一種起重機應力、振動監測系統研究應用

李書強 宋 浩,2 焦 松 丁云鵬

1青島海西重機有限責任公司 青島 266000 2青島理工大學 青島 266520

0 引言

起重機由于其場地利用率高、作業范圍大、適應面廣、通用性強等特點被廣泛應用于港口裝備制造，港口碼頭、建筑等行業。由于長期處于高負荷、高利用率狀況，實際工況惡劣，故起重機的結構、機構健康檢測尤為重要，老舊設備升級改造難度大。隨著作業環境的變化（勞動力越來越少、人工成本的增加、作業效率的提高，維修時間的緊張、設備自動化程度的提高），要求由原來的被動維修模式向預防性維修和主動維修模式轉變，以降低維修成本，提高維修效益。傳統的維修模式根據設備運行周期定期進行檢查，檢查形式一般為維修人員到現場以目測或借助相關工具進行檢查。結構、機構健康在線監測系統的應用將徹底改變以上維修模式[1]。

1 系統組成

1.1 系統簡介

振動、溫度及應力在線監測系統中包含了振弦式應力傳感器技術、振動及溫度傳感器技術、監測采集技術、無線通信技術以及計算機軟件開發技術。該系統以振弦式應力傳感器技術、振動及溫度傳感器技術對起重機的健康狀態進行數據采集，利用監測采集技術、無線通信技術將數據及時的匯總到上位機，通過計算機軟件開發技術將起重機的健康狀態及時直觀地呈現給管理人員，真正做到了實時數據的監測、采集、輸出，保證了監測起重機結構健康狀態的時效性，并極大地方便設備維護管理。

1.2 應力監控系統

應變力監測系統主要由CKD51-YB2應變計傳感器、智能傳輸模塊、應變力網關和上位機等組成。應變計傳感器用于采集現場應變數據，與智能傳輸模塊配套使用，智能傳輸模塊內有獨立的電池供電，采用超低功耗和無線傳輸技術，可實現應變計傳感器的傳感、信號采集、通信及供電的一體化，將應變信號傳輸給應變力網關。應變力網關對所覆蓋區域內的智能傳感器進行通訊和數據采集，應變力網關通過有線以太網方式與上位機連接，將應變數據上傳到監測上位機內。

應變力監測系統中應力檢測點的選取很重要，好的應力檢測點可在線監測結構的損傷狀態，預測結構可能的失效形式，揭示結構破壞失效的機理，為起重機金屬結構主體的金屬疲勞研究提供依據[2]。圖1為岸邊集裝箱橋式起重機的關鍵應力點檢測位置，表1為檢測原因。

圖1 岸邊集裝箱橋式起重機金屬結構測點布置圖

表1 測點位置說明

1.3 振動溫度檢測系統

振動溫度檢測主要由無線振動溫度傳感器（QM42VT1）、振動溫度傳感器節點和無線數傳網關等組成。振動溫度傳感器所采集到的數據通過傳感器節點傳遞給無線數傳網關，網關通過有線以太網方式與上位機連接，將振動溫度數據上傳到監測上位機內。以岸邊集裝箱橋式起重機起升機構為例，振動溫度點檢測位置如圖2所示。

圖2 起升機構振動溫度點檢測位置圖

2 實施方案

應力傳感器檢測點的合理選取是評估起重機整機工作狀態的重要基礎。在有限元計算基礎上對比各計算工況，從結構受力狀態、受力形式、重要程度、疲勞、剛度等方面綜合考慮，選取最易產生危險的單元作為檢測點。隨后將振弦式應力傳感器放置在此位置，既可對起重機的整體結構進行實時監測，又能重點監測易損位置，保證整體及局部同時兼顧，提高系統的可靠性。修改傳感器程序，設置接口數據，校準基準點，修改網關程序，建立一種起重機－應力傳感器－應力節點－應力網關－網絡交換機－計算機的監測通訊系統。應力監測系統圖如圖3所示。

振動及溫度傳感器通過對起升機構減速器關鍵部位振動數據的采集、分析和診斷，實時掌握減速器運行情況，及時指導維修、維護，保證系統安全平穩運行，綜合分析減速器結構特點及振動傳遞路徑后，選擇高、低速軸安裝傳感器測量振動情況。設置無線節點、網關、光電轉換模塊、修改數據寄存器。建立一種起重機－振動傳感器－振動節點－振動網關－網絡交換機－計算機的監測通訊系統。振動溫度監測系統圖如圖3所示。

圖3 應力及振動溫度監控系統圖

通過搭建有線網絡、設置無線網絡、安裝設置、調試和測試起重機與辦公樓無線網絡設備組成的網絡通訊系統，其中有線網絡接口為RJ45，通訊協議為標準的Modbus TCP通訊協議，將在線監測軟件對數據進行解碼。例如接收數據：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為回數字節數；00 2E 00 6C 06 25 02 06 00 47 00 B6為傳出字節數；BD F3為CRC-16的高低位。最后將整段數據與QM42VT1傳感器寄存器表進行分析得出數據的實際數值（見圖4），轉換為容易識別和理解的直觀數據或圖像。系統通訊網絡總圖如圖5所示，應力監測數據如圖6所示，振動、溫度監測數據如圖7、圖8所示。數據可通過設置閾值進行報警，并經分析提取故障特征供管理人員參考。

圖4 檢測數據分析圖

圖5 通訊網絡總圖

圖6 應力監測數據

圖7 振動監測數據

圖8 溫度監測數據

3 結語

該系統實施方便，可對起重機鋼結構、重要機構進行實時動態監測，預警起重機設備發生故障，對未發生的故障及早做出防范，節省了維修成本約，可減少操作設備檢查維護人員的工作強度，更便于維護，且監視設備的數據具有實時性，可及時發現故障問題。由此，將顯著改善起重機的監管現狀，提高設備管理的現代化水平。