陈华婷，韩春宇，魏金旺，刘 斌

（1.北京物资学院，北京 101149；2.北京顺鑫农业股份有限公司牛栏山酒厂，北京 100000）

0 引言

巷道堆垛机的可靠性是提高企业生产率，提升企业经济效益，减少企业损失的前提条件。通过对巷道堆垛机实施健康管理，可以提高巷道堆垛机的利用率，避免巷道堆垛机的安全隐患，提高巷道堆垛机的可靠性。因而，对巷道堆垛机进行健康管理具有重要意义。目前，能够满足巷道堆垛机健康管理需求的相关系统并不多，功能也不够完善和实用，因此构建面向巷道堆垛机的健康管理系统尤为重要。

1 巷道堆垛机健康管理概念分析

目前针对设备健康管理的相关研究主要有：朱子玉针对烟草行业设备提出设备健康管理核心是关注设备“健康”和“亚健康”阶段，保护健康状态的持久性和稳定性，研究设备动态损伤规律，设计和实施预防保健、健康评价、平衡调整、动态保养维修对策和健康保健制度，以便在全寿命周期内设备保持健康、高效、低成本运行[1]。郑朋伟提出煤矿机电设备健康管理系统是指建立在网络传输技术及相关理论基础之上，发挥电子商务服务性、分布性等优势对设备的智能化维护，最终实现对现有资源重新整合，确保机电设备的健康管理[2]。赵中敏针对大型复杂设备提出设备健康管理是通过整合涉笔管理规章制度和业务流程，紧密结合状态监测、维修、使用和环境等信息，对设计设备健康的因素进行全面过程控制，对维修活动进行计划和优化[3]。

在借鉴已有研究基础的条件下，针对巷道堆垛机的健康管理特征，本文提出巷道堆垛机的健康管理是以巷道堆垛机的运行状态为核心，紧密结合巷道堆垛机状态监测、环境、使用等信息，对巷道堆垛机进行故障诊断分析，并对巷道堆垛机的健康状态进行评价，为了达到提高巷道堆垛机运行可靠性的目的，制定相应的巷道堆垛机使用和维护策略，保持巷道堆垛机的理想工作状态，实现巷道堆垛机的主动、可持续性维护。

图1 巷道堆垛机的健康管理

2 影响巷道堆垛机运行可靠性的主要因素分析

巷道堆垛机的运行可靠性对企业物流系统的正常运作至关重要，货物的入库与出库操作均需要巷道堆垛机完成，巷道堆垛机的运行可靠性受诸多因素的影响。以某企业为例，对影响巷道堆垛机运行可靠性的主要因素进行分析，具体可以概括为四个方面：1）仓库内环境参数温湿度不均匀。从环境温度角度考虑巷道堆垛机的电动机、轴承等部件在高速运行情况下因温升和散热不佳产生热膨胀，从而造成结构之间咬死，产生设备故障或损坏；从环境湿度角度来考虑，湿度较大会造成巷道堆垛机零部件的生锈与腐蚀，在腐蚀部位可能产生应力集中，造成设备突然损坏；2）设备动态特性振动与噪声较大。由于巷道堆垛机的大型物流设备，设备的振动与噪声不可避免，但巷道堆垛机的振动和噪声过大会引起其定位精度不准，影响其性能，大大降低系统的使用寿命；3）关键电子器件变频器故障。变频器故障会使主电路出现故障，进而造成巷道堆垛机的无法运行；4）关键零部件故障。巷道堆垛机的关键零部件如主轴、主动轮及导向轮等过度磨损以及表面缺陷，会造成零部件容易失效，其最主要的失效形式为零件工作表面的磨损失效，如果零件的磨损超过了某一限度，就会丧失其规定的功能，引起巷道堆垛机性能下降或不能工作。

3 巷道堆垛机健康管理系统设计分析

巷道堆垛机的健康管理系统是通过对巷道堆垛机及其部件健康状态的影响因素进行监测，在此基础上，对巷道堆垛机在运行中出现的故障进行有效的诊断，并结合当前巷道堆垛机的健康状态进行评估，确定巷道堆垛机的健康状态等级，最终提出巷道堆垛机健康管理措施，实现巷道堆垛机健康状态全程管理。因此该系统可实现的功能如下：

1）巷道堆垛机的数据采集与处理

对巷道堆垛机基本信息，即巷道堆垛机的设计参数及影响其运行可靠性的相关因素进行数据采集，并通过传感技术对巷道堆垛机的运行状态进行实时监测，并对数据进行处理。

2）巷道堆垛机的故障诊断

对巷道堆垛机的运行状态进行实时监测，采集数据并采用多分析方法（如时频分析、包络分析等）将采集的数据进行分析处理[4]。并且与设定的标准工况实时对比分析，查出故障点或劣化点，提前做好故障诊断工作，准确预测巷道堆垛机故障工作点，针对巷道堆垛机的故障提出有效的健康维护措施。

3）巷道堆垛机的健康状态评估

利用在线检测系统或离线检测系统获得巷道堆垛机运行状态数据，科学选取指标，建立相适应的评价体系，科学判断巷道堆垛机的工作状态，明确巷道堆垛机健康级别，并分类采取措施。

4）数据传输功能

通过数据转换接口实现设备状态监测、设备故障诊断以及设备维护等数据与外部环境的实时传输，并保证数据传输的准确性、安全性以及稳定性。

该系统基本框架图如图2所示。

4 巷道堆垛机的故障诊断分析

针对巷道堆垛机进行故障诊断分析是巷道堆垛机健康管理系统的核心内容。其中巷道堆垛机的健康状态监测是进行故障诊断分析的前提，在此前提下，结合巷道堆垛机相关历史数据，对巷道堆垛机进行故障树建模，实现巷道堆垛机的故障诊断分析。

4.1 巷道堆垛机的健康状态监测

对巷道堆垛机在实际运行中的健康状态监测，是对巷道堆垛机进行故障诊断分析的前提。本文针对巷道堆垛机的健康状态监测主要从以下几方面开展，并选取状态监测典型模块振动与噪声模块进行详细说明：

1）外部环境检测模块

图2 巷道堆垛机健康管理系统主要功能模块

在立体仓库内多个位置放置USB温湿度传感器节点进行外部环境温湿度数据的采集，采样频率为2min/份，可以得到仓库内温湿度数值波动范围以及相对位置的温湿度数值，对整个立体仓库的温湿度特性分析，进而可以设置正常的工作范围，在温度、湿度超过正常工作范围时进行预警。

2）振动与噪声模块

巷道堆垛机运行时的振动和噪声是检测巷道堆垛机好坏的主要性能指标。其振动与噪声会引起其定位精度不准，加速机械的磨损，不但会影响其性能，降低系统的可靠性，还大大降低了系统的使用寿命。

本文以一台巷道堆垛机为例，对振动与噪声测试数据进行分析，得到振动信号关于时间t的表达式为y1=-1.2943×10-7t5-1.0764×10-5t4-8.4445×10-5t3-0.0144t2+0.3997t-0.8345；噪声信号关于时间t的表达式为y2=8.9909×10-6t5-0.0011t4+0.0450t3-0.8524t2+6.9720t+73.9512，其振动与噪声的相关系数c=0.4526，为实相关关系，显著性检验得p=0.0012＜0.05，因此振动信号与噪声信号之间存在正相关关系。这样，可以根据振动与噪声信号进行对比分析以及相关分析，对巷道堆垛机出现的故障进行有效的诊断。

如图3所示是一台巷道堆垛机的时域波形图，采样频率为5120Hz。将巷道堆垛机的噪声数据与振动数据进行对比分析，巷道堆垛机噪声信号记录如图3所示，时间段114s～224s（图中框线所示）为巷道堆垛机全程运行时间，时间段114s～165s巷道堆垛机由巷道的起点运行至巷道的终点，时间段167s～224ss巷道堆垛机由巷道的终点返回至巷道的起点，横线为巷道堆垛机噪声标准值基线84dB，巷道堆垛机振动信号记录如图4所示，时间段14s～124s（图中框线所示）为巷道堆垛机全程运行时间，其中时间段14s～61s巷道堆垛机由巷道的起点运行至巷道的终点，时间段64s～124s巷道堆垛机由巷道的终点返回至巷道的起点，噪声信号记录与振动信号记录中，巷道堆垛机从开始运行，运行了81s时（图中三角所示位置），噪声数值和振动数值两者同时较大，在此处可能存在着巷道堆垛机与轨道配合不均匀故障；巷道堆垛机从开始运行，运行了92s时（图中三角所示位置），噪声数值和振动数值两者同时较大，经检查，在此处可能存在着轨道过度磨损问题。

经过分析，可以对某企业20台巷道堆垛机的故障进行有效的识别，经分析其中出现的故障有：5号巷道堆垛机导轨不平顺故障；13号巷道堆垛机存在与导轨配合不均匀故障；4号巷道堆垛机工作方式不在联机位置或是通讯网络受到干扰；15号巷道堆垛机轨道接头开焊或变形；14号巷道堆垛机行走轮部分剥落或部分磨损严重；10号巷道堆垛机变频器故障或前进或后退行程开关位置不对；11号巷道堆垛机载货及货叉伸缩机构装配不标准。

表1 某企业13号巷道堆垛机数据统计表

图3 某企业13号巷道堆垛机噪声测试结果统计图

图4 某企业13号巷道堆垛机振动信号时域图

3）变频器模块

针对变频器的工作特点，对变频器主要运行参数进行监控，当参数超过额定值时进行报警，可有效预防故障的发生，保证变频器稳定可靠的运行。

电流监测：运行电流允许范围通常为：一般负载：0～150%（100%对应变频器的额定电流），重载：0～200%（100%对应变频器的额定电流）。电流不是平稳恒定的，而是根据负载动作不断变化的曲线，系统要分析的是在正常变化的过程中，标定电流变化的异常信息。

电压监测：220V变频器输入电压范围（200V～240V），直流母线电压：DC：340V。380V变频器输入电压范围（380V～440V），直流母线电压：DC：620V。监控直流母线电压值，可以了解电压突变情况，对于保护无刹车电阻保护的变频器有重要意义。

IGBT温度监测：IGBT温度设定出厂在0～110度。超温会报警，并损坏模块。造成变频器永久性损坏，所以温度控制检测非常重要。不能允许IGBT工作在超过80度环境下工作。

转矩监测：轻载过转矩（110%）60秒内报警，重载过转矩（160%）60秒内报警。

4）关键零部件无损检测模块

针对巷道堆垛机的关键部件，包括主轴，主动轮以及导向轮进行无损检测，识别其表面损伤，出具检测报告，提前预知部件故障的发生，避免更严重事故的发生。

4.2 巷道堆垛机故障诊断模型的建立

基于巷道堆垛机状态监测数据，并结合历史数据，采用FTA方法对故障诊断中的模型进行建立，通过模型的建立可以找到巷道堆垛机系统运行的薄弱环节，对故障进行预测，进而可以有针对性的采取维护措施，实现巷道堆垛机的高效运行[5]。本文以“巷道堆垛机不能运行”为顶事件，建立巷道堆垛机的故障树模型，其故障主要表现在两个方面，巷道堆垛机的机械系统故障和电气系统故障。如图5～图10所示为典型的故障树模型。

图5 故障树主结构

图6 运行机构X向故障树分支

图7 起升机构Z向故障树分支

图8 伸叉机构Y向故障分支

图9 主电路故障树分支

图10 控制系统故障树分支

表2 故障树明细表

续（表2）

得到巷道堆垛机故障树的最小割集，得到的故障树最小割集为{19}、{26}、 {27}、{28}、{29,41}、{30}、{32}、{33}、{34}、{36}、{37}、{43}、{44}、{45}、{47}、{48}、{51}、{52}、{53}、{55}、{56}、{57}、{58}、{60}、{61}、{67}、{68}、{69}、{70}、{71}、{72}、{73}、{74}、{75}、{76}、{77}、{78}、{79}、{80}、{81}、{82}、{83}、{84}、{85}。

通过计算结果可知，该故障树有44个最小割集，所以，要想顶事件“巷道堆垛机不能正常工作”不发生，应避免以上最小割集事件的发生，反之，一旦顶事件发生，则可根据故障树对可能发生的事件由上向下逐一分析，对故障加以排除[6]。一般来说，最小割集最多，引起顶事件发生故障的模式越多，系统越危险，求最小割集可全面掌握顶事件发生的可能性。

5 巷道堆垛机健康管理措施的提出

针对巷道堆垛机科学的健康管理可以有效降低其故障的发生概率，巷道堆垛机的健康管理措施可以从以下两方面进行考虑：

1）运行环境可靠性提升措施

巷道堆垛机的运行环境对巷道堆垛机的性能有很大影响，地轨上有油渍或者纸盒，导致巷道堆垛机在刹车时产生滑动报警，影响其性能；在温湿度过高或者过低会对巷道堆垛机的机械性能产生影响，导致设备故障。因此巷道堆垛机的使用过程中需要着重注意对巷道堆垛机使用环境的管理。可以规定在指定时间内对巷道堆垛机运行轨道附近进行除尘与清洁，在立体式货架附近设置拦网防止杂物掉落影响巷道堆垛机运行；在极端天气情况下需要做好仓库的温度调节工作，以防止使用环境影响巷道堆垛机的运行，并注意加强通风，防止因环境湿度过大导致的巷道堆垛机生锈腐蚀。

2）运行状态监测可靠性提升措施

分析巷道堆垛机的运行状态，采取以下措施进行有效维护，减少振动与噪声对巷道堆垛机的性能的影响：（1）加强日常对巷道堆垛机的维护工作，检查导轨、机架有无松动的现象；（2）加强润滑工作，保证传动机构的稳定性；加强对电动机的维护，有效控制电动机的振动；（3）在某些振动位移突出的结构部位，加强其刚度，使其模态频率转移，振幅减小；（4）在主要构件的连接部位加装橡胶隔振垫，隔振垫对较高频振动能量有很强的吸收和隔离作用，可以有效隔离高频振动；（5）对驱动轮和支撑轮采用聚氨酯合金和把高阻尼材料镶嵌在轮腰上下两侧来减振降噪，改刚向导向轮为实心轮胎式导向轮，减少和降低金属撞击噪声。

对变频器进行有效维护，是保证巷道堆垛机运行可靠性的前提，其维护措施可以从以下四方面进行考虑：（1）日常检查。电源电压和电流是否在允许范围内；变频器和电动机是否有异常振动和异常声音；各种显示是否正常等；（2）定期对变频器进行维护。对紧固件进行必要的紧固；定期清扫风机进风口、散热片和空气过滤器上的灰尘、脏物，使风路畅通；检查绝缘电阻是否在正常范围内等；（3）控制变频器运行时间，避免变频器过热。变频器在运行过程中，考虑到变频器的使用寿命和变频器的运行规律，需要采取间歇式控制的方式，避免变频器过热给变频器控制元件带来较大的伤害；（4）定期更换零部件。变频器中不同种类的零部件使用寿命不同，并随着安装的环境和使用条件改变。使用中，应随时注意观察、分析和及时更换。

3）降低巷道堆垛机的利用率

通过增加成品库发货时间以及利用空闲时间倒库，将次日发货的产品倒到离出库台最近最低的地方，可以大大缩短出库作业周期，提高巷道堆垛机实际出入库能力，减低其利用率，提高运行可靠性。

6 结论

目前针对物流大型设备健康管理系统的研究，还处于初步阶段，相关研究还没有成熟方案。本文根据巷道堆垛机实际运行情况，建立巷道堆垛机的健康管理系统，实现了巷道堆垛机的主动、可持续维护，提高了巷道堆垛机的运行可靠性，进而提升了物流系统的运作效率。并将此系统实际应用到企业中，解决企业的实际问题。对于设备健康管理方面的研究具有重要意义。

[1]朱子玉,李明伟,董影影.设备健康管理[J].企业管理（北京）,2014,(1):52-53.

[2]郑朋伟.煤矿机电设备健康管理系统的研究[J/OL].机械管理开发,2017,32(2):124-125,128．

[3]赵中敏,王茂凡.大型复杂设备健康管理技术[J].中国设备工程,2013,(7):29-31.

[4]耿梦晓.复杂机械产品装配系统设备健康管理方法研究[D].合肥工业大学,2015．

[5]吕婷,杨涛,韩宾,张宝.基于模糊贝叶斯网络的巷道堆垛机系统可靠性分析[J/OL].计算机应用研究,2014,31(12):3632-3636.

[6]贡文伟.故障树定性分析法在立体仓库故障诊断中的应用[J].起重运输机械,2002,(7):22-26.