工程機械塔吊電機振動故障診斷系統的開發

魏萬花

（甘肅第七建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州）

引言

過去的十幾年中，在國家政策的支持及行業的不斷創新和求進的激勵下，塔吊行業的發展已出現了明顯的突破。通過對2020 年-2025 年中國機械塔吊市場需求的統計、調研與分析，明確了未來塔吊市場的發展方向，并對其在房地產、市政、交通、電力、水利、冶金、石油化工等領域的發展趨勢進行了預測，發現塔吊行業在經濟市場內的未來發展態勢將持續走高[1]。據了解，目前，國家水利水電項目已完成超過1.5億元的建設投資，該項目在未來十年內，將持續進行資金的投入。為確保水利水電工程項目的順利施工，預期未來市場對工程施工中所需要的機械塔吊設備需求量將呈現持續走高的趨勢[2]。因此，在今后的塔吊行業中，搶占制高點，才是獲得最大利益的最佳途徑。

目前，大多數施工單位都加大了塔吊設備的運行管理工作投入，并安排了專門的技術人員負責此項工作，但在階段性實踐工作中發現，大部分塔吊運營企業的管理模式存在缺陷，也正由于塔吊管理的不完善，導致其投產使用后還存在著安全隱患。為發揮機械塔吊更高的商業價值，實現對塔吊運行故障的及時排查與處理，下文將基于計算機工程角度，對塔吊的故障診斷系統展開設計。

1 系統總體設計

根據大量的調研與實地調查發現，造成塔吊運行中安全事故的原因較多，主要原因是管理部門對此類特殊裝備的健康和安全監測不足，無法及時檢測出其運行故障，導致塔吊的維修保養工作滯后，使其使用與操作存在諸多安全隱患。為解決此方面問題，下文將對塔吊運行中電機的故障診斷系統展開設計[3]。

設計過程中，引進B/S 架構作為支撐，為滿足系統設計時的可伸縮性需求，將系統中的故障診斷程序部署在服務器端，由系統后臺進行塔吊電機在運行中的監測、信息管理，以此種方式，控制并減少塔吊電機振動故障診斷中信息的耦合，實現對其監測與故障診斷過程的規范化[4]。系統的總體設計見圖1。

圖1 系統總體設計

2 系統設計

2.1 工程機械塔吊電機振動數據采集與傳輸

結合工程機械塔吊電機的運行特點，用振動量實現對振動強弱的衡量。以某工程機械塔吊電機振動曲線圖為例，對振動大小的表示方式進行說明，如圖2所示[5]。

圖2 振動峰峰值示意

圖2 中，單峰值是指機械瞬時承受沖擊的振動量；峰峰值是指機械振動產生的位移量；平均值是指某段時間內振動量的平均值；有效值是指在某段時間內承受的振動能量。

在對工程機械塔吊電機振動數據采集時需要對產生的振動加速度信號進行處理。在電機上安裝了一個加速度傳感器，將檢測到的數據以無線方式發送到主控計算機，再由主控計算機進行處理。在此基礎上，通過計算機軟件對后續的報警輸出、多分類、智能算法等功能進行二次開發。采樣頻率越大，則采樣的密集程度越高，獲得的數據信號更接近原始信號[6]。圖3為信號采集的基本原理。

圖3 信號采集的基本原理

通過Zigbee 技術實現數據的通訊，實現數據的透明傳輸。在Zigbee 技術中的WDT 設計可以保證系統的穩定性。同時，Zigbee 提供了TTL 串行接口和SPI接口。為實現對現場數據鏈路的進一步優化，通過NB-IoT 技術的應用可以將傳感器采集到的數據直接傳輸到云端服務器當中。NB-IOT 的帶寬很窄，僅有200 kHz。在終端發送窄帶信號時，可提高信號的頻譜密度、覆蓋率和頻譜利用率。在同一報文中，多次發送同一報文，可以提高覆蓋范圍。此外，這種方法還可以減少端子的激活率和端子的基帶復雜性。

2.2 電機振動故障診斷

將從塔吊電機定時采集的振動值，包括速度、加速度等，按時間點進行錄入與規范化存儲，通過此種方式，可以實現對電機運行歷史數據與故障狀態的展示分析。通過此種方式，可以以一種更加直觀的方式，監測塔吊在運行中其內部電機構件的振動情況，如無外界干預的條件下，塔吊中電機構件在運行中的振動主要由三種狀態構成，分別為下降狀態、上升狀態、平穩狀態，每個收集定義都可以用它來做一個傾向分析[7]。上升表明裝置振動較大，有可能是裝置發生了故障。平穩說明電機運行穩定，沒有太大的起伏。下降表明在維修后，設備的狀況有了改善。針對每一個數據點對應采集的一組波形數據，可通過采集的波形計算得出有效值RMS。在實際測量中，時域波形通常是由多個不同頻率、不同幅度、不同初相的正弦信號所組成，而非單一的正弦信號[8]。時頻波是振動信號的第一個來源，通常情況下，振動傳感器的信號都是時頻波。通過時域波形分析，可以對裝置的故障作出初步的判斷。表1 中記錄了工程機械塔吊電機常見故障特征。

表1 工程機械塔吊電機常見故障特征

對吊塔電機在運行中的數據進行定時、定點采集，在此基礎上，根據得到的電機振動數據，明確塔吊中電機構件的振動形式與振動信號發展趨勢，以此為依據，結合表1 所述的內容，確定故障類型。在此基礎上，結合傅里葉對信號的轉換方式，進行x（n）的頻譜在[0，2π]范圍內上N 個點等間隔采集，即可以看作是對序列頻譜的離散化處理。這一過程用公式表示如式（1）～式（3）所示。

式（1）～式（3）中：X（ejω）代表頻譜；N 代表傅里葉變換點數，同樣也代表傅里葉變換頻率軸上的頻率取值的間隔；k 代表變換系數；z代表采樣頻率；n 代表采樣數量。在不明確信號特征的情況下，同時又需要進行時域平滑窗處理時，可選用Hannng 窗，在其他情況下可選用Hamming 窗。在此基礎上，對于塔吊電機在運行中存在的軸承不平衡現象，可以在獲取電機波形信號后，結合工程具體情況，進行double數組頻率的計算。針對計算結果進行頻譜圖展示，并計算得出頻譜分辨率，通過HighChart 組件進行繪圖，根據圖像顯示實現對塔吊電機振動故障的診斷。

3 系統詳細操作與振動故障診斷數據分析

在深入塔吊機械工程租賃市場的調研中發現，部分企業單位由于缺少專門的技術操作人員，也沒有專業的維修、維護、技術監督人員，這便給工程建設中的機械塔吊應用帶來了較大的安全隱患。

針對此方面問題，上文完成了針對塔吊電機的振動故障診斷，為明確該系統的應用，對系統的詳細操作步驟進行分析。

第一步：登錄系統。用戶只需在網絡檢索欄中輸入相應的地址即可進入用戶登錄界面。在右邊的登錄窗口，只需輸入個人的帳號、密碼，然后按下“登陸”按鈕，后臺就會檢查輸入的帳號、密碼是否正確，如顯示“輸出正確”，便可以登陸系統的首頁。若顯示“輸出錯誤”，未通過身份驗證，則需重新輸入帳號密碼，直到輸入正確的信息。

第二步：功能展示。在系統的主頁面，可以查看各種有關塔吊在作業工況、基本運行情況等。

第三步：塔吊設備部件管理。在塔吊部件信息管理頁中，界面將對部件的重要參數進行詳細地展示。比如產品編號、名稱、型號等。如果一個元件有很多資料展示，這一部份的資料或資訊可能會應要求而被篩選。在搜索框中，用戶可以輸入零件的編碼或名稱，然后點擊查詢，后臺可以以輸入的信息為基礎，對零件進行模糊查詢或輸入更多的信息在模糊查詢結果中進行內容的精準篩查與定位，并將匹配的數據顯示在頁面上，供用戶瀏覽。

第四步：塔吊電機振動波形展示與分析。此步驟是該系統的核心，設計中，此部分程序以WebApi 接口進行連接，塔吊電機在運行中，振動數據將根據預設周期進行反饋，通常情況下，數據的反饋格式為JSON格式，此格式的數據可以直接解析。無故障、存在故障的塔吊電機振動波形如圖4、圖5 所示。

圖4 無故障的塔吊電機振動波形

圖5 存在故障的塔吊電機振動波形

將反饋的塔吊電機振動波形圖與知識庫中的無故障、存在故障的塔吊電機振動波形圖進行比對，以此種方式，便可以掌握塔吊電機是否在運行中存在故障。

結束語

塔式吊車是一種對安全性能有較高要求的大型工程機械設備，其使用與工程施工及人員的安全密切相關。在施工中，由于操作人員的原因，一旦電機設備出現故障，不僅會對施工進度造成很大影響，甚至會造成重大的安全事故。塔吊使用過程中，由于制動裝置（電機）的轉速降低，使得其運行速度降低，從而導致工作效率降低，甚至無法正常工作，這就需要對電機進行故障診斷。

在長期的運行中，設備會出現老化、失效現象，加之工程管理方缺乏對電機、軸承和齒輪等工程機械設備中易損件的加油、潤滑和維護等，這些易損件將在發生微小故障后繼續劣化，并在較長時間內帶病的狀態下作業，由早期的小故障發展到中期的齒輪和軸承的損傷，最終發展到設備的失效，進而引起設備的連鎖故障和事故。為解決此方面問題，本文開展了此次研究，希望能夠通過此次的研究，真正意義上解決塔吊在使用與操作中的安全問題，實現對其運行中故障進行及時診斷的同時，發揮塔吊機械設備更高的商用價值。