一種起重機(jī)應(yīng)力、振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究應(yīng)用

李書(shū)強(qiáng) 宋 浩,2 焦 松 丁云鵬

1青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266000 2青島理工大學(xué) 青島 266520

0 引言

起重機(jī)由于其場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于港口裝備制造，港口碼頭、建筑等行業(yè)。由于長(zhǎng)期處于高負(fù)荷、高利用率狀況，實(shí)際工況惡劣，故起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)健康檢測(cè)尤為重要，老舊設(shè)備升級(jí)改造難度大。隨著作業(yè)環(huán)境的變化（勞動(dòng)力越來(lái)越少、人工成本的增加、作業(yè)效率的提高，維修時(shí)間的緊張、設(shè)備自動(dòng)化程度的提高），要求由原來(lái)的被動(dòng)維修模式向預(yù)防性維修和主動(dòng)維修模式轉(zhuǎn)變，以降低維修成本，提高維修效益。傳統(tǒng)的維修模式根據(jù)設(shè)備運(yùn)行周期定期進(jìn)行檢查，檢查形式一般為維修人員到現(xiàn)場(chǎng)以目測(cè)或借助相關(guān)工具進(jìn)行檢查。結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用將徹底改變以上維修模式[1]。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

振動(dòng)、溫度及應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中包含了振弦式應(yīng)力傳感器技術(shù)、振動(dòng)及溫度傳感器技術(shù)、監(jiān)測(cè)采集技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。該系統(tǒng)以振弦式應(yīng)力傳感器技術(shù)、振動(dòng)及溫度傳感器技術(shù)對(duì)起重機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用監(jiān)測(cè)采集技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)及時(shí)的匯總到上位機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)將起重機(jī)的健康狀態(tài)及時(shí)直觀地呈現(xiàn)給管理人員，真正做到了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集、輸出，保證了監(jiān)測(cè)起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的時(shí)效性，并極大地方便設(shè)備維護(hù)管理。

1.2 應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)

應(yīng)變力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由CKD51-YB2應(yīng)變計(jì)傳感器、智能傳輸模塊、應(yīng)變力網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)等組成。應(yīng)變計(jì)傳感器用于采集現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變數(shù)據(jù)，與智能傳輸模塊配套使用，智能傳輸模塊內(nèi)有獨(dú)立的電池供電，采用超低功耗和無(wú)線傳輸技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變計(jì)傳感器的傳感、信號(hào)采集、通信及供電的一體化，將應(yīng)變信號(hào)傳輸給應(yīng)變力網(wǎng)關(guān)。應(yīng)變力網(wǎng)關(guān)對(duì)所覆蓋區(qū)域內(nèi)的智能傳感器進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)采集，應(yīng)變力網(wǎng)關(guān)通過(guò)有線以太網(wǎng)方式與上位機(jī)連接，將應(yīng)變數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)上位機(jī)內(nèi)。

應(yīng)變力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)的選取很重要，好的應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)可在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)可能的失效形式，揭示結(jié)構(gòu)破壞失效的機(jī)理，為起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主體的金屬疲勞研究提供依據(jù)[2]。圖1為岸邊集裝箱橋式起重機(jī)的關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)檢測(cè)位置，表1為檢測(cè)原因。

圖1 岸邊集裝箱橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明

1.3 振動(dòng)溫度檢測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)溫度檢測(cè)主要由無(wú)線振動(dòng)溫度傳感器（QM42VT1）、振動(dòng)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)關(guān)等組成。振動(dòng)溫度傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞給無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)有線以太網(wǎng)方式與上位機(jī)連接，將振動(dòng)溫度數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)上位機(jī)內(nèi)。以岸邊集裝箱橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)為例，振動(dòng)溫度點(diǎn)檢測(cè)位置如圖2所示。

圖2 起升機(jī)構(gòu)振動(dòng)溫度點(diǎn)檢測(cè)位置圖

2 實(shí)施方案

應(yīng)力傳感器檢測(cè)點(diǎn)的合理選取是評(píng)估起重機(jī)整機(jī)工作狀態(tài)的重要基礎(chǔ)。在有限元計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)比各計(jì)算工況，從結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、受力形式、重要程度、疲勞、剛度等方面綜合考慮，選取最易產(chǎn)生危險(xiǎn)的單元作為檢測(cè)點(diǎn)。隨后將振弦式應(yīng)力傳感器放置在此位置，既可對(duì)起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，又能重點(diǎn)監(jiān)測(cè)易損位置，保證整體及局部同時(shí)兼顧，提高系統(tǒng)的可靠性。修改傳感器程序，設(shè)置接口數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，修改網(wǎng)關(guān)程序，建立一種起重機(jī)－應(yīng)力傳感器－應(yīng)力節(jié)點(diǎn)－應(yīng)力網(wǎng)關(guān)－網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)－計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)通訊系統(tǒng)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖如圖3所示。

振動(dòng)及溫度傳感器通過(guò)對(duì)起升機(jī)構(gòu)減速器關(guān)鍵部位振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、分析和診斷，實(shí)時(shí)掌握減速器運(yùn)行情況，及時(shí)指導(dǎo)維修、維護(hù)，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行，綜合分析減速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及振動(dòng)傳遞路徑后，選擇高、低速軸安裝傳感器測(cè)量振動(dòng)情況。設(shè)置無(wú)線節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、光電轉(zhuǎn)換模塊、修改數(shù)據(jù)寄存器。建立一種起重機(jī)－振動(dòng)傳感器－振動(dòng)節(jié)點(diǎn)－振動(dòng)網(wǎng)關(guān)－網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)－計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)通訊系統(tǒng)。振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)力及振動(dòng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)圖

通過(guò)搭建有線網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、安裝設(shè)置、調(diào)試和測(cè)試起重機(jī)與辦公樓無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，其中有線網(wǎng)絡(luò)接口為RJ45，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP通訊協(xié)議，將在線監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。例如接收數(shù)據(jù)：01 03 0C 00 2E 006C 06 25 02 06 00 47 00 B6 BD F3。其中01為從站地址；03為功能代碼；0C為回?cái)?shù)字節(jié)數(shù)；00 2E 00 6C 06 25 02 06 00 47 00 B6為傳出字節(jié)數(shù)；BD F3為CRC-16的高低位。最后將整段數(shù)據(jù)與QM42VT1傳感器寄存器表進(jìn)行分析得出數(shù)據(jù)的實(shí)際數(shù)值（見(jiàn)圖4），轉(zhuǎn)換為容易識(shí)別和理解的直觀數(shù)據(jù)或圖像。系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)總圖如圖5所示，應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示，振動(dòng)、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7、圖8所示。數(shù)據(jù)可通過(guò)設(shè)置閾值進(jìn)行報(bào)警，并經(jīng)分析提取故障特征供管理人員參考。

圖4 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析圖

圖5 通訊網(wǎng)絡(luò)總圖

圖6 應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)實(shí)施方便，可對(duì)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)、重要機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，預(yù)警起重機(jī)設(shè)備發(fā)生故障，對(duì)未發(fā)生的故障及早做出防范，節(jié)省了維修成本約，可減少操作設(shè)備檢查維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，更便于維護(hù)，且監(jiān)視設(shè)備的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題。由此，將顯著改善起重機(jī)的監(jiān)管現(xiàn)狀，提高設(shè)備管理的現(xiàn)代化水平。