王友權(quán)

摘要：門式起重機(jī)的橋架通過(guò)兩側(cè)支腿坐落到軌道，是一種大型起重設(shè)備，有著很高的生產(chǎn)運(yùn)行效率，需要持續(xù)進(jìn)行起重吊裝作業(yè)，主要用于大型貨物裝卸工作，需要較大的跨度，工作環(huán)境十分惡劣，需要承擔(dān)繁重的起重任務(wù)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷是十分必要的。本文從通用門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)入手，GA-BP的齒輪箱故障診斷方法、行車電氣設(shè)備專家系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行深入地分析與研究，可供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：門式起重機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);故障診斷;開(kāi)發(fā)

0 ?引言

隨著我國(guó)商品貿(mào)易規(guī)模的不斷變大，門式起重機(jī)需求和使用量變得愈多，從多部門的調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)看，門式起重機(jī)為特種設(shè)備類故障的40%，但門式起重機(jī)故障監(jiān)測(cè)和診斷功能還需要進(jìn)一步提升，多依賴于維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查和判斷來(lái)對(duì)起重機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并識(shí)別是否存在故障，而門式起重機(jī)工作強(qiáng)度比較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，會(huì)存在著較大的安全隱患。采用門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，可以對(duì)起重機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷，及時(shí)通知維護(hù)人員對(duì)故障進(jìn)行處理，提高起重機(jī)運(yùn)行安全性，有效減小人員傷亡。

1 ?通用門式起重機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷，為用戶提供很好的使用體驗(yàn)，應(yīng)該保證系統(tǒng)具備如下功能：

①用戶管理。隨著門式起重機(jī)需要多機(jī)聯(lián)動(dòng)，起重機(jī)有著多用戶使用的特點(diǎn)，需要對(duì)多用戶進(jìn)行有效地管理，可以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行管理，可以對(duì)用戶信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和注冊(cè)。

②起重機(jī)械管理。對(duì)于復(fù)雜的起重吊裝作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)由多臺(tái)起重機(jī)同時(shí)進(jìn)行作業(yè)，需要對(duì)起重機(jī)進(jìn)行專業(yè)化的管理，對(duì)需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的起重機(jī)進(jìn)行注冊(cè)，并根據(jù)使用要求配置監(jiān)測(cè)和診斷方案，保證后續(xù)的監(jiān)測(cè)可以正常應(yīng)用。

③狀態(tài)監(jiān)測(cè)。為了對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變化可視化圖表，保證數(shù)據(jù)信息可以實(shí)時(shí)傳輸和加載。

④數(shù)據(jù)分析。對(duì)起重機(jī)獲取到的數(shù)據(jù)信息，利用時(shí)域波形對(duì)故障情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也利用頻域或其它分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，維護(hù)保養(yǎng)人員可以從多個(gè)角度對(duì)起重機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行觀察與分析。

⑤故障診斷。門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)多而復(fù)雜，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的故障診斷模塊，可以更好地了解起重機(jī)故障情況，為保證門式起重機(jī)安全運(yùn)行提供保障。

⑥運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警。起重機(jī)運(yùn)行電流是否在合理區(qū)間，支腳應(yīng)力是否正常等都需要通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行預(yù)警，可對(duì)超出上限或閾值的參數(shù)進(jìn)行報(bào)警，更好地保證起重的運(yùn)行安全。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用C/S模式建立起門式起重機(jī)系統(tǒng)，維護(hù)起來(lái)比較復(fù)雜，不具備較高的兼容性，需要將配套的硬件安裝完成后方可以使用。而遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷可實(shí)現(xiàn)對(duì)門式起重機(jī)的全面監(jiān)測(cè)，可以進(jìn)入到管理系統(tǒng)對(duì)起重機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行診斷。本設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)方式，經(jīng)過(guò)Web編程利用電腦、手機(jī)終端來(lái)查看界面，可以隨時(shí)登錄系統(tǒng)，方便對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

需要對(duì)門式起重機(jī)安裝多個(gè)傳感器，可以滿足數(shù)據(jù)采集的需要，將獲取到的運(yùn)行數(shù)據(jù)信息發(fā)送數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，通過(guò)Web服務(wù)器來(lái)為用戶提供后臺(tái)服務(wù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和客戶終端進(jìn)行連接，滿足系統(tǒng)信息交互和處理的要求。采用該架構(gòu)可以在電腦、手機(jī)等終端中對(duì)運(yùn)行界面進(jìn)行查看，可以更為方便地進(jìn)入到界面進(jìn)行故障診斷與監(jiān)測(cè)，通過(guò)圖表來(lái)查看起重機(jī)運(yùn)行情況，還能調(diào)用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 ?GA-BP的齒輪箱故障診斷方法研究

2.1 齒輪箱故障特征與振動(dòng)機(jī)理分析

齒輪箱是門式起重機(jī)關(guān)鍵的動(dòng)力傳輸部件，主要由軸、齒輪等多個(gè)部件構(gòu)成，能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)影響到門式起重機(jī)運(yùn)行，會(huì)受到制造精度、不合理潤(rùn)滑、過(guò)載運(yùn)行等多種因素的影響，會(huì)使變速箱出現(xiàn)損傷。從故障損壞故障調(diào)查統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，齒輪失效問(wèn)題比較嚴(yán)重，為總故障的60%，再就是軸承故障率為20%，是齒輪箱故障最多的兩種類型，需要對(duì)上述兩種故障和特征進(jìn)行分析。

齒輪振動(dòng)主要存在軸向、徑向和周向振動(dòng)，還存在著固有振動(dòng)、故障振動(dòng)等，故障信息會(huì)反饋到齒輪振動(dòng)信號(hào)中，在時(shí)域中無(wú)法查看到，在頻域中具在調(diào)幅、調(diào)頻、附加脈沖和隱含譜線方面有著不同的特征。齒輪產(chǎn)生正常振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生嚙合頻率、高階諧波振動(dòng)信號(hào)。如果齒輪產(chǎn)生局部故障，則振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)幅、調(diào)頻現(xiàn)象。

滾動(dòng)軸承不同部位出現(xiàn)故障，每個(gè)接觸點(diǎn)的部位頻率有著很大的差異，需要結(jié)合故障部位頻率來(lái)識(shí)別，故障特征頻率為主要信息。但滾動(dòng)軸承故障機(jī)理十分復(fù)雜，故障特征頻率會(huì)與理論值相互間形成較小的偏差，在誤差允許區(qū)間內(nèi)，振動(dòng)信號(hào)有轉(zhuǎn)頻形成的諧振信號(hào)、周期性沖擊信號(hào)。

2.2 基于GA的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的齒輪箱故障診斷方法研究

GA也就是人們常說(shuō)的遺傳算法，是通過(guò)對(duì)生物遺傳和變異來(lái)適應(yīng)自然環(huán)境，形成的全局尋優(yōu)算法，可以具備很好的適應(yīng)能力，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。是通過(guò)上代基礎(chǔ)上選擇并保留最優(yōu)的群體，使群體向著最優(yōu)方向變異和進(jìn)化，由編碼方法、遺傳算子、適應(yīng)度函數(shù)和GA參數(shù)構(gòu)成。BP是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合反向誤差來(lái)對(duì)傳遞訓(xùn)練權(quán)值和閾值進(jìn)行計(jì)算，由輸入、隱含和輸出三個(gè)層構(gòu)成，本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行診斷，有著對(duì)復(fù)雜情況進(jìn)行識(shí)別的性能，可以對(duì)多維函數(shù)映射進(jìn)行體現(xiàn)，充分結(jié)合GA算法的優(yōu)勢(shì)，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，可以提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的效率，也可以解決BP局收斂問(wèn)題。

2.3 基于MCA的齒輪箱故障特征提取研究

MCA是形態(tài)分量分析的簡(jiǎn)稱，是用于分圖像不同形態(tài)分量的方法，可以把圖像紋理和光滑部分實(shí)現(xiàn)分離，也可以用于對(duì)圖像工具的修得，MCA算法確定出接近于真實(shí)解的最小化任務(wù)，生成簡(jiǎn)化的問(wèn)題來(lái)確定最為有效算法，采用稀疏表示項(xiàng)來(lái)應(yīng)用軟閾值法。

2.4 基于MCA優(yōu)化的齒輪箱故障診斷

為了更為深化地對(duì)齒輪故障機(jī)理進(jìn)行分析，可以將齒輪裕度指標(biāo)、峰值因數(shù)、脈沖指標(biāo)等作為特征參數(shù)，峰值因數(shù)不會(huì)受到振動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行速度等影響，可以用于對(duì)齒輪箱故障的診斷，峭度是故障概率密度分布的度量，可以體現(xiàn)出信號(hào)沖擊，該數(shù)值大則表示幅值分布更為集中。齒輪正常運(yùn)行、磨損和損傷等狀態(tài)下的時(shí)域圖，可以完整地觀察到故障沖擊分量混雜情況。利用MCA獲取到磨損狀態(tài)下振動(dòng)沖擊信號(hào)特征，結(jié)合特征參數(shù)應(yīng)用MCA法來(lái)對(duì)故障特征參數(shù)進(jìn)行處理，對(duì)正常情況特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)故障特征參數(shù)沒(méi)有顯著提升。

3 ?基于FTA的門式起重機(jī)行車電氣設(shè)備專家系統(tǒng)故障診斷研究

3.1 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法（FTA）也就是通過(guò)因果分析來(lái)對(duì)故障進(jìn)行展現(xiàn)的樹(shù)型結(jié)構(gòu)圖，把不希望發(fā)生的事情作為頂層事件，按著因果關(guān)系逐層開(kāi)展分析，通過(guò)樹(shù)狀圖形將故障結(jié)構(gòu)進(jìn)行清楚地表達(dá)。利用該分析法可以得到故障樹(shù)所有最小割集，進(jìn)而對(duì)頂層事件故障原因進(jìn)行深入分析，為一種簡(jiǎn)易有效的故障定性分析法。故障樹(shù)的形成應(yīng)該先收集研究對(duì)象技術(shù)、維修等方面的資料，將頂層事件相關(guān)部分尋找出來(lái)，結(jié)合故障樹(shù)的深度和廣度建立起故障樹(shù)模型。

3.2 專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與功能

所謂的專家系統(tǒng)，也就是利用具有知識(shí)和推理能力的計(jì)算機(jī)程序，在對(duì)故障定性分析中得到了大量的應(yīng)用。需要求解的知識(shí)不會(huì)隱藏在程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，需要建立起新型的知識(shí)庫(kù)，該種分離處理方式對(duì)問(wèn)題求解和故障診斷都帶來(lái)很大的便利。

專家系統(tǒng)中的推理，是結(jié)合規(guī)則或事實(shí)來(lái)對(duì)其它過(guò)程的判斷，結(jié)合相應(yīng)的判斷作為推理的基礎(chǔ)，通過(guò)正向、反向的演繹推理，采取沖突消解策略。在有啟發(fā)信息條件下，按照問(wèn)題求解特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的排序解決方法，在函數(shù)存在沖突時(shí)出進(jìn)行排序，以不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。

3.3 基于FTA的門式起重機(jī)行車電氣設(shè)備專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將故障樹(shù)分析作為基礎(chǔ)的門式起重機(jī)專家系統(tǒng)，從知識(shí)的獲取到知識(shí)庫(kù)的建立，是進(jìn)行專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)建立的前提條件。通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，了解起重機(jī)廠商技術(shù)手冊(cè)，對(duì)故障診斷相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，與特種設(shè)備檢測(cè)維修方面的專業(yè)人員進(jìn)行交流，然后將獲取到的專家知識(shí)用產(chǎn)生式表示法體現(xiàn)出來(lái)，對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行編輯存儲(chǔ)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表征，再利用框架表示法來(lái)體現(xiàn)出故障樹(shù)邏輯關(guān)系。

4 ?結(jié)論

門式起重機(jī)采用B/S架構(gòu)來(lái)建立起無(wú)程監(jiān)測(cè)和故障診斷，可以解決傳統(tǒng)故障診斷和數(shù)據(jù)分析不足的問(wèn)題，有著很好的實(shí)用性和人機(jī)交互性，方便用戶對(duì)門式起重機(jī)進(jìn)行管理，有著很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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