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淺談基于物聯網的塔式起重機安全監控系統研究

來源:愷德爾起重機安全監控管理系統專家 發表日期: 2019-07-08 17:30:00

我國目前正處于大規模建設的發展階段,建筑建設行業事故數量和死亡人數一直居高不下,其中起重機械事故占有很高的比例,每年僅塔式起重機( 以下簡稱塔機) 的事故發生率就在5‰以上。近年來,隨著起重設備“老齡化”程度的加劇,由結構失效導致的安全事故呈上升趨勢。對已經發生的塔機事故進行分析可知,絕大部分塔機事故具有事前征兆。如果能及時判斷塔機使用過程的結構狀態、是否違規使用、地基是否發生沉降等,就可以事先發現事故隱患,采取適當措施,避免事故發生。目前國內外對塔機的工作監測基本集中在對工作狀態參數的監測,如起重量、起重力矩、起升高度與幅度、工作風速,以及群塔作業的防干涉監測等,可以對違章操作進行一定的提醒與限制。但對于塔機結構失效模式如疲勞裂紋擴展造成結構破壞、局部失穩引起整機破壞、嚴重銹蝕等則無法進行預判和防御,故有必要對設備的結構進行健康監測研究。本文研究了塔機的健監測方法,結合物聯網技術開發了健康監測系統,及時發現各種安全隱患,從而對設備進行全方位的有效防護1 塔機的健康監測方法研究健康監測是指應用無損檢測技術和分析手段對包括結構各種響應在內的結構特性進行檢測和分析,實現對結構整體行為的實時監控,從而識別結構是否發生損傷。

1.1 健康檔案概述

塔機健康檔案是指設備在正常工作狀態下的一些結構特征與力學狀態特征值。健康監測是在相同的安裝方式與工況下,通過對被測設備當前狀態的測量與分析并將檢測結果與原始健康檔案比較,判斷結構的健康情況,對設備的安全性能做出評價。

1.2 健康檔案內容確定

塔機安裝后,在工作狀態或非工作狀態時,塔身以上的部位均有可能承受由于工作載荷、自重載荷、風載引起的傾覆力矩、扭轉力矩、水平力及垂直力。其中扭轉力矩及垂直力對塔身的傾斜無明顯影響,不太容易引起塔身結構失效。對塔身結構影響較大的因素是傾覆力矩,其次是水平力。通過建模分析、試驗分析等,根據塔機特點,確定以下作為健康檔案內容,主要包括兩方面。

基本資料 包括設備的起重特性,安裝高度,使用長度,平衡重安裝情附墻情況等。結構特征 包括結構自振頻率和結構撓度。由振動理論可知,低階固有頻率對系統的動力響應貢獻較大,而高階固有頻率影響較小,振

動的能量主要分布在低頻成分中。故對塔機而言只要提取其低階固有頻率就能很好反映系統動力特性。應用Block LANCZOS 對系統進行模態分析,計算了塔機金屬結構5Hz 以內的模態頻率。表1QTZ125 為例給出前五階頻率和對應的振型。塔機在正常工作時,整機豎直方向的點頭運動較為明顯,故把起重臂的振動頻率作為判定結構缺陷的識別源,同時也將起重臂的振動幅度作為監控對象。

1.3 健康監測閥值的確定

要進行健康監測,除確定監測參數之外,另一個要解決的關鍵問題是確定監測參數的閥值,特別是結構特征參數的允許變化范圍。起重臂上下方向的振動主要對應于結構的第二階固有頻率。在有限元模型中對起重臂的結構缺陷進行模擬,以考察其影響狀況及確定第二階固有頻率的影響范圍。

1)起重臂連接松動缺陷模擬 以臂架與塔身

之間的連接件松動為例,研究中將彈性單元施加在轉臺上以模擬此故障。彈性元件的施加位置如圖1 所示。

 

 

 

對于該故障下的模型進行動力學計算,其分析結果如表2 所示。2)起重臂構件斷裂模擬 該種故障下模擬了臂架水平腹桿的破壞情況(1 根、相鄰2 根相鄰3 根),以及塔機標準節的主要承重梁和非主要承重梁的情況。臂架水平腹桿破壞示意圖如圖2所示。對應的動力學計算分析結果如表3 所示。

 

 

由上述故障的計算機模擬分析可知,在結構出現連接松動或者桿件斷裂等較嚴重故障時,起重臂的第二階固有頻率均會出現顯著的變化。考慮到松動、斷裂等情況均降低整體剛度,其限值應僅限定下限值。經大量的計算機模擬分析,可知一般情況下,第二階固有頻率下降幅度不宜超過原值的10%。正常情況下,起重臂對應于某載荷狀況(起重量,工作幅度,沖擊載荷,風速等),其傾角均有最大值。若起重臂結構出現松動、構件斷裂等情況,其傾角大于此最大值時,可認定起重臂剛度下降明顯,出現結構缺陷。具體方法仍是通過求解有限元模型,得出各種工況下的傾角限值,可將限值作為判斷起重臂結構缺陷的依據。

1.4 健康監測方法

設備的健康檔案可由塔機生產單位在產品出廠檢驗中采制。對于在用設備,

也可由專業檢測機構或設備使用單位在確認設備狀態完好的情況下按照規定要求采制。當設備老化或受傷后,需要對設備的安全性重新進行檢測與評價或需對重要的設備進行健康監控時,我們可以按照與健康檔案建立一致的方法重新測定健康檔案中的技術數據,在相同工況下比較這些數據的差異,根據這些數據的變化情況判斷設備是否處于安全狀態。若超出誤差范圍,則設備屬于非健康狀態,

通過報警與切斷控制電路的方式保證設備的安全基于物聯網的監測系

計基于物聯網的監測系統構架分為3 層(圖3)。第1 層為設備終端級,包括各類傳感器和監控終端。設備的各類特征操作由各類傳感器進行反饋,監控終端采集各類傳感器反饋值并進行必要的轉換和計算,顯示在屏幕,必要時進行聲光提示。終端將上述數據通過有線、無線通訊方式進行周期性或事件性上報至監控平臺;第2 層為監控平臺級,包括無線通訊設備、服務器等。主要接收終端發送數據并保存至相應數據庫,并提供有效客戶端進行的查詢和統計工作。第3 層為客戶端級,可通過無線、有線方式對監控平臺進行訪問,以掌握設備的實時情況以及進行必要的管理與控制。

設備終端裝置(圖4)包括CPU 模塊、存儲模塊、A/D 轉換模塊、鍵盤、聲光報警模塊等,以及顯示屏實現雙向通信,A/D 轉換模塊與聲光報警輸出模塊相連,A/D 轉換模塊還與傳感器相連。CPU 模塊和A/D 轉化模塊是終端的核心部分,本系統以ARM9 芯片為核心再配備必要的內存及外存組成,具有非常強大、快速的運算及控制能力,并且對外提供非常豐富的外圍接口。系統的A/D 轉換模塊采用AD7703,它采用Σ-Δ轉換技術和片內自校準控制電路,具有精度,抗干擾能力強等特性。系統關鍵的頻率監測選用DH610 型磁電振動傳感器實現,該傳感器為無源伺服磁電傳感器,利用電磁感原理將振動速度量(v) 轉換成與v 成正比的電壓模擬量信號輸出。頻率監測系統框圖如圖5 所示

 

 

結構固有頻率的識別傳統算法需要通過時間域、頻率域乃至時頻域的識別算法進行處理。考慮到監測分析運算的實時性,需要實時計算得出當前工況下的基頻,應盡量減小計算的復雜性。經研究提出以下快速算法:①記錄速度響應的時間歷程,因塔機基頻很低,采樣率建議取20Hz。采樣長度至少為基頻對應振動周期的3 5 倍。以QTZ125 為例,建議取采樣長度為50s(基頻0.1Hz 估計,取5 個周期);②求響應的平均值;③計數在采樣長度內響應通過平均值的次數,以此為依據估計平均周期,平均周期倒數即為基頻。應用于監控裝置的低階固有頻率獲取的簡化監控平臺主要由服務器和GPRS 模塊組成。客戶端可由普通電腦或手機、平板電腦等智能終端。

3 結 語

本系統已經過大量的計算驗證,同時開發的系統已試用于工地現場,圖7 為塔機臂架和塔身傳感器安裝示意圖,目前已進行了多個工地現場的測試。終端可對設備進行實時健康監測,監測的參數基本與模型計算得出的結論一致,說明對健康監測是可行和有效的。當然系統也將隨著后續的使用情況進行進一步的完善與優化。對設備健康監測方法,除了可進行預防超載等違章操作外,還能對設備的結構老化開裂、基礎失穩等各種影響使用安全的因素進行識別。同時應用物聯網技術設計開發了監測系統,除了可實時監測當前設備狀態外,還可將設備的過程狀態數據共享及多層面的分析與監控,降低設備事故發生率。同時也為政府安全主管部門提供有效的監管手段,為設備評估與報廢標準提供依據

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