通用门式起重机安全运行信息多维监控方案设计

夏常福+庆光蔚+胡静波

摘 要：为了防止桥门式起重机在运行过程中发生重大事故，减少设备的故障率，优化维修策略的制定，以通用门式起重机为例，制定了起重机多维度运行信息监测方案。文中围绕应力应变状态、起制动系统振动状态监测、运行参数量状态量采集和环境视频监控等监测需求，完成了传感器选型、布置和数据传输方案设计。软硬件安装调试结果证实，系统方案满足GB/T 28264-2012《起重机械安全监控管理系统》的技术性能要求。

关键词：起重机械；安全监控；应力应变；运行监测

中图分类号：TH231.5；TP272 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

作为一种生产型特种设备，起重机械一旦发生事故将造成人员和财产的巨大损失。据统计，起重机械伤害事故占全部工业企业伤亡事故的比例呈逐年上升趋势，高达15%左右。为此，国家逐渐重视起重机运行安全性保障措施的实施。2011年，国家质检总局发文明确规定，从2014年开始，在所有在用大型起重机械上安装安全监控管理系统。2015年底，尚未安装安全监控管理系统的大型起重机械已明令不予使用。

根据GB/T 28264-2012《起重机械安全监控管理系统》[1]的要求，本文针对真实通用门式起重机的运行状态量、运行参数量、应力应变、振动状态、视频信息等多方面设计了安全测控方案，以期及时掌握门式起重机多方位多维度运行信息，为起重机的安全作业提供可靠信息基础，避免设备日常管理、检验检测和维修策略制定的盲目性。

1 总体方案

门式起重机运行信息状态监控系统是获取起重机状态并对起重机进行安全预警和故障预警的基础，主要包括参数量监测、结构应力应变状态监测、振动状态监测、状态量监测、视频监控五个部分。設计过程涉及监测位置布置以及监控传感器选取。监控系统终端对拾取的传感器信号进行数据解析处理，根据预设的监测参数阈值判断起重机状态是否危险并报警。

监控方案设计以“江苏省大型起重机风险评价与结构损伤检测技术重点实验室”的MH01F型通用门式起重机实物为对象，如图1所示。基本参数见表1所列。

按GBT 28264-2012《起重机械安全监控管理系统》的要求，并结合门式起重机港口工作需求，设计了11个参数的数据采集，包括测点布置、传感器选择及数据传输方式。具体监测状态量、参数属性和使用传感器见表2所列。

2 应力应变状态监测

在起重机的每一次工作循环中，其相关机构要进行正反向各一次的运动，机构由此不断受到交变载荷作用[2]。因此须对其工作过程中机构的应力（包括动应力和静应力）状态进行监测。

2.1 测点位置选择

理想状态下测点越多越能反映结构应力的实际情况，但是工程测试环境一般不够理想，测点多必然带来较长的测试周期和麻烦[3]。结合门式起重机实际受力情况，其重点监测区域应在危险应力区，即均匀应力区应力集中区和弹性挠曲区；在主梁跨中结构最大应力处；使用过程中最不利工况下的最大应力处；有塑性变形可能产生裂纹或经常超载的位置。因此，监测系统的应力应变测点布置为跨中4个，1/4跨4个，支腿4个。

2.2 监测方法及传感器选型

系统采用主流的应变电测法进行应力监测。鉴于门式起重机工作在户外，工作环境恶劣且潮湿，状态监测需要长期监测，因此选用电阻式表面式应变计DH1205测量安装点的线性变形（应变）与应力。表面式应变计及应变数据采集器实物图如图2所示。

2.3 数据传输方案设计

起重机工作环境复杂且结构跨度较大，应变数据采集器通过无线WiFi方式将数据传输至操作室监测端，监测端通过企业局域网上传至服务器，进而可通过远程端访问服务器获取实时数据，传输拓扑结构如图3所示。

3 起制动系统振动状态监测

振动状态监测是起重机进行故障分析与诊断的必要环节，振动监测主要面向起重机的零部件，通过分析诊断零部件的振动状态来分析可能诱发的故障。目前起重机的振动状态监测重点一般集中在起升机构[4，5]、回转机构[6]，其他机构的电机、齿轮箱、小车等。门式起重机的起升机构如图4所示，主要包括主起升机构、副起升机构。主、副起升机构的减速箱布置于小车箱中，属故障易发部位，是振动状态检测的对象。

3.1 测点布置

测点位置将直接影响振动信号采集的准确率，因此其布置应能够对待监测设备进行全面详尽的描述，并且测点数量不宜过多。经验表明测点尽可能选在轴承直径上方并且与轴承外圈最靠近的地方。根据门式起重机起升机构的特点，本系统振动测点布置于图4所示主起升机构减速机与副起升机构减速机的输入轴上方。

3.2 传感器选择

合适的振动传感器类型也是监测系统的关键环节之一。传感器的类型选择应满足以下原则[7，8]：

（1）较长的使用寿命及稳定性；

（2）较高的响应特性；

（3）不应从被测对象抽走较多的能量；

（4）加在设备对象的负载要尽量最小；

（5）对于信号的处理、记录和传递要方便；

（6）具备较好的抗干扰能力。

本系统选用压电式传感器，其内置阻抗变换器，电压（低阻）输出动态特性好，抗过载能力强，频响范围宽，可多场合使用。传感器及振动数据采集器如图5所示。

3.3 数据传输方案

振动数据采集器、转换电源及振动传感器置于起升机构的小车箱中。振动数据采集器通过有线方式上传至本地操作室终端，由本地终端将数据上传至服务器，可通过远程客户端实时查看，其具体数据传输架构如图6所示。

4 参数量和状态量监测

4.1 起升重量状态

为了使驾驶人员能够实时了解起升机构当前起的重量状态，需要对其进行监测，以实时数据的形式显示在操作室监控界面上，有效预防超载作业。

起重量的监测方法目前最常通过图7所示的YHZL-PY-20T型张力传感器测量钢丝绳在起升重物时的应力变化来实现数据采集。测试时，张力传感器放置在纸幅导纸辊两侧支撑座下，通过接线盒连接信号放大器。

4.2 运行行程

门式起重机在机构运行过程中虽有运行行程限制器，但其作用仅在机构运行到极限位置时制停，无法显示运行行程实时值。因此采用光电编码器对主、副起升机构，大车机构和小车机构四部分的运行行程进行实时监测。

增量型编码器存在零点累计误差，抗干扰性较差，接收设备的停机需断电记忆，开机存在找零或参考位等问题。而绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点，抗干扰特性、数据的可靠性相较增量型编码器大大提高。因此系统选用图8所示的GAX60 R13/12 E10LB型绝对值编码器测量机构。

在使用之前对绝对值编码器进行标定，根据待测机构的转轴直径计算机构转轴转动一圈时所经过的距离，同时修改地址，用于与数据采集器之间通信。

4.3 驱动及制动系统状态

门式起重机驱动和制动系统是影响机构运动准确性和可靠性的直接环节。由于门式起重机采用间歇、重复的工作方式，通过起重吊钩或其他吊具起升、下降，或升降与运移物料的机械设备，起动与制动动作十分频繁，在起重机运行过程中起制动系统若突发故障并得不到及时处置，极易引发严重的安全事故。因此，全面監测起制动系统运行状况对提高设备的本质安全性能十分必要[9，10]。本监测系统通过采集机构的继电器状态来获取制动器当前的状态，并通过AKH-0.66/G 30*30I-0.2型电流互感器监测驱动电机电流状态起伏实现电机状态监测。

4.4 状态数据传输

行程、起重量、制动器、电机状态几部分的传感器通过有线方式传输至图9所示的状态量数据采集器，进而由企业局域网上传至本地终端和服务器端，进行远程分析诊断。具体数据传输方案如图10所示。

5 环境视频监测

对于起重机的监测大部分都集中于机身，而忽略了其外部工作环境。但作业区域的外部障碍物（包括无关人员）误入往往是事故发生的主要原因。本系统通过对通用视频设备二次开发，将视频监控集成入内，通过图像采集装置动态捕捉起重机外部工作环境，向操作人员实时反映周围状态变化。

系统选用DS-2CD2A10F（D）型含6个摄像头的网络摄像机，可动态变化捕捉并进行夜间红外摄像。本地监控端及远程监控端将直接访问视频监控工控机，从工控机获取实时视频数据及历史视频文件，支持视频回放。图11所示为视频监控界面。

6 结 语

本文设计了门式起重机运行信息状态监测系统，对于起重机钢结构的应力应变、起制动系统的减速箱、运行行程、起重量、开关量、环境视频信息等进行了传感器布置分析，并根据监测内容确定了各监测模块的数据传输方案。系统设计符合国家对起重机安全监控管理系统的要求，获取的起重机运行状态数据可作为安全预警和故障诊断的基础信息，为大型起重机安全监控管理系统的开发和推广应用积累了一定工作经验。

参考文献

[1] GB/T 28264-2012，起重机械安全监控管理系统[S].北京：中国质检出版社，2012.2.26.

[2] M.P. Alexandra v.Materials Handling Equipment[M].Moscow：Mir Publishers，1981：20-23.

[3]洪正，王松雷.门式起重机金属结构应力测试及分析[J].机械研究与应用，2012（6）：81-83.

[4]石万祥.港口门座起重机故障分析及振动监测技术应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2002.

[5]台金刚.门座起重机故障分析及振动监测应用研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[6]陈光，肖汉斌，胡立杰.港口门座起重机回转支承故障趋势识别[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2004，28（2）：223-225.

[7]佟德纯，李华彪.振动监测与诊断[M].上海：上海科学技术文献出版社，1997.

[8]孙传友.感测技术与系统设计[M].北京：科学出版社，2004.

[9]张星奇，张合新，孙立江.无线嵌入式在大型设备故障诊断中的应用[J].计算机测量与控制，2007，15（6）：710-711.

[10] Yu Y，Zhao Z，Chen L. Research and Design of Tower Crane Condition Monitoring and Fault Diagnosis System[C]. International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence.IEEE，2010：405-408.