同运动的执行机构,是为实现起重机不同运动而设置的。其作用是实现被吊运物品的升降和平移运动,从而实现物品的装卸、转

32、载、搬运、安装作业要求。起重机常用的工作机构有起升机构、运行机构、变幅机构以及回转机构,即四大机构。此外针对某些起重机的特殊使用要求,有时还设有伸缩机构、放倒机构等。在所有这些机构中,实现物品垂直升降运动的起升机构是起重机械的基本工作机构,其他机构则是配合起升机构工作实现物品搬运的辅助机构,可以根据不同类型的起重机械和使用要求设置。如臂架类型的门座起重机通常设有四个工作机构,而桥架类型起重机则设有起升、小车运行和大车运行三个机构,但作为基本工作机构的任何一种起重机械都是必不可少的。武汉理火学硕十学位论文金属结构金属结构是起重机械的支持构架,决定了起重机械结构型式,它用来支承工作机构物品和自重的

33、重力和外部载荷等,并将这些外载荷传递到起重机械的支承基础。例如臂架类型起重机的金属结构包括臂架、人字架、转台、门架或车架等部分,桥架类型起重机的金属结构包括桥架主梁、端梁、支腿等构件。动力和控制系统动力装置是起重机的动力源,它在很大程度上决定了起重机的性能和特点。控制系统是控制各机构的执行的系统,通过控制系统实现工作机构的起动、调速、转向、制动和停止等动作。此外,还包括起重机上的照明、安全装置的控制和联络等。.港口机械的发展与现状经过改革开放余年的发展,特别是进入世纪以来,我国港口装卸设备取得了飞跃式的进展,沿海主要大型专业化码头装卸设备总体上已达到世界先进水平,个别机型已处世界领先地位。中国

34、制造的港口机械已稳步进入世界,在全球港口机械市场上占据重要地位【。一中国品牌震动世界以振华港机公司产品为代表的中国港口机械已进入世界多个国家和地区,占据世界集装箱机械市场%以上的份额。中国品牌的港口机械产品已被全世界港口用户视为优秀品牌,中国港口机械的发展速度震惊世界。国产港口机械产品及其主要机电配套件大多自主研制,具有完全的自主知识产权,中国已从一个港机生产大国迈向一个港机生产强国。二大型化、高效化成绩显著运输船舶大型化的发展趋势推动了港口机械大型化和高效化的发展,港口装卸机械先进机型已能满足对载箱量的超巴拿马型集装箱船和万万吨级散装货船的装卸作业需要。大型高效岸边集装箱起重机起重量达,外伸

35、距达一,单机平均装卸效率达/以上,双英尺岸边集装箱起重机、双英尺双小车岸边集装箱起重机等新型装卸设备技术渐趋成熟,使集装箱装卸效率又进一步得到提高;大型专业化散货出口码头单机装船效率达到/,散货进口码头单机卸船效率已达/;大型原油码头输油臂最大台时效率己达/;海港通用武汉理工大学硕士学位论文码头前沿装卸设备大型化趋势明显,大型门座起重机已成为通用码头前沿的主力机型。三自动化设备大显身手提高港口作业效率有赖于岸边集装箱起重机、堆场集装箱起重机、桥式抓斗卸船机、连续式卸船机、散货堆场作业机械等港口设备的自动化运转,我国港机研究、设计和制造单位通过自主开发,已完全可以提供具备中国特色的这些设备的复杂

36、的自动化控制系统,使这些设备的单机效率得以充分发挥。大型散货码头的自动化运行控制系统技术日臻成熟,国内海港大型散货码头基本实现自动化运行。对集装箱设备和集装箱码头的自动化系统的研究也取得初步成果,上海港外高桥二期自动化无人堆场系统,在集装箱自动化作业工艺和设备、自动防摇、自动识别、自动定位、堆场智能控制等方面进行了富有成效的实践。四注重环保与节能在提高港口设备作业效率和自动化运行能力的同时,港机设备的研制和使用单位越来越重视设备的环保和节能性能。对于集装箱装卸设备,这方面的研发工作主要针对堆场装卸机械,如对轨道式集装箱门式起重机堆场作业工艺的热烈讨论和尝试、超级电容在内燃上的应用、电动、与并轨

37、等,特别是电动,国内多家研发单位如交通部水运科学研究院、振华港机公司、青岛港集团港机厂等几乎同时推出了各自的机型,节能效果显著,且各具特色。对于大宗散货的卸船作业,连续式卸船机械在经过多年的技术进步后,有些机型原有的弱点已被克服,而其低能耗、低污染的特点又在新的形势下受到广大港口用户的青睐,特别是针对粮食、氧化铝等易起尘的货种。五内河港机设备经济实用沿海港口机械设备的发展带动了内河港机设备的技术进步,特别是在国家实施西部大开发战略的指导和西部交通建设科技项目的支持下,内河港机设备的品种逐渐丰富,性能质量迅速提高,机型经济实用。特别是内河大水位差码头,突破了过去传统的建设单一斜坡式码头的观念束缚

38、,开始尝试建设直立式、分级直立式、高架式等多种型式的码头,因地制宜地研究适应相应码头型式的装卸工艺和设备,推出了一系列适合内河作业特点的新型高效装卸设备,缩短了内河港机设备与海港港机设备的差距。我国港口机械的发展是高速的,基本满足了港口建设发展的需要,但与先进国家相比较,与港口现代化要求仍然存在许多差距。根据国外港口机械技术武汉理工大学硕士学位论文的发展,以及国际航运技术发展的新特点,今后一个时期,港口机械主要的发展趋势是:发展大型、专用的装卸机械。以适应船舶大型化、货物装卸散货化、集装化发展需要。如港口大型岸边集装箱起重机,轮胎龙门起重机,正面吊运机,高生产率的抓斗卸船机等。减轻机器自重,实

39、现起重机械的轻型化,包括采用新的结构型式,新材料,新的传动机构,新工艺等。例如在起重机金属结构中采用高强度低合金钢制造。采用优化设计,可靠性设计等新设计理论和方法,在减轻自重同时提高起重机的可靠性和使用寿命。将机械技术与电子技术结合,单机设计,单机设计与机械化作业系统相结合。将先进的微机控制控制、光纤技术、液压技术等运用到机械的驱动和控制系统,以改善起重机工作性能。例如变频调速在起重机的控制系统中应用,使起重机在起动、制动的平稳性大大改善,取得了十分明显的效果。人机工程学的应用。例如在减小起重机振动、噪声方向;在起重机司机室的合理布置及舒适性方面;在起重机的安全技术等方面采取措施,以改善起重机

40、工作性能和提高其安全性、舒适性和可靠性。新的装卸搬运技术的研究。包括用自动存取系统的自动化仓库,气垫搬运技术等。例如近年发展起来的大型起重机械整机搬运的新工艺。标准化,系列化,规范化。例如对大批通用的起重机械主要性能参数,主要机构及零部件实现标准化、系列化对于提高生产率,降低生产成本,改善产品性能及维护保养都具有积极意义。目前国内、外许多工厂都对本厂产品制定有系列。我国在年颁布实施的起重机设计规范,对起重机设计的规范化,以及和国际标准接轨起到重要作用,成为我国起重机设计、制造的主要依据规范【】。.港口机械金属结构.港口机械金属结构概述由金属材料扎制的型钢和钢板作基本构件,采用焊接、铆接登方法,

41、按照一定的结构组成规则连接起来,能够承受载荷的结构物叫做金属结构。金属结武汉理工大学硕士学位论文构是出现较晚的一种结构型式,仅在十九世纪后期,由于钢铁工业的发展,机器制造业的进一步完善,金属结构才有较快的发展。特别是二十世纪初开始采用焊接技术后,在金属结构领域里引起了重要变革。因为焊接结构对减少钢材用量,改革结构型式,减少制造劳动量,缩短工时等方面都起到了很大的促进作用。再加上金属结构所具备的独特优点,使金属机构得到非常广泛的应用。目前金属结构不仅广泛用于传统的工业部门,新兴的宇航工业、海洋工程等也都大规模应用金属结构。港口机械金属结构的主要作用是承受机构传动部分设备的自重及外载荷,并构成必要

42、的工作体系和运动空间,其结构的型式虽然各异,但它们都是由一些基本受力构件组成的,这些基本受力构件包括:轴心受力构件一如轮胎起重机人字架的拉压杆,门座起重机四连杆臂架的大拉杆和八撑杆式门架的撑杆,岸壁装卸桥前后桥架的拉杆和门架的斜撑杆、柔性支腿等;受弯构件一如桥式类型起重机桥架的主梁和端梁,臂架回转起重机转台和车架的纵梁和横梁等;压弯构件?如流动起重机的臂架,门重起重机的主臂架,门座起重机的转柱,龙门起重机和装卸桥的刚性支腿等。这些基本构件根据其受力大小和外形尺寸大小可分别设计成格构式、实腹式或混合式的结构型式。格构式构件是由许多型钢、钢管或组合截面杆件连接而成的杆系结构。格构式构件适用于受力相

43、对较小、外形尺寸相对较大的场合,可用以减轻构件的自重,其缺点是制造工艺复杂,不便于采用自动焊,节点处应力集中较大等。实腹式构件主要由钢板组成,有开口截面构件和闭口截面构件之分,前者也称板式构件常做成双轴对称工字形截面或有加强翼缘的单轴对称工字形截面,后者也称箱形构件,常做成矩形箱形截面和梯形、三角形箱形截面。实腹式构件适用于载荷大外形尺寸小的场合,这样可较充分地发挥构件材料的机械性能。实腹式构件一般自重较大、刚性较差,但制造方便、可采用自动焊、应力集中较小、疲劳强度较高。混合式构件部分为实腹结构,部分为杆系结构。由实腹式主构件和加强杆系组成的桁构式构件。此外由板梁和桁架混合组成的闭口截面构件也

44、属于混合式构件。混合式构件的特点和使用条件均介于格构式构件和实腹式构件之间【。港口机械金属结构的工作状态主要是指金属结构的工作性能满足使用要求武汉理工大学硕士学位论文的程度,直接关系到整机的工作性能、安全性与可靠性,它主要表现为:金属结构对工作中各种可能出现的载荷的承载能力强度、刚度、稳定性等,亦即结构的安全性;金属结构在工作中的变形与动态响应对静刚度、动刚度条件的符合程度,亦即结构的适用性;金属结构在实际使用条件下使用寿命与设计寿命的符合程度,即结构的耐久性。由于各种原因,金属结构在使用过程中将出现不同形式的破坏和损失,因而金属结构的工作状态是一个随时间、随工作条件不断变化的物理过程或化学过

45、程。因此,对港口机械金属结构应力进行实时监测是非常有必要的。.港口机械对金属结构的基本要求港口机械一般都是工作条件十分繁重的重型机械设备。其载荷复杂多变,动态性质显著,所以作为骨架的金属结构,其设计制造质量的好坏将直接影响整台机械的技术经济指标,即机械的可靠性、适用性和经济性。为保证港口机械良好的技术经济性,对港口机械金属结构有如下基本要求:满足总体设计要求金属结构既然是港口机械的一个组成部分,就必须符合港口机械整体设计的要求。首先应满足总体对工作幅度、跨度、前伸距、后伸距、起升高度等作业空间的要求;其次应满足总体提出的机构学上的要求,如门座起重机为保证交幅时起升物体作水平移动对各结构提出的尺

46、寸要求;其三应满足总体布置的要求,使结构与结构之间,结构与机构之间关系协调,互不相碰。坚固耐用、性能良好为保证港口机械坚固耐用、安全可靠,其金属结构必须有足够的静强度、规定寿命下的疲劳强度和各构件的整体和局部稳定性。为了具有良好的使用性能和动态性能,其金属结构应具有足够的静态刚性和动态刚性。重量轻、材料省重量是港口机械的一个很重要的技术经济指标。港口机械金属结构的重量通常要占整机重量的%。对具有大型结构件的起重机,如各类装卸桥,这一比例可上升到%。降低金属结构的重量不仅能节约结构本身的钢材,而且能减轻机构和码头的负荷,降低机器和码头的造价。武汉理工大学硕士学位论文构造合理、工艺性好金属结构的构造型式既应适应结构的受力特点,使传力路径短、力流平衡,又应保证结构具有良好的工艺性,使制造、运输、安装和维修方便。根据工厂和工地的设备和技术条件,尽量采用先进的