塔機(jī)健康管理關(guān)鍵技術(shù)研究

侯昀昊

摘要：為了確保塔式起重機(jī)的安全性，進(jìn)一步對起重機(jī)進(jìn)行科學(xué)管理，在闡述塔式起重機(jī)健康管理需求、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，提出了塔式起重機(jī)健康管理的技術(shù)框架，分析了塔式起重機(jī)安全監(jiān)控、健康監(jiān)測、健康狀態(tài)診斷、故障趨勢預(yù)測、預(yù)測性維護(hù)決策等起重關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī)；故障診斷；智能運(yùn)維

0? ?引言

塔式起重機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、港口、建筑、制造等行業(yè)，高可靠性的監(jiān)測設(shè)備、科學(xué)的診斷預(yù)測方法和健康管理的體系，是起重機(jī)械安全的可靠保證。為了確保塔式起重機(jī)的安全性，進(jìn)一步對起重機(jī)進(jìn)行科學(xué)管理，在闡述塔式起重機(jī)健康管理需求、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢基礎(chǔ)上，提出塔式塔式起重機(jī)健康管理的技術(shù)框架，分析了塔式起重機(jī)安全監(jiān)控、健康監(jiān)測、健康狀態(tài)診斷、故障趨勢預(yù)測、預(yù)測性維護(hù)決策等起重關(guān)鍵技術(shù)。

1? ?塔式起重機(jī)健康管理要求及研發(fā)現(xiàn)狀

1.1? ?塔式起重設(shè)備的健康管理要求

1.1.1? ?從“制造+銷售”模式向"技術(shù)+管理+服務(wù)"復(fù)合模式轉(zhuǎn)型

以健康診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)為核心的售后服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)服務(wù)型制造的重要途徑。在經(jīng)濟(jì)全球化一體化的趨勢下，使用同一設(shè)備的用戶可能分布在世界各地，這給設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)。近年來，傳統(tǒng)的“制造+銷售”模式正在逐漸向“技術(shù)+管理+服務(wù)”的復(fù)合模式轉(zhuǎn)型，制造業(yè)正在從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造的轉(zhuǎn)變方向發(fā)展，這已成為制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

鑒于此，需要主機(jī)企業(yè)將重點(diǎn)從生產(chǎn)比重大的價(jià)值鏈低端，轉(zhuǎn)向服務(wù)比重大、附加值高的價(jià)值鏈高端，發(fā)展以健康診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)為核心的售后服務(wù)業(yè)務(wù)。這是一個(gè)具有高附加值的產(chǎn)品業(yè)務(wù)，將成為推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、走向產(chǎn)業(yè)鏈高端的重要途徑。

1.1.2? ?智能化綠色化需健康診斷和健康管理技術(shù)支持

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，起重設(shè)備正朝著大型化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。起重機(jī)械的結(jié)構(gòu)和功能越來越復(fù)雜，維護(hù)和管理的難度也越來越大。一旦發(fā)生事故，往往造成巨大損失，甚至是災(zāi)難性后果。傳統(tǒng)的“故障維修”“計(jì)劃維修”和“事后維修”都是被動(dòng)的或經(jīng)驗(yàn)型的，無法結(jié)合設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行合理的維護(hù)保養(yǎng)。這種維護(hù)方法勢必會造成設(shè)備維護(hù)不到位、維護(hù)過度等問題，影響設(shè)備的安全使用。綜上，傳統(tǒng)的維護(hù)方式難以滿足現(xiàn)代智能化綠色化的需要，迫切需要健康診斷和健康管理的技術(shù)支持。

1.2? ?國內(nèi)外起重設(shè)備的健康管理研發(fā)狀況

1998年，美國首次提出了健康管理的概念，并利用健康管理技術(shù)開發(fā)了系統(tǒng)。Hale等人研究了起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋監(jiān)測技術(shù)。Lee等人開展了鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋生長監(jiān)測研究。日本安川公司的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用智能傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并通過無線通信技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控集裝箱裝卸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程故障診斷。日本住友公司開發(fā)的起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并利用超高速交換路由技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對其自主品牌機(jī)械在全球生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)控。馬來西亞柔佛港基于無線技術(shù)開發(fā)了一套復(fù)雜的健康監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用專用軟件實(shí)現(xiàn)了港口作業(yè)的統(tǒng)一調(diào)度和自動(dòng)化。

此外，科尼、德馬格、利勃海爾、馬尼托瓦克等企業(yè)，也開發(fā)了相應(yīng)設(shè)備類型的安全監(jiān)控管理系統(tǒng)，對起重機(jī)械的運(yùn)行參數(shù)和操作指令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。國內(nèi)戴海波[1]總結(jié)了起重機(jī)械經(jīng)常出現(xiàn)的故障，并運(yùn)用診斷類故障分析方法對故障源進(jìn)行了分析。孫文崢[2]以QTZ80型塔式起重機(jī)為研究對象，利用PCA方法，對起重機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況和變工況運(yùn)行的情況下分別進(jìn)行了故障診斷。周曉燕[3]等人研究了輕小型起重機(jī)的故障診斷方法，并設(shè)計(jì)了基于案例推理的起重機(jī)故障診斷系統(tǒng)。

1.3? ?起重設(shè)備健康管理的發(fā)展趨勢

一是網(wǎng)絡(luò)化趨勢。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷和健康管理系統(tǒng)，可以提高復(fù)雜設(shè)備故障診斷的協(xié)調(diào)性和準(zhǔn)確性，降低復(fù)雜設(shè)備的運(yùn)行成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

二是面向服務(wù)的趨勢明顯。以服務(wù)的形式封裝和使用故障診斷資源，并在健康管理平臺中進(jìn)行服務(wù)交換和共享，有利于豐富平臺的知識資源、診斷方法等內(nèi)容，提高資源利用率，促進(jìn)健康管理技術(shù)的深入研究和應(yīng)用。

三是智能化趨勢。知識在健康管理系統(tǒng)中扮演更重要的角色，知識化和智能化將成為健康管理技術(shù)的發(fā)展趨勢。設(shè)備系統(tǒng)將具備自我診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)功能，要求相應(yīng)的健康管理系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和更新知識，并能通過自學(xué)具備設(shè)備診斷和操作維護(hù)指導(dǎo)生產(chǎn)的能力。

2? ?塔式起重機(jī)健康管理框架

綜合管理系統(tǒng)將為塔式起重機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。塔式起重機(jī)健康管理框架功能如下：第一，通過智能傳感技術(shù)，系統(tǒng)能夠獲取起重機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、電控和環(huán)境等方面的關(guān)鍵特征參數(shù)。第二，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將監(jiān)測參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程中心，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。第三，通過數(shù)據(jù)庫接口、分析和快速存儲技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)⒎墙Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，從而方便后續(xù)的處理和分析。第四，利用信號處理技術(shù)、特征提取技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)Ψ墙Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的特征參數(shù)進(jìn)行處理和分析，提取出有價(jià)值的信息。第五，通過人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)起重機(jī)的故障診斷和預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取相應(yīng)措施。第六，通過可視化技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)⑵鹬貦C(jī)健康管理的全過程可視化，讓管理者能夠直觀、全面地了解起重機(jī)的健康狀態(tài)和運(yùn)行情況。

3? ?塔式起重機(jī)健康管理關(guān)鍵技術(shù)

3.1? ?安全監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)GB/T 28264-2017《起重機(jī)安全監(jiān)測管理系統(tǒng)》的要求，安全監(jiān)測技術(shù)利用質(zhì)量、位移、限位開關(guān)、視頻等傳感監(jiān)測手段作為基礎(chǔ)，采用工業(yè)總線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于OPC（工業(yè)自動(dòng)化開放平臺）技術(shù)，對起重機(jī)的14個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測參數(shù)和9個(gè)監(jiān)測狀態(tài)進(jìn)行精確記錄和管理。

這些數(shù)據(jù)將被儲存在機(jī)載工業(yè)計(jì)算機(jī)中，以備后續(xù)的查詢和數(shù)據(jù)分析。通過視頻監(jiān)視器、顯示器等設(shè)備，將起重機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)直觀地展示給操作人員和監(jiān)控人員，以確保起重機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。安全監(jiān)測技術(shù)工作原理如圖1所示。

3.2? ?健康監(jiān)測技術(shù)

健康監(jiān)測技術(shù)主要是監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。該技術(shù)利用振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速、光纖布拉格光柵應(yīng)變等傳感監(jiān)測手段，以現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，對起重機(jī)結(jié)構(gòu)的主要承重部件、減速機(jī)高速軸與低速軸、制動(dòng)器力矩狀態(tài)、制動(dòng)器位移等關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。監(jiān)測的內(nèi)容包括噪聲、振動(dòng)、溫度、壓力和速度數(shù)據(jù)等，以便全面獲取起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信息。

通過無線通信技術(shù)，將在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過無線通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綀鰞?nèi)監(jiān)測站，并利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等手段，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，并將結(jié)果返回至場內(nèi)監(jiān)測站。同時(shí)將數(shù)據(jù)輸送給用戶，用戶得到反饋后可以實(shí)時(shí)進(jìn)行操作信息的變更，這樣即可實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)參數(shù)的全天候監(jiān)測和預(yù)警功能。健康監(jiān)測技術(shù)工作原理見圖2。

3.3? ?健康狀況診斷技術(shù)

健康狀況診斷技術(shù)主要是通過從健康監(jiān)測技術(shù)中采樣的數(shù)據(jù)中提取特征，對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，從而診斷出起重機(jī)器在規(guī)定工況和最惡劣動(dòng)態(tài)工況下的結(jié)構(gòu)承載能力，并評估其結(jié)構(gòu)健康水平。

采集減速機(jī)高速軸、低速軸等部位的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用時(shí)域和頻域的相關(guān)分析，提取振動(dòng)信號的時(shí)頻特征參數(shù)，從而診斷出減速機(jī)的健康狀態(tài)。在采集制動(dòng)器扭矩刻度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過圖像特征提取和時(shí)間歷程相關(guān)分析等方法，診斷制動(dòng)器的健康狀況。采用模糊評價(jià)方法，并通過評估方法和其他方法擴(kuò)展健康診斷，從而確保全面、準(zhǔn)確地評估起重機(jī)的整體健康狀況。健康狀態(tài)診斷技術(shù)工作原理如圖3所示。

3.4? ?損傷趨勢預(yù)測技術(shù)

損傷趨勢預(yù)測主要是指預(yù)測設(shè)備剩余壽命或設(shè)備初始故障發(fā)生到功能損壞時(shí)間等。這些技術(shù)主要采用雨流計(jì)數(shù)法預(yù)測每個(gè)測量點(diǎn)的疲勞壽命。通過時(shí)域、頻譜相關(guān)分析和時(shí)間序列預(yù)測模型，以預(yù)測減速器的故障狀態(tài)。同時(shí)，基于圖像特征提取和時(shí)間歷程相關(guān)分析，以預(yù)測制動(dòng)器的性能退化狀態(tài)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測制動(dòng)器的故障趨勢，從而更好地把握設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，并為維修保養(yǎng)提供精準(zhǔn)的決策依據(jù)。損壞趨勢預(yù)測技術(shù)工作原理如圖4所示。

3.5? ?預(yù)測性維護(hù)決策技術(shù)

預(yù)測性維護(hù)決策技術(shù)是最終要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，該技術(shù)基于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障維修數(shù)據(jù)等信息，以最小的維修停機(jī)損失和最少的維修資源消耗為目標(biāo)，制定塔式起重機(jī)重要功能部件的定量系統(tǒng)維護(hù)策略。通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專家評估、定量建模等技術(shù)手段，確定塔式起重機(jī)系統(tǒng)功能部件的維護(hù)周期，從而有效降低人力物力，大量節(jié)約成本。

同時(shí)，結(jié)合監(jiān)測技術(shù)、信息管理、灰色預(yù)測、多目標(biāo)理論、可靠性建模、動(dòng)態(tài)決策、機(jī)會維護(hù)等技術(shù)方法的交叉與耦合，進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)測性維護(hù)決策的準(zhǔn)確性和適用性。通過這些技術(shù)手段的綜合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)械的預(yù)測性維護(hù)決策，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、高效的設(shè)備維護(hù)和管理。

4? ?結(jié)束語

隨著傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，塔式起重機(jī)健康監(jiān)測將重點(diǎn)解決傳感器選點(diǎn)、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)表示與診斷預(yù)測、機(jī)構(gòu)健康狀態(tài)表示和診斷預(yù)測等關(guān)鍵問題，以及電氣控制系統(tǒng)健康狀態(tài)表征和診斷預(yù)測。采用基于監(jiān)測大數(shù)據(jù)的設(shè)備預(yù)測性維修決策，改變了傳統(tǒng)的定期維修和后期維修模式，有利于優(yōu)化維修周期和維修模式，降低人員和材料成本。

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