門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研發(fā)探討

王友權(quán)

摘要：門式起重機(jī)的橋架通過兩側(cè)支腿坐落到軌道，是一種大型起重設(shè)備，有著很高的生產(chǎn)運(yùn)行效率，需要持續(xù)進(jìn)行起重吊裝作業(yè)，主要用于大型貨物裝卸工作，需要較大的跨度，工作環(huán)境十分惡劣，需要承擔(dān)繁重的起重任務(wù)，對起重機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和診斷是十分必要的。本文從通用門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)入手，GA-BP的齒輪箱故障診斷方法、行車電氣設(shè)備專家系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行深入地分析與研究，可供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：門式起重機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)測;故障診斷;開發(fā)

0 ?引言

隨著我國商品貿(mào)易規(guī)模的不斷變大，門式起重機(jī)需求和使用量變得愈多，從多部門的調(diào)查數(shù)據(jù)來看，門式起重機(jī)為特種設(shè)備類故障的40%，但門式起重機(jī)故障監(jiān)測和診斷功能還需要進(jìn)一步提升，多依賴于維護(hù)人員現(xiàn)場勘查和判斷來對起重機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并識別是否存在故障，而門式起重機(jī)工作強(qiáng)度比較大，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，會存在著較大的安全隱患。采用門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，可以對起重機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷，及時(shí)通知維護(hù)人員對故障進(jìn)行處理，提高起重機(jī)運(yùn)行安全性，有效減小人員傷亡。

1 ?通用門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

為了實(shí)現(xiàn)對門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷，為用戶提供很好的使用體驗(yàn)，應(yīng)該保證系統(tǒng)具備如下功能：

①用戶管理。隨著門式起重機(jī)需要多機(jī)聯(lián)動，起重機(jī)有著多用戶使用的特點(diǎn)，需要對多用戶進(jìn)行有效地管理，可以通過系統(tǒng)對用戶權(quán)限進(jìn)行管理，可以對用戶信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和注冊。

②起重機(jī)械管理。對于復(fù)雜的起重吊裝作業(yè)現(xiàn)場，會由多臺起重機(jī)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，需要對起重機(jī)進(jìn)行專業(yè)化的管理，對需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的起重機(jī)進(jìn)行注冊，并根據(jù)使用要求配置監(jiān)測和診斷方案，保證后續(xù)的監(jiān)測可以正常應(yīng)用。

③狀態(tài)監(jiān)測。為了對起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變化可視化圖表，保證數(shù)據(jù)信息可以實(shí)時(shí)傳輸和加載。

④數(shù)據(jù)分析。對起重機(jī)獲取到的數(shù)據(jù)信息，利用時(shí)域波形對故障情況進(jìn)行監(jiān)測，也利用頻域或其它分析技術(shù)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，維護(hù)保養(yǎng)人員可以從多個(gè)角度對起重機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行觀察與分析。

⑤故障診斷。門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)多而復(fù)雜，設(shè)計(jì)開發(fā)具有針對性的故障診斷模塊，可以更好地了解起重機(jī)故障情況，為保證門式起重機(jī)安全運(yùn)行提供保障。

⑥運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警。起重機(jī)運(yùn)行電流是否在合理區(qū)間，支腳應(yīng)力是否正常等都需要通過監(jiān)測系統(tǒng)來進(jìn)行預(yù)警，可對超出上限或閾值的參數(shù)進(jìn)行報(bào)警，更好地保證起重的運(yùn)行安全。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用C/S模式建立起門式起重機(jī)系統(tǒng)，維護(hù)起來比較復(fù)雜，不具備較高的兼容性，需要將配套的硬件安裝完成后方可以使用。而遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷可實(shí)現(xiàn)對門式起重機(jī)的全面監(jiān)測，可以進(jìn)入到管理系統(tǒng)對起重機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行診斷。本設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)方式，經(jīng)過Web編程利用電腦、手機(jī)終端來查看界面，可以隨時(shí)登錄系統(tǒng)，方便對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

需要對門式起重機(jī)安裝多個(gè)傳感器，可以滿足數(shù)據(jù)采集的需要，將獲取到的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息發(fā)送數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，通過Web服務(wù)器來為用戶提供后臺服務(wù)，與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶終端進(jìn)行連接，滿足系統(tǒng)信息交互和處理的要求。采用該架構(gòu)可以在電腦、手機(jī)等終端中對運(yùn)行界面進(jìn)行查看，可以更為方便地進(jìn)入到界面進(jìn)行故障診斷與監(jiān)測，通過圖表來查看起重機(jī)運(yùn)行情況，還能調(diào)用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 ?GA-BP的齒輪箱故障診斷方法研究

2.1 齒輪箱故障特征與振動機(jī)理分析

齒輪箱是門式起重機(jī)關(guān)鍵的動力傳輸部件，主要由軸、齒輪等多個(gè)部件構(gòu)成，能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)會影響到門式起重機(jī)運(yùn)行，會受到制造精度、不合理潤滑、過載運(yùn)行等多種因素的影響，會使變速箱出現(xiàn)損傷。從故障損壞故障調(diào)查統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，齒輪失效問題比較嚴(yán)重，為總故障的60%，再就是軸承故障率為20%，是齒輪箱故障最多的兩種類型，需要對上述兩種故障和特征進(jìn)行分析。

齒輪振動主要存在軸向、徑向和周向振動，還存在著固有振動、故障振動等，故障信息會反饋到齒輪振動信號中，在時(shí)域中無法查看到，在頻域中具在調(diào)幅、調(diào)頻、附加脈沖和隱含譜線方面有著不同的特征。齒輪產(chǎn)生正常振動，會產(chǎn)生嚙合頻率、高階諧波振動信號。如果齒輪產(chǎn)生局部故障，則振動信號產(chǎn)生調(diào)幅、調(diào)頻現(xiàn)象。

滾動軸承不同部位出現(xiàn)故障，每個(gè)接觸點(diǎn)的部位頻率有著很大的差異，需要結(jié)合故障部位頻率來識別，故障特征頻率為主要信息。但滾動軸承故障機(jī)理十分復(fù)雜，故障特征頻率會與理論值相互間形成較小的偏差，在誤差允許區(qū)間內(nèi)，振動信號有轉(zhuǎn)頻形成的諧振信號、周期性沖擊信號。

2.2 基于GA的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齒輪箱故障診斷方法研究

GA也就是人們常說的遺傳算法，是通過對生物遺傳和變異來適應(yīng)自然環(huán)境，形成的全局尋優(yōu)算法，可以具備很好的適應(yīng)能力，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。是通過上代基礎(chǔ)上選擇并保留最優(yōu)的群體，使群體向著最優(yōu)方向變異和進(jìn)化，由編碼方法、遺傳算子、適應(yīng)度函數(shù)和GA參數(shù)構(gòu)成。BP是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合反向誤差來對傳遞訓(xùn)練權(quán)值和閾值進(jìn)行計(jì)算，由輸入、隱含和輸出三個(gè)層構(gòu)成，本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對齒輪箱故障進(jìn)行診斷，有著對復(fù)雜情況進(jìn)行識別的性能，可以對多維函數(shù)映射進(jìn)行體現(xiàn)，充分結(jié)合GA算法的優(yōu)勢，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，可以提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效率，也可以解決BP局收斂問題。

2.3 基于MCA的齒輪箱故障特征提取研究

MCA是形態(tài)分量分析的簡稱，是用于分圖像不同形態(tài)分量的方法，可以把圖像紋理和光滑部分實(shí)現(xiàn)分離，也可以用于對圖像工具的修得，MCA算法確定出接近于真實(shí)解的最小化任務(wù)，生成簡化的問題來確定最為有效算法，采用稀疏表示項(xiàng)來應(yīng)用軟閾值法。

2.4 基于MCA優(yōu)化的齒輪箱故障診斷

為了更為深化地對齒輪故障機(jī)理進(jìn)行分析，可以將齒輪裕度指標(biāo)、峰值因數(shù)、脈沖指標(biāo)等作為特征參數(shù)，峰值因數(shù)不會受到振動信號、運(yùn)行速度等影響，可以用于對齒輪箱故障的診斷，峭度是故障概率密度分布的度量，可以體現(xiàn)出信號沖擊，該數(shù)值大則表示幅值分布更為集中。齒輪正常運(yùn)行、磨損和損傷等狀態(tài)下的時(shí)域圖，可以完整地觀察到故障沖擊分量混雜情況。利用MCA獲取到磨損狀態(tài)下振動沖擊信號特征，結(jié)合特征參數(shù)應(yīng)用MCA法來對故障特征參數(shù)進(jìn)行處理，對正常情況特征參數(shù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)故障特征參數(shù)沒有顯著提升。

3 ?基于FTA的門式起重機(jī)行車電氣設(shè)備專家系統(tǒng)故障診斷研究

3.1 故障樹分析法

故障樹分析法（FTA）也就是通過因果分析來對故障進(jìn)行展現(xiàn)的樹型結(jié)構(gòu)圖，把不希望發(fā)生的事情作為頂層事件，按著因果關(guān)系逐層開展分析，通過樹狀圖形將故障結(jié)構(gòu)進(jìn)行清楚地表達(dá)。利用該分析法可以得到故障樹所有最小割集，進(jìn)而對頂層事件故障原因進(jìn)行深入分析，為一種簡易有效的故障定性分析法。故障樹的形成應(yīng)該先收集研究對象技術(shù)、維修等方面的資料，將頂層事件相關(guān)部分尋找出來，結(jié)合故障樹的深度和廣度建立起故障樹模型。

3.2 專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與功能

所謂的專家系統(tǒng)，也就是利用具有知識和推理能力的計(jì)算機(jī)程序，在對故障定性分析中得到了大量的應(yīng)用。需要求解的知識不會隱藏在程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，需要建立起新型的知識庫，該種分離處理方式對問題求解和故障診斷都帶來很大的便利。

專家系統(tǒng)中的推理，是結(jié)合規(guī)則或事實(shí)來對其它過程的判斷，結(jié)合相應(yīng)的判斷作為推理的基礎(chǔ)，通過正向、反向的演繹推理，采取沖突消解策略。在有啟發(fā)信息條件下，按照問題求解特點(diǎn)來設(shè)計(jì)出相應(yīng)的排序解決方法，在函數(shù)存在沖突時(shí)出進(jìn)行排序，以不同的優(yōu)先級進(jìn)行排序。

3.3 基于FTA的門式起重機(jī)行車電氣設(shè)備專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將故障樹分析作為基礎(chǔ)的門式起重機(jī)專家系統(tǒng)，從知識的獲取到知識庫的建立，是進(jìn)行專家系統(tǒng)知識庫建立的前提條件。通過查閱文獻(xiàn)資料，了解起重機(jī)廠商技術(shù)手冊，對故障診斷相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，與特種設(shè)備檢測維修方面的專業(yè)人員進(jìn)行交流，然后將獲取到的專家知識用產(chǎn)生式表示法體現(xiàn)出來，對知識庫進(jìn)行編輯存儲，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表征，再利用框架表示法來體現(xiàn)出故障樹邏輯關(guān)系。

4 ?結(jié)論

門式起重機(jī)采用B/S架構(gòu)來建立起無程監(jiān)測和故障診斷，可以解決傳統(tǒng)故障診斷和數(shù)據(jù)分析不足的問題，有著很好的實(shí)用性和人機(jī)交互性，方便用戶對門式起重機(jī)進(jìn)行管理，有著很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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