一种起重机应力、振动监测系统研究应用

2021-05-26李书强丁云鹏

起重运输机械 2021年9期

李书强宋浩,2 焦松丁云鹏

1青岛海西重机有限责任公司青岛 266000 2青岛理工大学青岛 266520

0 引言

起重机由于其场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点被广泛应用于港口装备制造，港口码头、建筑等行业。由于长期处于高负荷、高利用率状况，实际工况恶劣，故起重机的结构、机构健康检测尤为重要，老旧设备升级改造难度大。随着作业环境的变化（劳动力越来越少、人工成本的增加、作业效率的提高，维修时间的紧张、设备自动化程度的提高），要求由原来的被动维修模式向预防性维修和主动维修模式转变，以降低维修成本，提高维修效益。传统的维修模式根据设备运行周期定期进行检查，检查形式一般为维修人员到现场以目测或借助相关工具进行检查。结构、机构健康在线监测系统的应用将彻底改变以上维修模式[1]。

1 系统组成

1.1 系统简介

振动、温度及应力在线监测系统中包含了振弦式应力传感器技术、振动及温度传感器技术、监测采集技术、无线通信技术以及计算机软件开发技术。该系统以振弦式应力传感器技术、振动及温度传感器技术对起重机的健康状态进行数据采集，利用监测采集技术、无线通信技术将数据及时的汇总到上位机，通过计算机软件开发技术将起重机的健康状态及时直观地呈现给管理人员，真正做到了实时数据的监测、采集、输出，保证了监测起重机结构健康状态的时效性，并极大地方便设备维护管理。

1.2 应力监控系统

应变力监测系统主要由CKD51-YB2应变计传感器、智能传输模块、应变力网关和上位机等组成。应变计传感器用于采集现场应变数据，与智能传输模块配套使用，智能传输模块内有独立的电池供电，采用超低功耗和无线传输技术，可实现应变计传感器的传感、信号采集、通信及供电的一体化，将应变信号传输给应变力网关。应变力网关对所覆盖区域内的智能传感器进行通讯和数据采集，应变力网关通过有线以太网方式与上位机连接，将应变数据上传到监测上位机内。

应变力监测系统中应力检测点的选取很重要，好的应力检测点可在线监测结构的损伤状态，预测结构可能的失效形式，揭示结构破坏失效的机理，为起重机金属结构主体的金属疲劳研究提供依据[2]。图1为岸边集装箱桥式起重机的关键应力点检测位置，表1为检测原因。

图1 岸边集装箱桥式起重机金属结构测点布置图

表1 测点位置说明

1.3 振动温度检测系统

振动温度检测主要由无线振动温度传感器（QM42VT1）、振动温度传感器节点和无线数传网关等组成。振动温度传感器所采集到的数据通过传感器节点传递给无线数传网关，网关通过有线以太网方式与上位机连接，将振动温度数据上传到监测上位机内。以岸边集装箱桥式起重机起升机构为例，振动温度点检测位置如图2所示。

图2 起升机构振动温度点检测位置图

2 实施方案

应力传感器检测点的合理选取是评估起重机整机工作状态的重要基础。在有限元计算基础上对比各计算工况，从结构受力状态、受力形式、重要程度、疲劳、刚度等方面综合考虑，选取最易产生危险的单元作为检测点。随后将振弦式应力传感器放置在此位置，既可对起重机的整体结构进行实时监测，又能重点监测易损位置，保证整体及局部同时兼顾，提高系统的可靠性。修改传感器程序，设置接口数据，校准基准点，修改网关程序，建立一种起重机－应力传感器－应力节点－应力网关－网络交换机－计算机的监测通讯系统。应力监测系统图如图3所示。

振动及温度传感器通过对起升机构减速器关键部位振动数据的采集、分析和诊断，实时掌握减速器运行情况，及时指导维修、维护，保证系统安全平稳运行，综合分析减速器结构特点及振动传递路径后，选择高、低速轴安装传感器测量振动情况。设置无线节点、网关、光电转换模块、修改数据寄存器。建立一种起重机－振动传感器－振动节点－振动网关－网络交换机－计算机的监测通讯系统。振动温度监测系统图如图3所示。

图3 应力及振动温度监控系统图

通过搭建有线网络、设置无线网络、安装设置、调试和测试起重机与办公楼无线网络设备组成的网络通讯系统，其中有线网络接口为RJ45，通讯协议为标准的Modbus TCP通讯协议，将在线监测软件对数据进行解码。例如接收数据：01 03 0C 00 2E 006C 06 25 02 06 00 47 00 B6 BD F3。其中01为从站地址；03为功能代码；0C为回数字节数；00 2E 00 6C 06 25 02 06 00 47 00 B6为传出字节数；BD F3为CRC-16的高低位。最后将整段数据与QM42VT1传感器寄存器表进行分析得出数据的实际数值（见图4），转换为容易识别和理解的直观数据或图像。系统通讯网络总图如图5所示，应力监测数据如图6所示，振动、温度监测数据如图7、图8所示。数据可通过设置阈值进行报警，并经分析提取故障特征供管理人员参考。