工程機(jī)械塔吊電機(jī)振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

魏萬(wàn)花

（甘肅第七建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州）

引言

過(guò)去的十幾年中，在國(guó)家政策的支持及行業(yè)的不斷創(chuàng)新和求進(jìn)的激勵(lì)下，塔吊行業(yè)的發(fā)展已出現(xiàn)了明顯的突破。通過(guò)對(duì)2020 年-2025 年中國(guó)機(jī)械塔吊市場(chǎng)需求的統(tǒng)計(jì)、調(diào)研與分析，明確了未來(lái)塔吊市場(chǎng)的發(fā)展方向，并對(duì)其在房地產(chǎn)、市政、交通、電力、水利、冶金、石油化工等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)塔吊行業(yè)在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)內(nèi)的未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)將持續(xù)走高[1]。據(jù)了解，目前，國(guó)家水利水電項(xiàng)目已完成超過(guò)1.5億元的建設(shè)投資，該項(xiàng)目在未來(lái)十年內(nèi)，將持續(xù)進(jìn)行資金的投入。為確保水利水電工程項(xiàng)目的順利施工，預(yù)期未來(lái)市場(chǎng)對(duì)工程施工中所需要的機(jī)械塔吊設(shè)備需求量將呈現(xiàn)持續(xù)走高的趨勢(shì)[2]。因此，在今后的塔吊行業(yè)中，搶占制高點(diǎn)，才是獲得最大利益的最佳途徑。

目前，大多數(shù)施工單位都加大了塔吊設(shè)備的運(yùn)行管理工作投入，并安排了專門(mén)的技術(shù)人員負(fù)責(zé)此項(xiàng)工作，但在階段性實(shí)踐工作中發(fā)現(xiàn)，大部分塔吊運(yùn)營(yíng)企業(yè)的管理模式存在缺陷，也正由于塔吊管理的不完善，導(dǎo)致其投產(chǎn)使用后還存在著安全隱患。為發(fā)揮機(jī)械塔吊更高的商業(yè)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊運(yùn)行故障的及時(shí)排查與處理，下文將基于計(jì)算機(jī)工程角度，對(duì)塔吊的故障診斷系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)大量的調(diào)研與實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成塔吊運(yùn)行中安全事故的原因較多，主要原因是管理部門(mén)對(duì)此類特殊裝備的健康和安全監(jiān)測(cè)不足，無(wú)法及時(shí)檢測(cè)出其運(yùn)行故障，導(dǎo)致塔吊的維修保養(yǎng)工作滯后，使其使用與操作存在諸多安全隱患。為解決此方面問(wèn)題，下文將對(duì)塔吊運(yùn)行中電機(jī)的故障診斷系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)[3]。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，引進(jìn)B/S 架構(gòu)作為支撐，為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的可伸縮性需求，將系統(tǒng)中的故障診斷程序部署在服務(wù)器端，由系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行塔吊電機(jī)在運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)、信息管理，以此種方式，控制并減少塔吊電機(jī)振動(dòng)故障診斷中信息的耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)其監(jiān)測(cè)與故障診斷過(guò)程的規(guī)范化[4]。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工程機(jī)械塔吊電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集與傳輸

結(jié)合工程機(jī)械塔吊電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，用振動(dòng)量實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)強(qiáng)弱的衡量。以某工程機(jī)械塔吊電機(jī)振動(dòng)曲線圖為例，對(duì)振動(dòng)大小的表示方式進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示[5]。

圖2 振動(dòng)峰峰值示意

圖2 中，單峰值是指機(jī)械瞬時(shí)承受沖擊的振動(dòng)量；峰峰值是指機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的位移量；平均值是指某段時(shí)間內(nèi)振動(dòng)量的平均值；有效值是指在某段時(shí)間內(nèi)承受的振動(dòng)能量。

在對(duì)工程機(jī)械塔吊電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集時(shí)需要對(duì)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行處理。在電機(jī)上安裝了一個(gè)加速度傳感器，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送到主控計(jì)算機(jī)，再由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)后續(xù)的報(bào)警輸出、多分類、智能算法等功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。采樣頻率越大，則采樣的密集程度越高，獲得的數(shù)據(jù)信號(hào)更接近原始信號(hào)[6]。圖3為信號(hào)采集的基本原理。

圖3 信號(hào)采集的基本原理

通過(guò)Zigbee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。在Zigbee 技術(shù)中的WDT 設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，Zigbee 提供了TTL 串行接口和SPI接口。為實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)鏈路的進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)NB-IoT 技術(shù)的應(yīng)用可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)皆贫朔?wù)器當(dāng)中。NB-IOT 的帶寬很窄，僅有200 kHz。在終端發(fā)送窄帶信號(hào)時(shí)，可提高信號(hào)的頻譜密度、覆蓋率和頻譜利用率。在同一報(bào)文中，多次發(fā)送同一報(bào)文，可以提高覆蓋范圍。此外，這種方法還可以減少端子的激活率和端子的基帶復(fù)雜性。

2.2 電機(jī)振動(dòng)故障診斷

將從塔吊電機(jī)定時(shí)采集的振動(dòng)值，包括速度、加速度等，按時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行錄入與規(guī)范化存儲(chǔ)，通過(guò)此種方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)與故障狀態(tài)的展示分析。通過(guò)此種方式，可以以一種更加直觀的方式，監(jiān)測(cè)塔吊在運(yùn)行中其內(nèi)部電機(jī)構(gòu)件的振動(dòng)情況，如無(wú)外界干預(yù)的條件下，塔吊中電機(jī)構(gòu)件在運(yùn)行中的振動(dòng)主要由三種狀態(tài)構(gòu)成，分別為下降狀態(tài)、上升狀態(tài)、平穩(wěn)狀態(tài)，每個(gè)收集定義都可以用它來(lái)做一個(gè)傾向分析[7]。上升表明裝置振動(dòng)較大，有可能是裝置發(fā)生了故障。平穩(wěn)說(shuō)明電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有太大的起伏。下降表明在維修后，設(shè)備的狀況有了改善。針對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)采集的一組波形數(shù)據(jù)，可通過(guò)采集的波形計(jì)算得出有效值RMS。在實(shí)際測(cè)量中，時(shí)域波形通常是由多個(gè)不同頻率、不同幅度、不同初相的正弦信號(hào)所組成，而非單一的正弦信號(hào)[8]。時(shí)頻波是振動(dòng)信號(hào)的第一個(gè)來(lái)源，通常情況下，振動(dòng)傳感器的信號(hào)都是時(shí)頻波。通過(guò)時(shí)域波形分析，可以對(duì)裝置的故障作出初步的判斷。表1 中記錄了工程機(jī)械塔吊電機(jī)常見(jiàn)故障特征。

表1 工程機(jī)械塔吊電機(jī)常見(jiàn)故障特征

對(duì)吊塔電機(jī)在運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)、定點(diǎn)采集，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)得到的電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，明確塔吊中電機(jī)構(gòu)件的振動(dòng)形式與振動(dòng)信號(hào)發(fā)展趨勢(shì)，以此為依據(jù)，結(jié)合表1 所述的內(nèi)容，確定故障類型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合傅里葉對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式，進(jìn)行x（n）的頻譜在[0，2π]范圍內(nèi)上N 個(gè)點(diǎn)等間隔采集，即可以看作是對(duì)序列頻譜的離散化處理。這一過(guò)程用公式表示如式（1）～式（3）所示。

式（1）～式（3）中：X（ejω）代表頻譜；N 代表傅里葉變換點(diǎn)數(shù)，同樣也代表傅里葉變換頻率軸上的頻率取值的間隔；k 代表變換系數(shù)；z代表采樣頻率；n 代表采樣數(shù)量。在不明確信號(hào)特征的情況下，同時(shí)又需要進(jìn)行時(shí)域平滑窗處理時(shí)，可選用Hannng 窗，在其他情況下可選用Hamming 窗。在此基礎(chǔ)上，對(duì)于塔吊電機(jī)在運(yùn)行中存在的軸承不平衡現(xiàn)象，可以在獲取電機(jī)波形信號(hào)后，結(jié)合工程具體情況，進(jìn)行double數(shù)組頻率的計(jì)算。針對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行頻譜圖展示，并計(jì)算得出頻譜分辨率，通過(guò)HighChart 組件進(jìn)行繪圖，根據(jù)圖像顯示實(shí)現(xiàn)對(duì)塔吊電機(jī)振動(dòng)故障的診斷。

3 系統(tǒng)詳細(xì)操作與振動(dòng)故障診斷數(shù)據(jù)分析

在深入塔吊機(jī)械工程租賃市場(chǎng)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分企業(yè)單位由于缺少專門(mén)的技術(shù)操作人員，也沒(méi)有專業(yè)的維修、維護(hù)、技術(shù)監(jiān)督人員，這便給工程建設(shè)中的機(jī)械塔吊應(yīng)用帶來(lái)了較大的安全隱患。

針對(duì)此方面問(wèn)題，上文完成了針對(duì)塔吊電機(jī)的振動(dòng)故障診斷，為明確該系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)的詳細(xì)操作步驟進(jìn)行分析。

第一步：登錄系統(tǒng)。用戶只需在網(wǎng)絡(luò)檢索欄中輸入相應(yīng)的地址即可進(jìn)入用戶登錄界面。在右邊的登錄窗口，只需輸入個(gè)人的帳號(hào)、密碼，然后按下“登陸”按鈕，后臺(tái)就會(huì)檢查輸入的帳號(hào)、密碼是否正確，如顯示“輸出正確”，便可以登陸系統(tǒng)的首頁(yè)。若顯示“輸出錯(cuò)誤”，未通過(guò)身份驗(yàn)證，則需重新輸入帳號(hào)密碼，直到輸入正確的信息。

第二步：功能展示。在系統(tǒng)的主頁(yè)面，可以查看各種有關(guān)塔吊在作業(yè)工況、基本運(yùn)行情況等。

第三步：塔吊設(shè)備部件管理。在塔吊部件信息管理頁(yè)中，界面將對(duì)部件的重要參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)地展示。比如產(chǎn)品編號(hào)、名稱、型號(hào)等。如果一個(gè)元件有很多資料展示，這一部份的資料或資訊可能會(huì)應(yīng)要求而被篩選。在搜索框中，用戶可以輸入零件的編碼或名稱，然后點(diǎn)擊查詢，后臺(tái)可以以輸入的信息為基礎(chǔ)，對(duì)零件進(jìn)行模糊查詢或輸入更多的信息在模糊查詢結(jié)果中進(jìn)行內(nèi)容的精準(zhǔn)篩查與定位，并將匹配的數(shù)據(jù)顯示在頁(yè)面上，供用戶瀏覽。

第四步：塔吊電機(jī)振動(dòng)波形展示與分析。此步驟是該系統(tǒng)的核心，設(shè)計(jì)中，此部分程序以WebApi 接口進(jìn)行連接，塔吊電機(jī)在運(yùn)行中，振動(dòng)數(shù)據(jù)將根據(jù)預(yù)設(shè)周期進(jìn)行反饋，通常情況下，數(shù)據(jù)的反饋格式為JSON格式，此格式的數(shù)據(jù)可以直接解析。無(wú)故障、存在故障的塔吊電機(jī)振動(dòng)波形如圖4、圖5 所示。

圖4 無(wú)故障的塔吊電機(jī)振動(dòng)波形

圖5 存在故障的塔吊電機(jī)振動(dòng)波形

將反饋的塔吊電機(jī)振動(dòng)波形圖與知識(shí)庫(kù)中的無(wú)故障、存在故障的塔吊電機(jī)振動(dòng)波形圖進(jìn)行比對(duì)，以此種方式，便可以掌握塔吊電機(jī)是否在運(yùn)行中存在故障。

結(jié)束語(yǔ)

塔式吊車是一種對(duì)安全性能有較高要求的大型工程機(jī)械設(shè)備，其使用與工程施工及人員的安全密切相關(guān)。在施工中，由于操作人員的原因，一旦電機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障，不僅會(huì)對(duì)施工進(jìn)度造成很大影響，甚至?xí)斐芍卮蟮陌踩鹿?。塔吊使用過(guò)程中，由于制動(dòng)裝置（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速降低，使得其運(yùn)行速度降低，從而導(dǎo)致工作效率降低，甚至無(wú)法正常工作，這就需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行故障診斷。

在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)老化、失效現(xiàn)象，加之工程管理方缺乏對(duì)電機(jī)、軸承和齒輪等工程機(jī)械設(shè)備中易損件的加油、潤(rùn)滑和維護(hù)等，這些易損件將在發(fā)生微小故障后繼續(xù)劣化，并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)帶病的狀態(tài)下作業(yè)，由早期的小故障發(fā)展到中期的齒輪和軸承的損傷，最終發(fā)展到設(shè)備的失效，進(jìn)而引起設(shè)備的連鎖故障和事故。為解決此方面問(wèn)題，本文開(kāi)展了此次研究，希望能夠通過(guò)此次的研究，真正意義上解決塔吊在使用與操作中的安全問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行中故障進(jìn)行及時(shí)診斷的同時(shí)，發(fā)揮塔吊機(jī)械設(shè)備更高的商用價(jià)值。