港机设备（精选4篇）
港机设备 篇1
一、设备主动维护理念
主动维护是继故障维修、预防维修、状态维修 (预测维修) 后国际上近几年来提出的一种新的设备管理理念, 是对导致设备损坏的根源性参数进行监测识别, 将其控制在一个合理的范围内, 延迟失效发生, 减少维修, 最大限度减少停机, 把故障苗头消灭在萌芽之中, 可大幅降低维修成本, 是一种较好的维护方式。实施策略, 在前期运行的稳定时段内实行主动维护内容是:制定维护目标, 采取延长机械寿命的方法等。而随着运行时间的延长, 故障失效程度也会逐步加重, 此时段的工作重点是采取预测维修或故障维修。预测维修可在失效程度出现时进行, 而故障维修是在失效程度加大时进行。工作目标就是在设备的正常运行阶段, 通过采取主动维护尽可能地避免维修, 最大限度地延长大修间隔期, 即设备稳定运行的时间。
主动维护是以维护为主, 修理为辅。设备的可靠运行主要靠维护, 维护是一项主动和积极性的工作, 修理则是被动和消极的。通过实施主动维护, 设备的维修成本会大大降低。据有关资料介绍, 凡采取主动维护的设备, 其维修成本较预测维修降低80倍, 较预防维修降低130倍, 较事后维修降低180倍。从设备维护与维修的历史发展来看, 实行主动维护无疑是最先进的设备管理模式之一, 也是对维修方式的根本变革。根据主动维护的理念, 针对港口流动机械设备管理特点, 就如何建立“流动机械设备的主动维护体系”, 不断开拓和创新设备维护保养管理新思路, 更好地适应港口发展需求等进行了大胆探索与实践, 已取得预期效果。
二、在港口机械设备中的实践
1. 抓住油品及滤清器采购质量关
无论是油品还是滤清器采购, 首先要从质量选择上下功夫, 通过市场调研及对产品在机车上的试验结果评定等, 选选出质优价廉的油品及滤清器品牌厂家, 并指定专业代理商供应。一旦确定了供应渠道, 在无特殊情况下, 一般不准改变, 以保证油品及滤清器的内在质量。同时建立新油品质量数据库, 对每次购入的油品进行质量检定, 确保油品质量的稳定。
2. 实现润滑油品的自动密封加注、回收及过滤
天津港润滑油自动加注及废油回收系统主要由上油装置、贮油灌、输油管道、过滤装置、卷线器、计量油枪、废油回收系统、电器控制箱等组成。润滑油料进出操作, 完全实现了自动化控制及密封加注等功能。主要方式与用途如下。
(1) 贮油灌上油装置。注油时, 将贮油灌或油车与上油装置的快速接头相连, 通过电机将润滑油加至贮油灌中。在此过程中, 油品无任何污染, 保证了使用灌装油品的质量, 防止了过去在倒装过程中对油品的污染。
(2) 润滑油贮存与过滤。润滑油贮存与过滤时, 因贮油灌顶部有注油孔、通气孔和人孔, 前面有玻璃透明油标, 所以确保了安全贮存与过滤过程。玻璃透明油标是为实时了解贮油灌内油量情况;贮油灌注油孔与上油装置出油口密封相连, 防止了外部灰尘通过注油口对油品的污染;为了防止贮油灌通气孔与外界呼吸时, 空气中的尘土对油灌内润滑油的污染, 在通气孔上部安装了5μm空气过滤器, 新油品经过过滤装置过滤, 清洁度水平已达到NES1638 5级水平。
(3) 卷管器、加油枪及废油回收系统。卷管器通过旋转接头与润滑油过滤装置的出油口相连, 卷管器中盘有20 m加油管, 加油管头部连接加油枪, 加油枪能实现对润滑油的计量。
废油回收系统的车坑侧面上部开有废油回收油槽, 废油回收漏斗底部连接的油管插于废油回收槽中, 油管可沿废油回收槽纵向移动, 以适应不同机械设备放油口位置。废油回收槽下部与车坑底部的废油回收箱连接, 当废油回收箱的废油收集到一定数量时, 开动电油泵将废油抽至废油桶中, 以备处理。
通过构建设备润滑油质过滤加注及废油回收系统, 实现了油品过滤、加注自动化, 以及废油回收环保化。大幅度缩短了机车保养时间, 提高保养效率近80%, 避免油品在加注过程中的二次污染。既保证了润滑系统工作可靠, 提高油品清洁度, 又减少了设备磨损。
3. 润滑脂集中加注系统
润滑脂集中加注系统的主要作用, 是对设备各润滑脂加注点进行注脂, 类似于润滑油过滤加注系统, 由润滑脂加注泵、卷线器、油枪和管线组成, 有气动和电动两种。采用润滑脂集中加注及过滤系统, 改变了过去在加脂保养中, 因领用的润滑脂是用塑料袋小包装, 人工在加至油枪过程中易污染和破损。另外, 部分未使用的润滑脂因长时间暴露, 使尘土粘附在润滑脂上, 造成润滑脂浪费和对环境的损害。润滑脂集中加注系统既净化了油品, 提高了油品质量, 又从根源上减少了机车磨损等问题。保养人员用多少脂, 都可通过自动油枪加注到设备上, 避免了上述问题发生。
4. 液压系统的机外过滤
机外过滤是利用高过滤精度 (2~5μm) 的滤油机, 通过外循环定期对在用的液压油进行过滤净化。港机液压系统的“机外过滤”能弥补部分港机液压系统过滤装置的过滤精度和纳污能力不足的缺陷;通过对设备在用液压油颗粒数的跟踪监测, 适时地对港机设备的液压系统时行“机外过滤”, 保证港机液压系统的目标清洁度。通过对液压油进行红外光谱衰变研究, 在保证港机液压系统清洁度的前提下, 能使液压油的使用寿命延长3~4倍, 同时大大延长了设备上各液压件的使用寿命。例如, 通过实施液压油的过滤再利用工作, 每年节约液压油费用15万元以上, 同时保证了港机设备液压系统的可靠运行。
5. 加强设备润滑油的量化管理
“油、水”管理是设备润滑管理的重要组成部分, 通过推行流动机械设备的“量化管理”工作, 取得了明显成效。其实质就是通过精确计量设备的油、水添加频率及更换数量, 使油品添加信息能准确反应机车状况。例如, 对日常添加的油水 (发动机油, 液压油和防冻液) 量进行全面监控后, 可针对添加超标的机械进行重点跟踪检查, 确定超量添加原因, 并有针性地进行整改。具体作法如下。
(1) 精确计量油品发放数量。油、水领用要严格计量, 如详细记录设备油、水领用原因 (添加、维修部位、正常换油) 、设备编号、领用数量、领用人、领用日期等信息。
(2) 确定设备添加油量极限值。准确标定出每种设备计量标尺刻度的最低位与最高位添加数量。当某种设备超过其最高添加量时, 应及时查明原因。
(3) 开发润滑油、水量化管理程序。通过开发油、水量化管理程序, 实现了油水量化管理信息共享。例如, 设备主管人员可通过内部网的任何一台计算机终端进行查询, 便能找出添加超标车辆, 达到及时了解设备油、水添加情况。技术部工程师对超标消耗的车辆会同所属部门共同分析原因, 制定相应对策。
通过实施润滑油量化管理等措施, 不但及时发现了发动机故障, 治理了跑、冒、滴、漏现象, 使机车的车质、车容和车貌进一步提高。也避免了因设备缺油、缺水所带来的运行安全隐患, 防止了故障因进一步扩大而导致的经济损失。
6. 实现滤清器专业化管理
空气滤清器的作用是将进入发动机气缸内空气中的灰尘及其他有害物质过滤掉。在使用中, 当空滤内灰尘达到一定程度时, 应对空滤进行清洁。一般的清洁方法是将空滤暴露于室外, 手持高压气管, 在空滤内无规则地除尘。由于室外环境较差, 清洁出的粉尘很容易被再次吹入到滤芯内孔, 对空滤造成了二次污染, 而影响发动机的使用寿命。同时, 清出的灰尘还对环境造成严重污染。
针对上述情况, 天津港五公司开发研制出结构简单、实用性强的空气滤清器清洁装置 (专利号为:CN200420029909.1) 。在干吹过程中, 彻底防止了被吹落的微量有害微粒再次进入滤芯内孔, 而对空滤造成的二次污染;对周围环境也不会造成任何影响。实现了空滤的专业清洁、专人管理, 从根源上解决了发动机的磨料磨损问题。
7. 建立润滑油液监测体系
建立设备润滑油液监测体系, 目的是能对各种油品质量进行评定;对在用油品的主要理化性能、污染状况进行分析监测;对设备的磨损程度、磨损部位和磨损原因进行监测诊断。能够根据监测结果采取相应的维护方式, 因此建立油液监测体系, 也是保证港口机械设备安全及可靠运行的另一重要手段。
(1) 油品监测系统组成。油品监测一般是指较为成熟的常规理化指标、光谱、污染等。针对港口机械设备特点, 经大量调研, 选购和制定了一些操作简单、监测迅速、易推广, 并能反应港机设备润滑状况和运行状态的监测仪器和监测项目。主要包括:①润滑油理化指标, 如介电常数、黏度、闪点、凝点、水分、酸值、总碱值、颗粒数等。②监测手段主要采用光谱仪等。如美国A2型红外光谱仪, 意大利GNR型元素光谱仪等。③设备磨损主要是监测油品中的铁含量。方法是在元素光谱基础上, 采用英国MIDAS PQ仪器等。
(2) 润滑油液监测体系作用。①实现了润滑油品按质换油的目的。不仅使润滑油充分发挥潜力, 又不会因使用劣质油品而危害设备, 延长了设备使用寿命。②开展油的品再生和再利用研究, 实现了油品的节能、环保和降耗等目的。每年节约购油费15万余元。③通过监控油液变化及适时调整维护方式等, 减少了设备磨损以及机损故障发生, 极大降低总体运行成本和维修成本。④通过油液监测建立了科学合理的维修制度。减少了设备过修或欠修情况, 延长了大修周期。同时, 能够协助故障诊断等, 使设备维修工作更加有的放矢, 减少了维修费用发生。
三、应用效果
天津港五公司在设备维护管理工作中, 以设备主动维护的理念为指导进行了大胆实践, 从造成设备磨损的源头抓起, 配置和研制了专业保养设备, 购置了先进的油液监测仪器, 提高了设备保养质量。同时, 将设备润滑管理与状态监测、日常检查、定期维护等信息有机结合后, 根据监测数据可正确预测设备技术状况及劣化趋势, 通过有计划地开展设备零修或项修, 延长了使用寿命, 降低了总体运行成本, 大大提高了设备可靠性, 缓解了生产与设备保养之间的矛盾。实现了以养代修, 变被动维修为主动维护管理, 使维修与保养工作步入良性循环轨道。例如, 部分卡特980G型装载机发动机平均大修寿命已达到42 000 h;最长的已达到54 000 h不解体维修记录;6 t合力叉车3班用车, 从购制起已运行近10年未进行过发动机大修;美国Ottwa拖车已使用11年, 发动机已运行40 000 h未进行过大修等, 取得了明显的经济效益。
状态监测在港机设备维护中的应用 篇2
关键词：状态监测,港机,维护
0前言
天津港第五港埠公司是一个从事件杂货、散货为主的装卸公司, 拥有流动机械和固定机械装卸设备120台套。流动机械主要有叉车、拖车、吊车及装载机, 固定机械主要是门座起重机。机械设备的好坏对公司的生产经营起着决定性的作用, 装缷机械的完好率以及维修成本的高低, 都直接影响着港口企业的生产任务与经济效益。为此, 天津港第五港埠公司在设备管理上积极采用现代设备状态监测技术, 并与设备维修保养相结合, 探索出适合于港口机械设备的维护模式, 变设备的被动维修为主动维护, 大大提高了设备的可靠性和经济性。
1成立设备状态监测站
设备状态监测站人员受公司技术部直接领导。设备状态监测主要有由责任心强, 同时具有较高专业技术水平、熟知设备性能的专业人员工人技师、专业检测人员和工程师组成。主要完成设备的定期检测, 根据设备的定检结果, 制定设备的保养和维修计划;根据连续监测的数据, 掌握港机设备的劣化趋势, 制定出设备的总成件 (发动机、减速器、钢结构等) 维修计划。对运行设备进行精密检测, 诊断设备故障, 评估设备技术状况, 达到设备预警维护。
1.1状态监测站的工作内容
(1) 日常点检。将设备的日常点检纳入设备状态监测工作, 由状态监测员每日对设备点检数据进行收集, 作为设备状态监测的基础数据进行统计, 建立设备状态监测档案。
(2) 跟踪监测。对日常点检中发现的设备监测数据出现异常变化的部位进行跟踪监测, 增加监测频率, 观察其变化趋势, 以便及时发现故障隐患并选择最有经济效益的维修时机。
(3) 精密诊断。对疑似存在故障隐患的部位进行更加精密监测, 力争准确判断故障类型、部位及故障程度, 为制定维修计划及方案提供依据。
1.2状态监测项目
状态监测的结果是计划性预警维修的重要参考依据, 也是开展设备故障诊断、故障规律分析、经济性维修等工作的重要手段。结合公司的设备特点, 选用适合公司的设备状态监测项目及监测方法。
(1) 感官检查。感官检查是通过人对检查部位的视觉和听觉的感知, 直接对检查的机械部的运行状态进行判断, 此种监测方式是最基础、最直观、对故障判断最快的监测方法。普遍应用于钢结构及连接部件、设备的表象等;通过设备运行产生的异常声音来初步鉴定机械内部零部件的磨损与断裂等。
(2) 温度监测。主要利用于设备总成件箱体表面及轴承座等部位, 通过对其表面温度的测量, 根据其温度范围及温度差来判断内部运转情况。在正常状态下, 设备总成件箱体表面及轴承座等在设备使用作业过程中的温度变化是有规律和范围的。温度监测主要采用非接触式便携红外线测温仪, 该仪器的使用特点离被测物体较远就可以进行温度测量, 避免测量人员与设备的直接接触而发生危险。
(3) 噪声监测。通常当设备出现机械运转异常时, 多伴有研磨、摩擦或碰撞等导致的异响, 若故障所发出的异响较大, 可利用人耳直接听到, 对其判定。但对于尚处萌芽期的故障隐患所引发出的异响音量非常微弱, 人耳无法直接听到, 则需要通过音频监测设备, 放大音频信号, 将机械内部声音放大, 使监测人员通过耳麦清晰地听到, 以便寻找异常声源。噪声监测采用“机械故障电子听诊器”, 该仪器有探针和被测物体直接接触, 噪声经过探针传递到仪器内经过电子元件放大处理并通过耳麦传递给监测人员, 噪声也可经过录制转存以便后续分析。
(4) 油液监测。油液是设备运行中的血液, 通过油液中各项指标变化情况的监测, 能对设备的运行情况进行分析;对设备的磨损程度、磨损部位和磨损原因进行监测诊断;根据监测结果采取相应的维护方式, 油液监测体系是保证设备安全可靠运行的重要手段。
针对公司港口机械设备特点, 经大量调研, 选购了一些操作简单、监测迅速、并能反应港机设备润滑状态的监测仪器, 基本上覆盖了港机润滑所需要监测的润滑指标内容 (表1) 。
(5) 振动监测。设备运行产生振动不可避免, 内部工作零部件的运行状态信息通过传递路径反映到表面振动信号中, 通过提取设备的振源信息及系统状态等信息特征, 利用振动信号对设备进行不解体故障诊断。振动监测方法是通过时域分析、频域分析及时频域分析对设备进行定量诊断与故障定位。公司目前使用的振动仪器是与天津大学合作开发, 为港口机械量身定制的便携振动监测分析仪, 特点是重量轻、携带方便, 传感器为磁座式, 方便吸附在被检测部位, 能适时显示被检测设备的各种波形、贮存频谱周期长。
2状态监测工作的实施
要想提高设备运行的可靠性, 杜绝设备的突发性故障, 预测设备状况的劣化趋势, 有计划、有针对性地开展设备的维修工作, 实现设备的预警性维修, 制定不同监测项目的合理的监测周期至关重要。天津港第五港埠有限公司根据设备特点、部位及设备历史故障发生频次的历史记录, 制定出了《门机状态监测周期规定》、《流动机械状态监测周期规定》、《流、固机油品采样管理规定》等, 详细地规定了固定机械和流动机械的部位的监测项目和监测时间间隔, 为状态监测工作打下了基础。同时还将设备的状态监测工作与设备的日常点检、设备保养、维修及故障诊断相结合, 取得了明显效果。
2.1状态监测与设备的日常点检相结合
车管或点检员是由一定专业技术水平、熟知机车性能的专业人员。对所负责的车型进行日常巡回检查, 监督司机交接点检完成情况, 对司机反应的机车异常现象进行记录, 通过感观和应用简单的状态监测仪 (点温仪、听诊器等) 对设备进行初步的故障诊断, 当需进一步综合诊断, 提交专职状态监测员进行精密诊断和综合分析。
2.2状态监测与设备保养相结合
为使设备保养与设备状态监测有机结合, 使设备保养工作更具有目的性, 尽量减少设备的停机台时, 在设备一保时进行状态监测。目的是了解设备整体的技术状况, 通过感官检查, 判定设备是否能断续安全运行。通过温度、噪声及振动监测确定设备总成件的技术状况, 发现设备的故障及缺陷, 制定出设备的保养附加项目等。
根据不同设备类别、型号, 制定出设备的标准保养项目和监测项目, 保养人员和监测人员各自按照保养项目和监测项目内容进行保养和检查监测, 进行记录。保养人员除了完成保养常规保养内项目外, 还应根据监测人员检查监测出的问题, 附加保养内容。同时监测人员具有对保养工作具有监督权, 这样, 设备在保养中检查, 在检查中保养, 发现问题, 及时整改, 进一步提高了保养质量。
2.3状态监测与设备维修相结合
为使设备的维修工作有针对性和计划性, 减少盲目维修, 提高维修的经济性。结合设备保养监测数据和定期监测数据, 监测人员对设备不同部位连续跟踪的监测数据进行整理、分析、加工, 制定出设备的设备劣化趋势, 对机械设备或零部件的劣化趋势进行判断, 力争在故障发生之前有计划地进行适当和必要的修理, 为设备的状态维修提供理论根据。使设备维修工作由被动变主动, 削除了机车的突发故障, 提高设备运行的可靠性, 使设备维修工作步入良性循环。
2.4状态监测与设备的故障诊断相结合
状态监测人员是从具有多年设备维修经验的人员中选拔而出, 具有较强的技术能力, 不仅能通过眼观、耳听、手摸来判定设备故障, 且能熟练使用各种状态检测和监测仪器。状态监测站是在技术部领导下的技术监定中心, 在完成日常状态监测工作的同时, 在各基层单位设备出现特殊故障和疑难问题时, 主管工程师与状态监测站人员一起为设备进行会诊, 配合设备主管工程师完成设备的故障诊断, 及时发现隐患, 制定维修方案。这样的工作模式, 大大提高设备故障诊断的准确性, 实现了人员经验和仪器使用的资源共享, 充分发挥状态监测站的作用。
3港机设备状态监测维护典型案例
(1) 2015年3月, 设备点检人员在对起升机构减速器进行例行点检时, 发现3级轴承端盖温度明显高于其他各级 (表2) , 对其异常部位进行重点关注, 加强跟踪监测, 对齿轮油安排采样分析。
℃
油液监测人员通过对门机05-131-16起升机构减速箱齿轮油中的PQ值 (5μm以上铁磁性浓度含量) 进行了测试, 其值达388×10-6, 与过去连续跟踪监测的数相比发现较之以往数值变化异常, 监测结果见表3。由表3可看出, 05-131-16号门机起升减速器齿轮油PQ值2~3月突然大幅升高, 结合3级轴承端盖温度变化, 初步怀疑此部位出现异常运转而导致温度异常, 据此可推断05-131-16号门机右侧3级轴承损坏。
技术部立即协调生产部门, 利用船舶空档, 组织开展计划性主动维修。减速器解体后, 发现右侧3级轴承珠已磨为方形, 但并未散落, 其他各级齿轮及轴承完好, 未受到故障波及。此次监测及时发现故障隐患并准确判断故障位置, 及时维修, 在故障扩大前将故障部位解决。若维修不及时, 散落的轴承珠将对其他各级造成损坏。此次维修只需更换3级轴承, 各级齿轮及其他各级齿轮均完好, 可减少备件支出10万余元。同时, 通过合理计划利用生产空档及时解决了问题, 未对公司生产造成影响。
(2) 2014年9月, 监测人员在保养检查中发现, 编号05-131-17的门机减速箱内噪声异常, 可清晰地听到3级行星轮组部位运转过程中伴有轻微的金属摩擦声。根据噪声监测结果, 监测人员初步判断3级行星轮组极有可能存在故障, 需对其开展精密监测, 以便精确诊断。随后应用振动监测仪进行检测分析, 测量得到的振动加速度信号见图1。
通过数据分析得到各项时域统计指标结果 (表4) 。通过各项统计值看出, 脉冲指标和裕度指标存在数值较大的情况, 可初步判定减速箱异常。
通过进一步分析可发现, 在图2所示的加速度频谱中, 低频段中设备固有振动成分较低, 而2 k Hz附近存在较大的有规律振动, 4 k Hz处的倍频也十分明显, 因此可断定设备存在故障。
根据监测结果, 可断定此减速机内部存在故障隐患, 初步判定为内部异常摩擦。技术部利用生产空档对其进行解体, 解体发现该减速机3级行星轮轴向下蹿出, 与行星轮架发生摩擦, 3级行星轮轴严重磨损, 产生大量铁屑 (图3) 。但由于维修及时, 3级行星轮轴尚未断裂, 避免其他部件损坏, 只需将3级行星轮轴更换即可, 节省备件费用3万余元。
4状态监测实施效果
天津港五公司在设备管理中, 成立设备状态监测站, 配置先进的设备监测仪器和油液监测仪器, 在公司实行人才和监测仪器的资源共享, 将设备状态监、日常检查、定期维护等方面的信息有机地结合起来, 提高了设备的保养效果。根据连续监测的数据, 及时发现设备的故障隐患, 预测出设备技术状况及劣化趋势, 有针对性地对设备开展零修、项修, 减少不必要的维修, 降低机损故障发生, 有效延长了设备使用寿命, 基本杜绝设备的突发故障, 总体运行成本和维修成本降低, 设备可靠性提高, 生产与设备保养之间的矛盾得以缓解。
根据2014年1月~2015年6月的统计, 通过实施设备状态监测, 根据设备劣化趋势有计划大修设备总成件 (发动机、变速箱及减速器) 56台次, 发现设备问题560余台次。由于发现故障和隐患及时, 采取预警维护措施到位, 保证了设备的完好状态。实施港口机械的设备预警维护模式, 为公司创造价值1300余万元。
参考文献
[1]何正嘉, 王太勇.机械故障诊断理论及应用[M].北京:高等教育出版社, 2010.6.
[2]李柱国.机械润滑与诊断[M].北京:化学工业出版社, 2005.12.
港机虚拟样机动力学仿真分析 篇3
近半个世纪以来, 国外在港机结构、控制及系统动力学等方面取得丰硕研究成果[1,2]。Z.N.Masoud建立了起升机构的多绳动力学模型, 采用延时反馈控制技术对其进行控制研究并取得了良好效果[3,4]。A.ALouani等开发了一种用于控制起重机吊物位置偏摆的模糊逻辑控制器, 使系统工作性能更稳定[5]。喻艳、苏晴、卢耀祖、徐杰[6~9]分别利用Adams、ANSYS、Solid Works等分析软件建立了相应的岸桥样机模型, 并在应力变化、动载荷等方面做了大量研究。
目前虚拟样机在港机的应用主要是利用专业三维建模软件建模, 或者再利用专业有限元分析软件生成柔性体, 最后将其导入到软件模型中添加约束进行动力学计算分析。但此方法只能针对特定型号特定尺寸的模型进行分析, 当需要更改模型中任何尺寸时, 必须重新建模, 费时费力, 而且无法进行优化设计, 所以难以改进模型, 更无法实现自动化分析, 因此存在很大局限性。现有研究成果对钢丝绳建模的简化也削弱了其工程意义。此外, 除文献[10]模拟分析了风载荷下港机的动态性能外, 其他研究多数都忽略了实际中的风载荷对系统工作性能的影响, 因而未涉及风载荷作用下港机的动态响应。
本文在前人研究成果的基础上, 全面分析了港机工作特性, 特别是现有研究成果中相对薄弱的钢丝绳和风载荷的动力学行为, 构建了更贴近工程实际的钢丝绳及风载荷参数化模型。在此基础上, 借助Adams二次开发接口及其参数化建模功能, 完成了在有风工况下港机金属结构、大车系统、小车系统、起升机构等部件的动力学行为参数化, 实现了港机虚拟样机的模拟实验。
1 港机动力学模型
1.1 钢丝绳
由于钢丝绳的几何结构复杂且难以简化、动力学行为相对复杂, 现有的建模方法计算结果都与工程实际存在较大差距。在综合对比分析及试算的基础上, 本文采用虚拟圆柱-轴套力方法构建钢丝绳动力学模型, 通过定义力和力矩的6个分量 (Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz) 在两个构件之间施加一个柔性力。轴套力可用下式计算:
式中:F, T—力和力矩;R, θ, V, θ—两构件之间的相对位移、转角、速度、角速度;K, C—刚性和阻尼系数;下标x, y, z—X, Y, Z方向;下标x0, y0z0—X, Y, Z方向的初始值。
轴套力相关参数按照下式确定:
式中:K11—拉伸刚性因子;K22、K33—剪切刚性因子;K44—扭转刚性因子;K55、K66—弯曲刚性因子;Er、G—钢丝绳的弹性模量和剪切模量;A、D、L—钢丝绳的截面积、直径以及钢丝绳每段长度;I—每段钢丝绳的惯性矩。拉伸阻尼因子对系统运动性能影响不大, 可以采用默认参数。扭转阻尼因子对运动影响不可忽视, 根据情况取1~10之间的数值。
1.2 风载荷
港机一般都是在港口、码头露天环境下作业, 通常没有很好的防风措施。因此, 很容易受到风载荷因素的影响, 所以设计港机时风载荷是不可忽略的重要因素, 风载荷可按下式计算[11,12]:
式中Cf—风力系数, 风力系数表可查阅有关手册;Vs—设计风速, 初步设计时取20m/s;A—结构部分有效迎风面积。风载荷方向的确定采用Adams提供的SIGN函数, 其格式为SIGN (X1, X2) , 是个符号函数。当X2≥0时, SIGN函数返回的值为X1;当X2<0时, S I G N函数的返回值为-X1。
假设两个物体发生碰撞, 则其法向接触力Fn可用下式表示:
其中K—刚度系数;Δ—碰撞物体变形量, 或者为侵入深度;E—渗透深度的指数, 简称刚性指数;D—阻尼系数;—两个物体的相对速度。
用阶跃函数step函数表示黏性阻尼模型, 其阻尼系数的计算公式为:
式中:C—最大阻尼系数, 用于表征接触能量损失;D—使阻尼达最大值时的侵入深度。
在Adams中可以用IMPACT函数来实现该模型。IMPACT函数模型的计算公式如下所示:
通过以上分析, 得到了其碰撞力完整表达式:
式中x1-x是变形量, 当x>x1时两物体不发生接触, 其接触力为零;当x≤x1时, 两物体发生接触, 其碰撞力大小与刚度系数K、变形量x1、接触指数e、最大阻尼系数Cmax、阻尼完全作用时变形距离d有关。
根据赫兹弹性接触理论, 在接触体形状不过于复杂的情况下, 如圆球面或圆柱面时, 可以由材料的杨氏模量、泊松比推导出适合冲击模型的接触刚度系数与刚度指数。以两个球体的接触为例, 根据赫兹弹性接触理论, 接触面为圆球面时, 法向接触力P与变形δ之间有如下关系:
式中, R1和R2分别为两接触物体在接触点的接触半径;;μ1, μ2分别为两物体材料的泊松比;E1, E2分别为两接触物体材料的杨氏模量。
1.3 多刚体系统动力学方程
运用拉格朗日方法, 建立钢丝绳以外的其他部件的多刚体动力学模型。
采用刚体Bi的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标, 即qi=[x, y, z, ψ, θ, ϕ]iT, q=[q1T, q2T, L, qnT]T。每个刚体用6个广义坐标描述。由于采用了非独立的广义坐标, 系统动力学方程虽然是最大数量, 但却是高度稀疏耦合的微分代数方程, 适用于稀疏矩阵的方法高效求解。由此建立系统动力学方程:
式中:T—系统动能;q—系统广义坐标列阵;Q—广义力列阵;ρ—对应于完整约束的拉氏乘子列阵;μ—对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。
(9) 式中φ (q, t) =0为完整约束方程, 为非完整约束方程。 (9) 式可改写成更一般的形式:
其中, v=-Φt (q, t) 为速度右项;为加速度右项;分别为系统位置、速度、加速度向量;λRm为拉格朗日乘子向量;t R为时间;M (q, t) Rn×n为系统惯性量矩阵;Φq (q, t) =∂Φ/∂q Rm×n为约束J a c o b i a n矩阵;为外力向量;为位置约束方程。
2 港机参数化模型
2.1 钢丝绳参数化模型
钢丝绳参数化模型的构建是港机虚拟样机模型中的主要难点。本文构建的钢丝绳参数化模型不仅能很好的模拟出钢丝绳的拉伸、弯曲、扭转等性能, 而且还能实现钢丝绳长度的参数化, 这对于建立港机动力学自动化分析系统是至关重要的。港机钢丝绳主要用于小车牵引、起升和俯仰缠绕机构中采用轴套力算法, 借助Adams构建钢丝绳参数化模型如图1所示。
2.2 整机参数化模型
在完成钢丝绳、金属结构、大车系统、小车系统、起升机构等参数化模型的基础上, 利用Adams提供的位置、方向约束函数将各部件装配成整机, 再添加相关的约束、负载、初始条件等。各部件之间相关的位置关系也需要利用驱动参数来实现。因而, 当港机型号或尺寸改变时, 只要给出各部分准备的定位尺寸, 就能实现各部件之间精确的定位。装配上机器房, 集装箱便得到了港机整机参数化模型。
3 港机的虚拟样机动力学分析
3.1 原始数据及工况分析
某型港机经量纲一化处理后的主要参数如表1所示[13]。
港机依靠大车运行机构频繁运动实现整机沿码头作水平运行, 通过起升机构和小车机构的运动来实现集装箱的升降以及来回运动, 从而完成货船集装箱的装货和卸货。港机最常见的故障有啃轨、金属结构出现裂纹、整机颠覆等[10]。发生啃轨的原因主要与车轮的压力、车轮材料的强度、耐磨性等因素相关。啃轨不仅影响岸桥整机的工作效率, 对各个部件的寿命也会产生严重影响。金属结构出现裂纹和材料强度、各部件连接处受力大小相关。发生整机颠覆不仅会损坏整座港机, 造成巨大的经济损失, 而且还可能危害工作人员的生命安全。因此, 车轮轮压, 前后拉杆拉力, 整机稳定性对港机的设计有重要意义。此外, 在风载荷作用下港机的工作性能的变化也是不容忽视的。
3.2 整机虚拟样机
图2 (a) 所示的整机参数化几何模型只具有构件的几何外形、结构尺寸、材料、重量等属性。要完成整机的运动学和动力学分析, 除几何属性外, 还需要构件的物理特性和状态, 包括转动惯量、惯性积、初始速度、初始位置和方向、各个部件之间的约束关系、限制部件之间的相对运动, 并集成为一个虚拟样机系统。
当进行大车、小车或者小车、起升联合运动分析时, 用step函数施加驱动时使其在静止时段内运动速度为零, 实现固定。在对图2 (a) 所示的整机几何模型基础上添加了约束、碰撞接触、运动驱动后, 建立港机整机的虚拟样机模型, 如图2 (b) 所示。
3.3 虚拟样机动力学分析
经量纲一化处理后的小车工况如表2所示。
小车钢丝绳上各方向随的量纲一力随量纲一时间变化结果如图3所示。
小车在无风 (D3) 和平行钢轨方向来风 (E2) 两种工况下钢丝绳合力以及X, Y, Z三个方向上分力的变化情况如图3所示。由图3可知:风载荷的作用主要使钢丝绳Z方向受力产生显著变化, X和Y方向受力状况与无风时相比变化很小。无风的时候Z方向受力为零, 在风载荷作用下钢丝绳Z方向的受力来回波动, 但由于其值相对其他方向受力值小1-2数量级, 故对钢丝绳合力影响也很小。
采用相同的方法, 可以获得不同风向等各种工况下小车、大车、起升机构、大小车与限位卡碰撞、各部件联合作用下的所有动力学参数。限于篇幅, 不再赘述。
4 结论
本文选取港机为研究对象, 对其各组成单元进行参数化建模, 以此为基础构建整机的虚拟样机模型。对于给定工况下虚拟样机各单元及整机系统的动态参数进行了数值仿真。数值仿真结果表明:本文所构建的港机动力学虚拟样机能较精确地计算出系统各主要动态参数, 由此可实现港机的快速动态设计。由于本文研究是在工程需求的背景之下完成的, 因此, 本文研究成果具有较强的实用意义。
摘要：本文研究了港机结构与动态特性, 分析了钢丝绳等关键部件及风载荷的动力学行为, 以前伸距、后伸距、大车轨距、小车轨距、联系横梁下净空高、前大梁总长、后大梁总长、门架净空高、左右海陆立柱中心距、梯形架高、梯形架宽、车轮半径等主要参数为基础, 构建了港机的虚拟样机模型。借助Adams对虚拟样机的金属结构、大车、小车、起升机构等关键部件进行了多种工况的模拟试验。得到了港机工作过程中各主要部件的动力学数据, 为实现港机的动态设计提供了重要的参考依据。
港机专业英语教学现状调查报告 篇4
《教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》让教育工作者体会到了提高教学质量的重要性和紧迫性。目前大多数高职院校专业英语教学的状况不尽如人意, 如何切实提高专业英语的教学质量有很大的讨论空间。在这种形势下, 笔者面向江苏海事职业技术学院港口物流设备与自动控制专业 (以下简称:港机专业) 在校毕业生进行了一次问卷调查, 对专业英语的课程设置、课堂教学、教学方法和手段、教材使用、师资力量等进行了研究, 旨在提出港机专业英语教学整改方案, 通过试点总结经验并加以推广。
2 问卷调查情况
本次调查共发放问卷80份, 回收72份, 其中有效问卷72份。年龄均在20—22岁之间。本次问卷共分四部分:第一部分了解学生的基本情况, 包括性别、年龄以及英语水平;第二部分是通过学生所填写的内容了解专业英语教学的现状;第三部分是学生对专业英语教学的评价以及对教学的期望和建议;第四部分是学生在学习专业英语之后的收获。以下是部分项目的评价情况:
2.1 学生对专业英语学习的看法
学生是学习的主体, 是构成人才培养模式的物质基础。目前高职院校的生源类型多样, 学习起点不一, 尤其在专业英语学习方面更为突出。笔者通过调查发现, 75%的学生承认专业英语学习的重要性, 但由于英语基础、学习习惯和学习兴趣等因素的影响, 14%的学生认为专业英语学习起来很困难, 58%的学生认为较难, 只有28%的学生因为英语基础较好且通过了四、六级, 认为专业英语不难。原始数据参见表1。
2.2 学生对专业英语课堂教学的评价
通过调查, 发现学生对专业英语教学环节的评价与期望体现了学生对授课教师提出了更高的要求。比如51%的学生希望老师的授课语言以英语为主, 而目前绝大多数的高职专业英语教师多以汉语为主授课, 这就要求专业英语教师不仅有扎实的专业知识, 还要具备良好的英语口语授课能力。78%的学生希望专业英语课堂气氛生动活跃, 自己也能参与进来, 42%的学生认为课堂教学方式应以学生为主的讨论形式比较合适。表明传统的专业英语教学方法和教学模式已经不能满足学生的要求了。他们希望改变沉闷的课堂气氛和以“阅读+翻译”的“一言堂”、“满堂灌”等陈旧的授课模式, 对以学生为主体的讨论形式感兴趣, 充分体现了学生对专业英语教学改革的诉求和渴望。原始数据见表2。
2.3 学生学完专业英语的收获
由于本次问卷的对象是在校即将毕业的学生, 他们还未将所学专业英语应用到实践中, 不能清楚地认识到自身的不足以及专业英语在专业领域所起作用, 故只能就在校期间的感受做出判断。学生的毕业设计要求撰写英文摘要, 并参考一些英文文献, 19%的学生认为所学的专业英语知识对他们的毕业设计有很大帮助, 56%的学生认为稍有帮助, 其余25%的学生认为几乎没帮助。阅读专业文献时, 43%的学生能借助字典勉强读懂, 39%的学生表示有一些生词, 但通过查字典能读懂文章。这些数据表明了我们的专业英语教学效果体现在阅读能力方面还是较好的, 但实际上有相当数量的学生在撰写毕业论文时, 连英文摘要中的关键词都不能正确写出, 这也说明我们的专业英语教学还应加强实际应用环节, 避免“学”与“用”出现“两张皮”的状况。原始数据见表3。
3 问卷调查结果分析
调查结果表明, 专业英语教学现状和学生的学习情况反映出的问题涉及各个层面, 主要有以下几点:
3.1 专业英语课程设置和考核导向上的局限性
目前, 为港机专业的学生所设置的专业英语课程是大三的上半学期, 为限定选修课。学生学习专业英语的时间只有1个学期, 而基础英语课程的学习时间是4个学期。加之各院校对专业英语考核要求不高, 而对基础英语的考核有强制要求, 就导致学生的学习动力和精力大部分都放在了基础英语的学习上, 出现了“重基础, 轻应用”的现象。
3.2 教学模式陈旧落后
多年来, 我国高职院校英语教学一直保持着传统的英语教学模式, 大多数教学仍然以课堂为中心、以书本为中心和以教师为中心, 在教学中运用的主要是翻译教学法, 对学生综合能力的培养不够重视, 忽视了学生的主动性、积极性和创造性。而此次调查结果表明, 学生迫切希望专业英语教学形式多样化, 课堂气氛生动活跃, 课堂教学以学生讨论为主等等。
3.3 缺乏合适的专业英语教材
目前使用的《港口机械专业英语》教材更适合本科生使用, 文章篇幅过长, 部分选材内容比较陈旧、生僻, 教师“教”得吃力, 学生“学”的兴趣不高, 故教学效果不好。
3.4 师资力量薄弱
港机专业英语教学师资力量薄弱, 教学水平有待提高。目前大部分高职院校的专业英语教学要么由本专业的教师担任, 要么由英语专业的教师担任。而精通专业的老师本身英语能力不足, 精通英语的老师却不懂专业, 二者都无法胜任专业英语的教学。
3.5 学生存在畏难情绪
许多学生表示, 自己的英语基础本来就不好, 学习公共英语都很吃力, 更别提专业英语了。此外, 在教学过程中, 由于学生英语基础的不同教师就会很难把握教学进度和教学内容的难易程度。教学进度过快内容过深可能会使一部分学生来不及消化, 教学进度过慢内容较易又会造成学习的专业知识没有深度。
4 结语
通过本次调查, 我们发现了目前港机专业英语教学存在的问题, 为本课程的改革提供了方向。我们将从合理设置英语课程、优化教学模式、科学编排教材、加强师资队伍建设和采取分班教学等方面进行一系列的探索, 通过试点和不断总结得出一套可以推广和应用的方案, 从而切实提高高职港机专业英语的教学质量和水平。
参考文献
[1]李新, 等.高校专业英语教学现状调查报告[J].中国电力教育, 2004 (4) .
[2]明国英.高职货代专业英语需求分析及其对教学的启示[J].北京高等电力专科学校学报, 2009 (1) .
[3]周开俊.浅谈机械工程专业英语教学改革[J].机械管理开发, 2009 (4) .