工程机械塔吊电机振动故障诊断系统的开发.pdf
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1、科学技术创新 2023.26工程机械塔吊电机振动故障诊断系统的开发魏万花(甘肃第七建设集团股份有限公司,甘肃 兰州)引言过去的十几年中,在国家政策的支持及行业的不断创新和求进的激励下,塔吊行业的发展已出现了明显的突破。通过对 2020 年-2025 年中国机械塔吊市场需求的统计、调研与分析,明确了未来塔吊市场的发展方向,并对其在房地产、市政、交通、电力、水利、冶金、石油化工等领域的发展趋势进行了预测,发现塔吊行业在经济市场内的未来发展态势将持续走高1。据了解,目前,国家水利水电项目已完成超过 1.5亿元的建设投资,该项目在未来十年内,将持续进行资金的投入。为确保水利水电工程项目的顺利施工,预期
2、未来市场对工程施工中所需要的机械塔吊设备需求量将呈现持续走高的趋势2。因此,在今后的塔吊行业中,抢占制高点,才是获得最大利益的最佳途径。目前,大多数施工单位都加大了塔吊设备的运行管理工作投入,并安排了专门的技术人员负责此项工作,但在阶段性实践工作中发现,大部分塔吊运营企业的管理模式存在缺陷,也正由于塔吊管理的不完善,导致其投产使用后还存在着安全隐患。为发挥机械塔吊更高的商业价值,实现对塔吊运行故障的及时排查与处理,下文将基于计算机工程角度,对塔吊的故障诊断系统展开设计。1系统总体设计根据大量的调研与实地调查发现,造成塔吊运行中安全事故的原因较多,主要原因是管理部门对此类特殊装备的健康和安全监测
3、不足,无法及时检测出其运行故障,导致塔吊的维修保养工作滞后,使其使用与操作存在诸多安全隐患。为解决此方面问题,下文将对塔吊运行中电机的故障诊断系统展开设计3。设计过程中,引进 B/S 架构作为支撑,为满足系统设计时的可伸缩性需求,将系统中的故障诊断程序部署在服务器端,由系统后台进行塔吊电机在运行中的监测、信息管理,以此种方式,控制并减少塔吊电机振动故障诊断中信息的耦合,实现对其监测与故障诊断过程的规范化4。系统的总体设计见图 1。图 1系统总体设计2系统设计2.1工程机械塔吊电机振动数据采集与传输结合工程机械塔吊电机的运行特点,用振动量实现对振动强弱的衡量。以某工程机械塔吊电机振动曲线图为例,
4、对振动大小的表示方式进行说明,如图 2所示5。摘要:为及时识别塔吊电机的故障问题,开展工程机械塔吊电机振动故障诊断系统的开发研究。确定系统总体结构,通过工程机械塔吊电机振动数据采集与传输、电机振动故障诊断,完成系统设计。将新的诊断系统应用于实际,通过系统详细操作与振动故障诊断数据得出新的诊断系统可以实现对塔吊电机振动故障的及时、准确识别,对于促进工程机械塔吊电机的运行安全性提升具有极大帮助。关键词:工程机械;塔吊;电机;振动;监测;故障诊断中图分类号院TU61文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤26-0164-04作者简介:魏万花(1982-),女,本科,副高级工程师,从事建
5、筑机械工作。164-2023.26 科学技术创新图 2振动峰峰值示意图 2 中,单峰值是指机械瞬时承受冲击的振动量;峰峰值是指机械振动产生的位移量;平均值是指某段时间内振动量的平均值;有效值是指在某段时间内承受的振动能量。在对工程机械塔吊电机振动数据采集时需要对产生的振动加速度信号进行处理。在电机上安装了一个加速度传感器,将检测到的数据以无线方式发送到主控计算机,再由主控计算机进行处理。在此基础上,通过计算机软件对后续的报警输出、多分类、智能算法等功能进行二次开发。采样频率越大,则采样的密集程度越高,获得的数据信号更接近原始信号6。图 3为信号采集的基本原理。图 3信号采集的基本原理通过 Zi
6、gbee 技术实现数据的通讯,实现数据的透明传输。在 Zigbee 技术中的 WDT 设计可以保证系统的稳定性。同时,Zigbee 提供了 TTL 串行接口和 SPI接口。为实现对现场数据链路的进一步优化,通过NB-IoT 技术的应用可以将传感器采集到的数据直接传输到云端服务器当中。NB-IOT 的带宽很窄,仅有200 kHz。在终端发送窄带信号时,可提高信号的频谱密度、覆盖率和频谱利用率。在同一报文中,多次发送同一报文,可以提高覆盖范围。此外,这种方法还可以减少端子的激活率和端子的基带复杂性。2.2电机振动故障诊断将从塔吊电机定时采集的振动值,包括速度、加速度等,按时间点进行录入与规范化存储
7、,通过此种方式,可以实现对电机运行历史数据与故障状态的展示分析。通过此种方式,可以以一种更加直观的方式,监测塔吊在运行中其内部电机构件的振动情况,如无外界干预的条件下,塔吊中电机构件在运行中的振动主要由三种状态构成,分别为下降状态、上升状态、平稳状态,每个收集定义都可以用它来做一个倾向分析7。上升表明装置振动较大,有可能是装置发生了故障。平稳说明电机运行稳定,没有太大的起伏。下降表明在维修后,设备的状况有了改善。针对每一个数据点对应采集的一组波形数据,可通过采集的波形计算得出有效值 RMS。在实际测量中,时域波形通常是由多个不同频率、不同幅度、不同初相的正弦信号所组成,而非单一的正弦信号8。时
8、频波是振动信号的第一个来源,通常情况下,振动传感器的信号都是时频波。通过时域波形分析,可以对装置的故障作出初步的判断。表 1 中记录了工程机械塔吊电机常见故障特征。表 1工程机械塔吊电机常见故障特征对吊塔电机在运行中的数据进行定时、定点采集,在此基础上,根据得到的电机振动数据,明确塔吊中电机构件的振动形式与振动信号发展趋势,以此为依据,结合表 1 所述的内容,确定故障类型。在此基础上,结合傅里叶对信号的转换方式,进行 x(n)的频谱在0,2范围内上 N 个点等间隔采集,即可以看作是对序列频谱的离散化处理。这一过程用公式表示如式(1)式(3)所示。(1)(2)(3)式(1)式(3)中:X(ej棕
9、)代表频谱;N 代表傅里叶变换点数,同样也代表傅里叶变换频率轴上的频率取值的间隔;k 代表变换系数;代表采样频率;n 代表采样数量。在不明确信号特征的情况下,同时又需要进行时域平滑窗处理时,可选用 Hannng 窗,在其他情况下可No 故障 特征 1 不对中 振动波形较为稳定、光滑,重复性良好 2 摩擦 存在等距离的冲击特性,其中的脉冲波具有一定的削波特点 3 电机中的转子 发生松动现象 构件的整体振动反馈波形显示较为毛糙、不平滑,稳定性较差,并且还可能出现削波 4 不平衡 等距离的尖脉冲冲击特征,存在削波或正弦波 ()0,1()jjX enNx n en()0,1()nX znNx n z(
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