通用門式起重機(jī)安全運(yùn)行信息多維監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

夏常福+慶光蔚+胡靜波

摘 要：為了防止橋門式起重機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生重大事故，減少設(shè)備的故障率，優(yōu)化維修策略的制定，以通用門式起重機(jī)為例，制定了起重機(jī)多維度運(yùn)行信息監(jiān)測方案。文中圍繞應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、起制動系統(tǒng)振動狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)行參數(shù)量狀態(tài)量采集和環(huán)境視頻監(jiān)控等監(jiān)測需求，完成了傳感器選型、布置和數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)。軟硬件安裝調(diào)試結(jié)果證實(shí)，系統(tǒng)方案滿足GB/T 28264-2012《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的技術(shù)性能要求。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械；安全監(jiān)控；應(yīng)力應(yīng)變；運(yùn)行監(jiān)測

中圖分類號：TH231.5；TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

作為一種生產(chǎn)型特種設(shè)備，起重機(jī)械一旦發(fā)生事故將造成人員和財產(chǎn)的巨大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，起重機(jī)械傷害事故占全部工業(yè)企業(yè)傷亡事故的比例呈逐年上升趨勢，高達(dá)15%左右。為此，國家逐漸重視起重機(jī)運(yùn)行安全性保障措施的實(shí)施。2011年，國家質(zhì)檢總局發(fā)文明確規(guī)定，從2014年開始，在所有在用大型起重機(jī)械上安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。2015年底，尚未安裝安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的大型起重機(jī)械已明令不予使用。

根據(jù)GB/T 28264-2012《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》[1]的要求，本文針對真實(shí)通用門式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)量、運(yùn)行參數(shù)量、應(yīng)力應(yīng)變、振動狀態(tài)、視頻信息等多方面設(shè)計(jì)了安全測控方案，以期及時掌握門式起重機(jī)多方位多維度運(yùn)行信息，為起重機(jī)的安全作業(yè)提供可靠信息基礎(chǔ)，避免設(shè)備日常管理、檢驗(yàn)檢測和維修策略制定的盲目性。

1 總體方案

門式起重機(jī)運(yùn)行信息狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是獲取起重機(jī)狀態(tài)并對起重機(jī)進(jìn)行安全預(yù)警和故障預(yù)警的基礎(chǔ)，主要包括參數(shù)量監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測、振動狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)量監(jiān)測、視頻監(jiān)控五個部分。設(shè)計(jì)過程涉及監(jiān)測位置布置以及監(jiān)控傳感器選取。監(jiān)控系統(tǒng)終端對拾取的傳感器信號進(jìn)行數(shù)據(jù)解析處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的監(jiān)測參數(shù)閾值判斷起重機(jī)狀態(tài)是否危險并報警。

監(jiān)控方案設(shè)計(jì)以“江蘇省大型起重機(jī)風(fēng)險評價與結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的MH01F型通用門式起重機(jī)實(shí)物為對象，如圖1所示。基本參數(shù)見表1所列。

按GBT 28264-2012《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的要求，并結(jié)合門式起重機(jī)港口工作需求，設(shè)計(jì)了11個參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，包括測點(diǎn)布置、傳感器選擇及數(shù)據(jù)傳輸方式。具體監(jiān)測狀態(tài)量、參數(shù)屬性和使用傳感器見表2所列。

2 應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測

在起重機(jī)的每一次工作循環(huán)中，其相關(guān)機(jī)構(gòu)要進(jìn)行正反向各一次的運(yùn)動，機(jī)構(gòu)由此不斷受到交變載荷作用[2]。因此須對其工作過程中機(jī)構(gòu)的應(yīng)力（包括動應(yīng)力和靜應(yīng)力）狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 測點(diǎn)位置選擇

理想狀態(tài)下測點(diǎn)越多越能反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)際情況，但是工程測試環(huán)境一般不夠理想，測點(diǎn)多必然帶來較長的測試周期和麻煩[3]。結(jié)合門式起重機(jī)實(shí)際受力情況，其重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域應(yīng)在危險應(yīng)力區(qū)，即均勻應(yīng)力區(qū)應(yīng)力集中區(qū)和彈性撓曲區(qū)；在主梁跨中結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力處；使用過程中最不利工況下的最大應(yīng)力處；有塑性變形可能產(chǎn)生裂紋或經(jīng)常超載的位置。因此，監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變測點(diǎn)布置為跨中4個，1/4跨4個，支腿4個。

2.2 監(jiān)測方法及傳感器選型

系統(tǒng)采用主流的應(yīng)變電測法進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。鑒于門式起重機(jī)工作在戶外，工作環(huán)境惡劣且潮濕，狀態(tài)監(jiān)測需要長期監(jiān)測，因此選用電阻式表面式應(yīng)變計(jì)DH1205測量安裝點(diǎn)的線性變形（應(yīng)變）與應(yīng)力。表面式應(yīng)變計(jì)及應(yīng)變數(shù)據(jù)采集器實(shí)物圖如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

起重機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜且結(jié)構(gòu)跨度較大，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集器通過無線WiFi方式將數(shù)據(jù)傳輸至操作室監(jiān)測端，監(jiān)測端通過企業(yè)局域網(wǎng)上傳至服務(wù)器，進(jìn)而可通過遠(yuǎn)程端訪問服務(wù)器獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 起制動系統(tǒng)振動狀態(tài)監(jiān)測

振動狀態(tài)監(jiān)測是起重機(jī)進(jìn)行故障分析與診斷的必要環(huán)節(jié)，振動監(jiān)測主要面向起重機(jī)的零部件，通過分析診斷零部件的振動狀態(tài)來分析可能誘發(fā)的故障。目前起重機(jī)的振動狀態(tài)監(jiān)測重點(diǎn)一般集中在起升機(jī)構(gòu)[4，5]、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[6]，其他機(jī)構(gòu)的電機(jī)、齒輪箱、小車等。門式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要包括主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)。主、副起升機(jī)構(gòu)的減速箱布置于小車箱中，屬故障易發(fā)部位，是振動狀態(tài)檢測的對象。

3.1 測點(diǎn)布置

測點(diǎn)位置將直接影響振動信號采集的準(zhǔn)確率，因此其布置應(yīng)能夠?qū)ΥO(jiān)測設(shè)備進(jìn)行全面詳盡的描述，并且測點(diǎn)數(shù)量不宜過多。經(jīng)驗(yàn)表明測點(diǎn)盡可能選在軸承直徑上方并且與軸承外圈最靠近的地方。根據(jù)門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)振動測點(diǎn)布置于圖4所示主起升機(jī)構(gòu)減速機(jī)與副起升機(jī)構(gòu)減速機(jī)的輸入軸上方。

3.2 傳感器選擇

合適的振動傳感器類型也是監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。傳感器的類型選擇應(yīng)滿足以下原則[7，8]：

（1）較長的使用壽命及穩(wěn)定性；

（2）較高的響應(yīng)特性；

（3）不應(yīng)從被測對象抽走較多的能量；

（4）加在設(shè)備對象的負(fù)載要盡量最??；

（5）對于信號的處理、記錄和傳遞要方便；

（6）具備較好的抗干擾能力。

本系統(tǒng)選用壓電式傳感器，其內(nèi)置阻抗變換器，電壓（低阻）輸出動態(tài)特性好，抗過載能力強(qiáng)，頻響范圍寬，可多場合使用。傳感器及振動數(shù)據(jù)采集器如圖5所示。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸方案

振動數(shù)據(jù)采集器、轉(zhuǎn)換電源及振動傳感器置于起升機(jī)構(gòu)的小車箱中。振動數(shù)據(jù)采集器通過有線方式上傳至本地操作室終端，由本地終端將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，可通過遠(yuǎn)程客戶端實(shí)時查看，其具體數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)如圖6所示。

4 參數(shù)量和狀態(tài)量監(jiān)測

4.1 起升重量狀態(tài)

為了使駕駛?cè)藛T能夠?qū)崟r了解起升機(jī)構(gòu)當(dāng)前起的重量狀態(tài)，需要對其進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)時數(shù)據(jù)的形式顯示在操作室監(jiān)控界面上，有效預(yù)防超載作業(yè)。

起重量的監(jiān)測方法目前最常通過圖7所示的YHZL-PY-20T型張力傳感器測量鋼絲繩在起升重物時的應(yīng)力變化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。測試時，張力傳感器放置在紙幅導(dǎo)紙輥兩側(cè)支撐座下，通過接線盒連接信號放大器。

4.2 運(yùn)行行程

門式起重機(jī)在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中雖有運(yùn)行行程限制器，但其作用僅在機(jī)構(gòu)運(yùn)行到極限位置時制停，無法顯示運(yùn)行行程實(shí)時值。因此采用光電編碼器對主、副起升機(jī)構(gòu)，大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)四部分的運(yùn)行行程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

增量型編碼器存在零點(diǎn)累計(jì)誤差，抗干擾性較差，接收設(shè)備的停機(jī)需斷電記憶，開機(jī)存在找零或參考位等問題。而絕對編碼器由機(jī)械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點(diǎn)，抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性相較增量型編碼器大大提高。因此系統(tǒng)選用圖8所示的GAX60 R13/12 E10LB型絕對值編碼器測量機(jī)構(gòu)。

在使用之前對絕對值編碼器進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)待測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸直徑計(jì)算機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一圈時所經(jīng)過的距離，同時修改地址，用于與數(shù)據(jù)采集器之間通信。

4.3 驅(qū)動及制動系統(tǒng)狀態(tài)

門式起重機(jī)驅(qū)動和制動系統(tǒng)是影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動準(zhǔn)確性和可靠性的直接環(huán)節(jié)。由于門式起重機(jī)采用間歇、重復(fù)的工作方式，通過起重吊鉤或其他吊具起升、下降，或升降與運(yùn)移物料的機(jī)械設(shè)備，起動與制動動作十分頻繁，在起重機(jī)運(yùn)行過程中起制動系統(tǒng)若突發(fā)故障并得不到及時處置，極易引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，全面監(jiān)測起制動系統(tǒng)運(yùn)行狀況對提高設(shè)備的本質(zhì)安全性能十分必要[9，10]。本監(jiān)測系統(tǒng)通過采集機(jī)構(gòu)的繼電器狀態(tài)來獲取制動器當(dāng)前的狀態(tài)，并通過AKH-0.66/G 30*30I-0.2型電流互感器監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)電流狀態(tài)起伏實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測。

4.4 狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸

行程、起重量、制動器、電機(jī)狀態(tài)幾部分的傳感器通過有線方式傳輸至圖9所示的狀態(tài)量數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)而由企業(yè)局域網(wǎng)上傳至本地終端和服務(wù)器端，進(jìn)行遠(yuǎn)程分析診斷。具體數(shù)據(jù)傳輸方案如圖10所示。

5 環(huán)境視頻監(jiān)測

對于起重機(jī)的監(jiān)測大部分都集中于機(jī)身，而忽略了其外部工作環(huán)境。但作業(yè)區(qū)域的外部障礙物（包括無關(guān)人員）誤入往往是事故發(fā)生的主要原因。本系統(tǒng)通過對通用視頻設(shè)備二次開發(fā)，將視頻監(jiān)控集成入內(nèi)，通過圖像采集裝置動態(tài)捕捉起重機(jī)外部工作環(huán)境，向操作人員實(shí)時反映周圍狀態(tài)變化。

系統(tǒng)選用DS-2CD2A10F（D）型含6個攝像頭的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，可動態(tài)變化捕捉并進(jìn)行夜間紅外攝像。本地監(jiān)控端及遠(yuǎn)程監(jiān)控端將直接訪問視頻監(jiān)控工控機(jī)，從工控機(jī)獲取實(shí)時視頻數(shù)據(jù)及歷史視頻文件，支持視頻回放。圖11所示為視頻監(jiān)控界面。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了門式起重機(jī)運(yùn)行信息狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對于起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、起制動系統(tǒng)的減速箱、運(yùn)行行程、起重量、開關(guān)量、環(huán)境視頻信息等進(jìn)行了傳感器布置分析，并根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容確定了各監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)傳輸方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合國家對起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的要求，獲取的起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)可作為安全預(yù)警和故障診斷的基礎(chǔ)信息，為大型起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)和推廣應(yīng)用積累了一定工作經(jīng)驗(yàn)。

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