黃 毅,王佳茜,鄺 昊

(長沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司,湖南 長沙 410013)

混凝土輸送泵車是1種用于輸送和澆注混凝土的專用機械,它配有特殊的管道,可以將混凝土沿管道連續(xù)輸送到澆注現(xiàn)場,尤其是在高層建筑、地下建筑和大混凝土建筑物的施工過程中,以其高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本、施工周期短、勞動強度低等優(yōu)點,逐步成為建筑施工中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備.作為1種復(fù)雜的機電液耦合動力系統(tǒng),混凝土泵車正朝著大排量、高泵送壓力、超長臂架的方向發(fā)展,整個系統(tǒng)日益復(fù)雜,故障發(fā)生率也日漸增加.因此迫切需要研究針對泵車系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù),對于提高泵車運行效率、保證其安全運行具有十分重要的意義.混凝土泵車系統(tǒng)在運行過程中伴有振動、噪聲、溫度、壓力、液位、傾角等物理參數(shù)的變化,狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)依據(jù)這些變化,通過一定的方式來判斷和識別設(shè)備運行的狀態(tài)和故障,對故障的危害進行早期的預(yù)報和識別,防止泵車在故障狀態(tài)下連續(xù)運行而造成的設(shè)備失效和相應(yīng)的附加損失,保證泵車系統(tǒng)安全、正常、長周期、滿負荷優(yōu)質(zhì)運行,避免過剩維修所造成的不經(jīng)濟、不合理的現(xiàn)象[1～3].

本文針對混凝土泵車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的實際需求情況,研究開發(fā)了基于嵌入式的泵車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠記錄和監(jiān)測泵車運行狀況的信號波形和特征參數(shù),對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測報警和分析預(yù)測,并得出準確的診斷結(jié)論,完成對泵車系統(tǒng)健康狀態(tài)的點檢和巡檢.該便攜式系統(tǒng)已投入實際運行,多次成功地診斷出轉(zhuǎn)子不平衡、支座松動、泵送憋缸等多起機械及液壓故障,為泵車的正常運行和維護發(fā)揮了重要作用.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

混凝土泵車便攜式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要通過對泵車設(shè)備中的機械、液壓等信號進行采集和分析,實現(xiàn)對泵車設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷.該監(jiān)測與診斷系統(tǒng)不同于一般的數(shù)據(jù)采集儀,它不僅可以對泵車設(shè)備的各種信號進行采集和預(yù)處理,同時還可以實現(xiàn)采集信號的波形顯示和存儲,并帶有功能強大的數(shù)據(jù)分析模塊以準確分析判斷故障原因,從而實現(xiàn)泵車的診斷和維護.當要對采集的數(shù)據(jù)進行進一步深入分析時,還可以通過通信接口將數(shù)據(jù)上傳至 PC機的數(shù)據(jù)分析軟件.

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要分為信號采集、信號預(yù)處理、信號波形實時顯示和存儲、信號分析診斷、與上位機通信等功能模塊.其中,與上位機通信模塊主要完成測點信息的下載和采集數(shù)據(jù)的上傳.

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional diagram of system

2 系統(tǒng)軟件功能

混凝土泵車便攜式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的軟件功能包括參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)報警、故障診斷等功能模塊,下面詳細介紹每個模塊的具體功能.

2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

混凝土泵車數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測中的參數(shù)設(shè)置是系統(tǒng)中的重要一環(huán),正確設(shè)置參數(shù)對提高數(shù)據(jù)采集精度及有效監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)意義重大.可通過該模塊設(shè)置常用傳感器的靈敏度參數(shù)、信號濾波預(yù)處理和增益參數(shù)、采樣頻率和采樣時間等,另外,可對不同的設(shè)備測點設(shè)置不同的報警閥值參數(shù)、數(shù)據(jù)存盤時間間隔長度、數(shù)據(jù)保存參數(shù)及數(shù)據(jù)庫的保存路徑等.

2.2 狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測模塊是提高泵車系統(tǒng)運行的安全性、可靠性、降低維護成本、提高經(jīng)濟效益的重要途徑.混凝土泵車在運行中,由于各種原因(機械、電氣、液壓等因素)可能造成振動、壓力、溫度過高甚至超標,嚴重時將危及泵車系統(tǒng)的安全運行.該模塊主要包括棒圖狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)趨勢監(jiān)測、頻譜監(jiān)測、軸心軌跡監(jiān)測.其中,棒圖狀態(tài)監(jiān)測方式使用棒圖形式顯示油泵轉(zhuǎn)速、振動、油壓、油溫等信號,簡單直觀.趨勢監(jiān)測方式以曲線形式顯示實時信號時間歷程和特征參數(shù)的變化趨勢.頻譜監(jiān)測方式提供機械結(jié)構(gòu)振動、液壓系統(tǒng)油壓及油溫等信號的頻譜值.軸心軌跡監(jiān)測方式顯示選定位置的軸心軌跡曲線和軸心位置,能簡單、直觀、形象地反映設(shè)備的運行狀況,如圖 2所示.

2.3 狀態(tài)報警模塊

圖2 軸心軌跡監(jiān)測Fig.2 Axis orbit monitoring

狀態(tài)報警功能使用戶知道泵車系統(tǒng)的狀態(tài)是否超出安全界限或推薦的范圍.本系統(tǒng)針對泵車系統(tǒng)的振動、液壓信號設(shè)置了常數(shù)報警、窄帶報警及小波包分頻帶能量報警等報警方式.常數(shù)報警是傳統(tǒng)報警模式.若信號幅值超出設(shè)置的報警閥值,可能是泵車設(shè)備運行工況正處于惡化的階段,也可能是故障的發(fā)生和發(fā)展過程,此時的信號可對泵車的設(shè)備狀態(tài)進行預(yù)測和預(yù)報.常數(shù)報警最多可設(shè)置16種參數(shù),每個參數(shù)有2個報警限.窄帶報警在頻譜圖的各個不同中心頻率附近領(lǐng)域,將具有明顯幅值的譜線進行展寬,從而形成一階梯型(又稱直方曲線)包絡(luò)線.該功能可設(shè)置中心頻率、帶寬,以及2個報警限,最多能設(shè)6個窄帶.通過采用譜展寬窄帶報警技術(shù),進一步提高泵車系統(tǒng)故障預(yù)警、預(yù)報的實時性和可靠性.小波包技術(shù)是小波分析的拓展,它克服了小波變換中高頻信號頻率分辨率較差、低頻信號時間分辨率弱的問題,可將信號無冗余、無疏漏、正交地分解到獨立的頻帶內(nèi),每個頻帶內(nèi)信號的方差可以表示該頻帶內(nèi)動態(tài)信號的能量,既包括正弦信號的能量,也包括非平穩(wěn)、非線性信號的能量,通過相應(yīng)頻帶里能量比例的變化,可以對泵車進行有效的檢測,尤其是對振動信號中高頻成分的異常變化較為敏感.

2.4 故障診斷模塊

故障診斷模塊具有強大的信號分析功能,能從時域、頻域、幅值域等多角度提供直觀圖譜,方便觀察和分析.故障診斷功能既包括一些經(jīng)典穩(wěn)態(tài)分析方法,也涵蓋了許多現(xiàn)代的非平穩(wěn)信號及微弱信號處理技術(shù),為非平穩(wěn)故障的診斷提供了有力的工具.

穩(wěn)態(tài)信號分析利用經(jīng)典的時域和頻域分析方法,適用于分析泵車系統(tǒng)故障中的平穩(wěn)信號.主要包括自相關(guān)分析、互相關(guān)分析、時序分析、直方圖等時域分析方法和幅值譜、功率譜、包絡(luò)譜、倒頻譜、細化譜、自回歸AR譜等多種頻域分析法等.通過分析判斷,可以獲得泵車系統(tǒng)的運行發(fā)展趨勢和故障信息.

泵車運行過程中,故障的發(fā)生和發(fā)展、設(shè)備工況的變化以及系統(tǒng)的非線性都可導(dǎo)致設(shè)備動態(tài)信號表現(xiàn)出很強的非平穩(wěn)性.目前經(jīng)典信號分析技術(shù),即時域和頻域分析,尚不能很好地適應(yīng)泵車系統(tǒng)中存在著的非平穩(wěn)信號的分析,時頻分析是分析非平穩(wěn)信號的有力工具.非平穩(wěn)信號時頻分析功能提供了短時傅里葉變換、Wigner分布、小波變換分析、小波包分析、諧波小波分析、Laplace小波濾波分析、小波分形分析、小波奇異性分析等分析手段.綜合運用上述技術(shù),可有效地為泵車設(shè)備非平穩(wěn)信號的特征提取供可靠的技術(shù)支持和保障.

微弱特征信號檢測[4]是實現(xiàn)泵車系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障早期檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一,對于保證泵車系統(tǒng)的可靠運行,避免重大事故的發(fā)生具有重要作用.泵車設(shè)備在故障早期時候,特征信號往往非常微弱,加之系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣,噪聲干擾大,造成信號信噪比較低,使得泵車系統(tǒng)的微弱特征信號檢測成為難點.隨機共振是1種利用噪聲使得微弱信號得到增強傳輸?shù)姆蔷€性現(xiàn)象,與線性方法相比能夠檢測更低信噪比的信號.本系統(tǒng)采樣基于變尺度隨機共振理論的微弱信號檢測技術(shù),有效地從強干擾噪聲中提取出微弱的特征信號,解決了弱信號檢測的瓶頸.圖3為本狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的部分小波包分析.

圖3 小波包分析Fig.3 Wavelet packet analysis

3 結(jié)論

隨著混凝土泵車朝著大排量、高泵送壓力、超長臂架的方向發(fā)展,整個系統(tǒng)日益復(fù)雜,故障發(fā)生率也日漸增加.由于泵車設(shè)備的技術(shù)先進,迫切需要研究針對泵車系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù),以提高泵車運行效率,保證其安全運行.本文針對混凝土泵車的故障特點和行業(yè)的實際需求情況,研究開發(fā)了基于嵌入式的泵車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠記錄和監(jiān)測泵車運行狀況的信號波形和特征參數(shù),對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測報警和分析預(yù)測,并得出準確的診斷結(jié)論,完成對泵車系統(tǒng)健康狀態(tài)的點檢和巡檢.通過在相關(guān)行業(yè)的現(xiàn)場應(yīng)用,取得了很好的監(jiān)測與診斷效果.該便攜式系統(tǒng)集采集存儲、分析和通信等功能于一體,體積小、質(zhì)量輕、成本低,可以廣泛應(yīng)用于混凝土泵車的監(jiān)測和診斷中.

[1]陳宜通.混凝土機械[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2002.CHEN Yitong.Concrete machine[M].Beijing:China Building Material Industry Publishing House,2002.

[2]秦樹人.機械測試系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京:科學出版社,2006.QIN Shuren.Theory and application of machinary test system[M].Beijing:Science Press,2006.

[3]陳珊,王太勇.機械設(shè)備智能診斷與預(yù)測維修系統(tǒng)[J].西南交通大學學報,2006,38(5):540-543.CHEN Shan,WANG T aiyong.Intelligent fault diagnosis,prediction and maintenance system of mechanical equipment[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2006,38(5):540-543.

[4]冷永剛.大信號變尺度隨機共振的機理分析及其工程應(yīng)用研究[D].天津:天津大學,2004.LENG Yonggang.Mechanism analysis of the large signal scale-transformation stochastic resonance and its engineering application study[D].Tianjin:Tianjin University,2004.