基于采樣數(shù)據(jù)的門座式起重機電氣故障檢測方法

高昕　馮幸毅　王梯斌

摘要：為提高對門座式起重機電氣故障檢測的精度，引入采樣數(shù)據(jù)思想，開展對其檢測方法的設(shè)計研究。明確起重機電氣故障檢測數(shù)據(jù)采樣方式，通過采樣數(shù)據(jù)現(xiàn)行變換、一階滯后濾波，實現(xiàn)對其預(yù)處理；對門座式起重機電氣故障類型劃分，構(gòu)建故障樹；對各類故障的先驗概率和條件概率計算，實現(xiàn)故障檢測以及故障發(fā)生概率求解。將新的檢測方法與其他兩種現(xiàn)有檢測方法的檢測結(jié)果對比，可知新的檢測方法具備更高的檢測精度，不僅可以實現(xiàn)對故障的檢測，還能夠?qū)崿F(xiàn)對故障類型的有效識別。

關(guān)鍵詞：采樣數(shù)據(jù)；起重機；檢測；電氣；門座式

0? ?引言

起重機作為一種現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，具有十分復(fù)雜的機械構(gòu)件以及電氣設(shè)備。隨著起重機的使用范圍的擴大，用戶對其性能的要求也越來越高。近幾年來，起重機逐漸朝著大型化、自動化、專業(yè)化、智能化的方向發(fā)展[1]。

起重機在使用中經(jīng)常會出現(xiàn)各種問題，如果沒有得到有效地處理，將會在一定程度上影響設(shè)備的使用性能和使用壽命，甚至?xí)斐芍卮蟮陌踩鹿?。?jù)不完全統(tǒng)計，在近5年的時間中，由于使用特種設(shè)備而造成的事故中，起重機的事故發(fā)生數(shù)量占比較大[2]。其中，在重度起重機類型中，門座式起重機使用量所占的比重較高。

在保證運行安全和防護上，通常都是采取安裝起重限制式傳感器等簡單的安全保護設(shè)備，而對起重機進行系統(tǒng)的實時監(jiān)控和故障分析十分缺乏。在日常的檢修和使用中，操作人員無法實時、直觀地觀察設(shè)備的工作狀況，無法確保在操作中及時發(fā)現(xiàn)異常狀況，存在著安全隱患[3]。

從以上的分析可以看出，對起重設(shè)備，特別是門座式起重機的生產(chǎn)運行狀況進行實時在線檢測，診斷出設(shè)備的運行狀況，及時有效地向有關(guān)部門提供設(shè)備運行監(jiān)控和故障診斷的信息，有利于保障設(shè)備運行安全，優(yōu)化設(shè)備維修策略制定，避免重大事故發(fā)生。為提高對門座式起重機電氣故障檢測的精度，本文引入采樣數(shù)據(jù)思想，開展對其檢測方法的設(shè)計研究。

1? ?基于采樣數(shù)據(jù)的電氣故障檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1? ?采樣方式

針對門座式起重機電氣設(shè)備的故障檢測，為確保檢測結(jié)果符合實際，必須對其檢測數(shù)據(jù)進行有效采樣。采樣數(shù)據(jù)包括橫梁、支腿應(yīng)力應(yīng)變，齒輪箱振動、大小電機電流以及電氣設(shè)備中各個結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息[4]。

針對各類型檢測數(shù)據(jù)，分別采用具有不同功能的傳感器設(shè)備進行測定。起重機電氣故障檢測數(shù)據(jù)采樣方式對應(yīng)表如表1所示。

針對門座式起重機電氣設(shè)備上各個應(yīng)力測點的布置，應(yīng)當(dāng)在支腿上設(shè)置4個，在跨中設(shè)置4個，在1/4跨位置上設(shè)置4個，共設(shè)置12個測點。

1.2? ?采樣數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于得到的采樣數(shù)據(jù)當(dāng)中包含眾多冗余數(shù)據(jù)以及容易造成噪聲產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，因此為了提高本文檢測方法的檢測精度，針對各個測點上通過傳感器獲取到的采樣數(shù)據(jù)，還需要進行預(yù)處理[5]。

獲取到的采樣數(shù)據(jù)單位和數(shù)值不同，對這些數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換后能夠得到一系列數(shù)字量，且數(shù)字量變化范圍都是由A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)與對應(yīng)傳感器的輸出之間具有線性關(guān)系時，則可以按照線性變換公式對其進行預(yù)處理：

慣性濾波是一種適合于測量波動頻率的濾波器，它可以有效地克服周期性的干擾，但是也會產(chǎn)生相位延遲。相位延遲取決于α的取值，因此需要根據(jù)具體情況以及后續(xù)檢測的需要合理設(shè)置α數(shù)值。

根據(jù)上述操作，完成對門座式起重機電氣設(shè)備故障檢測數(shù)據(jù)的預(yù)處理，為后續(xù)故障檢測以及故障發(fā)生概率的求解提供可靠依據(jù)。同時歷史數(shù)據(jù)也能夠為檢測提供依據(jù)。對于歷史數(shù)據(jù)的追溯，主要是為了實現(xiàn)對門座式起重機電氣設(shè)備歷史階段性數(shù)據(jù)的查詢[6]。

通過設(shè)定對應(yīng)的查詢時間或者選定一定的時間段，可以獲得相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)，并將其顯示為波形圖和折線圖。因為移動設(shè)備的體積比較小，所以可以用圖像縮放來更全面地顯示本地采樣數(shù)據(jù)。

2? ?門座式起重機電氣設(shè)備故障樹建立

根據(jù)門座式起重機電氣設(shè)備中各機構(gòu)控制要素以及電氣元件的構(gòu)成條件，明確電氣故障類型可分為4大類，每一類中又包含多個不同的故障表現(xiàn)形式。因此，為更直觀明確門座式起重機電氣設(shè)備的故障類型，以其電氣故障中較為常見的“門機起升機構(gòu)電氣故障”為例，構(gòu)建如圖1所示的門座式起重機電氣設(shè)備故障樹。

根據(jù)上述構(gòu)建的門座式起重機電氣設(shè)備故障樹，針對所有節(jié)點均設(shè)置2種狀態(tài)，分別為故障狀態(tài)和正常狀態(tài)，對應(yīng)的取值為1和0。針對其他類型的故障問題，同樣按照上述故障樹的構(gòu)建邏輯完成構(gòu)建。

3? ?故障檢測與故障發(fā)生概率求解

在獲取所需的檢測采樣數(shù)據(jù)并完成預(yù)處理后，按照上述構(gòu)建的門座式起重機電氣設(shè)備故障樹，對門座式起重機電氣故障進行檢測。確定采樣數(shù)據(jù)以及相關(guān)權(quán)重，結(jié)合三角模糊算法，對故障樹上各個節(jié)點的故障進行先驗概率計算[7]。假設(shè)某一故障樹根節(jié)點為，針對這一故障類型進行下述運算：

根據(jù)上述公式，可以計算得出不同故障發(fā)生的條件概率，將其作為檢測結(jié)果輸出，實現(xiàn)對門座式起重機電氣故障的檢測。

在門座式起重機運行過程中，針對各個電氣設(shè)備的運行特點，可以對其條件概率閾值進行設(shè)置。一旦檢測到條件概率數(shù)值超過閾值范圍，則說明此時出現(xiàn)了電氣故障問題，需要對其進行進一步的檢查、維修與處理。

4? ?對比實驗

以MG通用雙梁門座式起重機為例，針對該設(shè)備對其電氣故障進行檢測。在相同的檢測環(huán)境中，分別利用本文上述提出的基于采樣數(shù)據(jù)的檢測方法（A方法）、基于LSTM算法的檢測方法（B方法）和基于模糊貝葉斯的檢測方法（C方法）對其進行檢測。

4.1? ?基本參數(shù)

已知所選門座式起重機質(zhì)量為1000kg，跨度為5～32.6m，載荷為16t，懸臂長度為1～12m，提升量為1～12m。采用遙控式操作形式和電動式操作方式。提升速度為8m/min，大車運行速度為25m/min，額定起重力矩為3200kN·m，吊鉤的升降速度為2.3m/min。

4.2? ?故障類型劃分

在明確該門座式起重機的基本性能參數(shù)后，對其可能出現(xiàn)的電氣故障類型進行劃分，并分別標號如表2所示。

4.3? ?檢測結(jié)果對比

針對上述9種故障類型，分別利用3種檢測方法對每種故障情況的發(fā)生概率進行測定，并控制該門座式起重機進行100次的運行，記錄每種故障發(fā)生的次數(shù)，將其與各個檢測結(jié)果對比，得到如表3所示的實驗結(jié)果。表3中，x表示起重機在100次運行中出現(xiàn)對應(yīng)故障類型的次數(shù)。

根據(jù)3種檢測方法檢測結(jié)果對比得出：A方法的檢測結(jié)果與x數(shù)值一致，說明A檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對所有故障的全部檢測，且通過進一步測定得到的故障類型發(fā)生概率更加精準。B方法在對該門座式起重機進行檢測時，未實現(xiàn)對故障類型GZ-01、GZ-03和GZ-07的檢測。C方法在對該門座式起重機進行檢測時，未實現(xiàn)對故障類型GZ-07的檢測，同時B方法和C方法無法實現(xiàn)對門座式起重機各個故障類型發(fā)生概率的高精度檢測。

通過上述得出的實驗結(jié)果能夠證明，本文設(shè)計的基于采樣數(shù)據(jù)的檢測方法，可以實現(xiàn)對門座式起重機電氣故障的高精度檢測，可為該設(shè)備安全、穩(wěn)定運行提供保障條件。同時通過該檢測方法得出的結(jié)果，能夠為門座式起重機的電氣設(shè)備運維方案制定提供決策條件。

5? ?結(jié)束語

為提高對門座式起重機電氣故障檢測的精度，引入采樣數(shù)據(jù)思想，開展對其檢測方法的設(shè)計研究。針對門座式起重機電氣設(shè)備的運行，在引入采樣數(shù)據(jù)思想的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的檢測方法。將新的檢測方法與其他兩種現(xiàn)有檢測方法的檢測結(jié)果對比，可知新的檢測方法具備更高的檢測精度，不僅可以實現(xiàn)對故障的檢測，還能夠?qū)崿F(xiàn)對故障類型的有效識別。在下一步研究當(dāng)中，還將繼續(xù)獲取各類門座式起重機電氣設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對檢測方法中數(shù)據(jù)集的擴充，提升檢測和識別的準度與精度。同時，將本文上述對門座式起重機電氣設(shè)備故障檢測方法設(shè)計的思路應(yīng)用到其他類型起重機中，可以為其檢測方法的設(shè)計創(chuàng)新提供參考。

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