通用門式起重機安全運行信息多維監控方案設計

夏常福+慶光蔚+胡靜波

摘 要：為了防止橋門式起重機在運行過程中發生重大事故，減少設備的故障率，優化維修策略的制定，以通用門式起重機為例，制定了起重機多維度運行信息監測方案。文中圍繞應力應變狀態、起制動系統振動狀態監測、運行參數量狀態量采集和環境視頻監控等監測需求，完成了傳感器選型、布置和數據傳輸方案設計。軟硬件安裝調試結果證實，系統方案滿足GB/T 28264-2012《起重機械安全監控管理系統》的技術性能要求。

關鍵詞：起重機械；安全監控；應力應變；運行監測

中圖分類號：TH231.5；TP272 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

作為一種生產型特種設備，起重機械一旦發生事故將造成人員和財產的巨大損失。據統計，起重機械傷害事故占全部工業企業傷亡事故的比例呈逐年上升趨勢，高達15%左右。為此，國家逐漸重視起重機運行安全性保障措施的實施。2011年，國家質檢總局發文明確規定，從2014年開始，在所有在用大型起重機械上安裝安全監控管理系統。2015年底，尚未安裝安全監控管理系統的大型起重機械已明令不予使用。

根據GB/T 28264-2012《起重機械安全監控管理系統》[1]的要求，本文針對真實通用門式起重機的運行狀態量、運行參數量、應力應變、振動狀態、視頻信息等多方面設計了安全測控方案，以期及時掌握門式起重機多方位多維度運行信息，為起重機的安全作業提供可靠信息基礎，避免設備日常管理、檢驗檢測和維修策略制定的盲目性。

1 總體方案

門式起重機運行信息狀態監控系統是獲取起重機狀態并對起重機進行安全預警和故障預警的基礎，主要包括參數量監測、結構應力應變狀態監測、振動狀態監測、狀態量監測、視頻監控五個部分。設計過程涉及監測位置布置以及監控傳感器選取。監控系統終端對拾取的傳感器信號進行數據解析處理，根據預設的監測參數閾值判斷起重機狀態是否危險并報警。

監控方案設計以“江蘇省大型起重機風險評價與結構損傷檢測技術重點實驗室”的MH01F型通用門式起重機實物為對象，如圖1所示?；緟狄姳?所列。

按GBT 28264-2012《起重機械安全監控管理系統》的要求，并結合門式起重機港口工作需求，設計了11個參數的數據采集，包括測點布置、傳感器選擇及數據傳輸方式。具體監測狀態量、參數屬性和使用傳感器見表2所列。

2 應力應變狀態監測

在起重機的每一次工作循環中，其相關機構要進行正反向各一次的運動，機構由此不斷受到交變載荷作用[2]。因此須對其工作過程中機構的應力（包括動應力和靜應力）狀態進行監測。

2.1 測點位置選擇

理想狀態下測點越多越能反映結構應力的實際情況，但是工程測試環境一般不夠理想，測點多必然帶來較長的測試周期和麻煩[3]。結合門式起重機實際受力情況，其重點監測區域應在危險應力區，即均勻應力區應力集中區和彈性撓曲區；在主梁跨中結構最大應力處；使用過程中最不利工況下的最大應力處；有塑性變形可能產生裂紋或經常超載的位置。因此，監測系統的應力應變測點布置為跨中4個，1/4跨4個，支腿4個。

2.2 監測方法及傳感器選型

系統采用主流的應變電測法進行應力監測。鑒于門式起重機工作在戶外，工作環境惡劣且潮濕，狀態監測需要長期監測，因此選用電阻式表面式應變計DH1205測量安裝點的線性變形（應變）與應力。表面式應變計及應變數據采集器實物圖如圖2所示。

2.3 數據傳輸方案設計

起重機工作環境復雜且結構跨度較大，應變數據采集器通過無線WiFi方式將數據傳輸至操作室監測端，監測端通過企業局域網上傳至服務器，進而可通過遠程端訪問服務器獲取實時數據，傳輸拓撲結構如圖3所示。

3 起制動系統振動狀態監測

振動狀態監測是起重機進行故障分析與診斷的必要環節，振動監測主要面向起重機的零部件，通過分析診斷零部件的振動狀態來分析可能誘發的故障。目前起重機的振動狀態監測重點一般集中在起升機構[4，5]、回轉機構[6]，其他機構的電機、齒輪箱、小車等。門式起重機的起升機構如圖4所示，主要包括主起升機構、副起升機構。主、副起升機構的減速箱布置于小車箱中，屬故障易發部位，是振動狀態檢測的對象。

3.1 測點布置

測點位置將直接影響振動信號采集的準確率，因此其布置應能夠對待監測設備進行全面詳盡的描述，并且測點數量不宜過多。經驗表明測點盡可能選在軸承直徑上方并且與軸承外圈最靠近的地方。根據門式起重機起升機構的特點，本系統振動測點布置于圖4所示主起升機構減速機與副起升機構減速機的輸入軸上方。

3.2 傳感器選擇

合適的振動傳感器類型也是監測系統的關鍵環節之一。傳感器的類型選擇應滿足以下原則[7，8]：

（1）較長的使用壽命及穩定性；

（2）較高的響應特性；

（3）不應從被測對象抽走較多的能量；

（4）加在設備對象的負載要盡量最??；

（5）對于信號的處理、記錄和傳遞要方便；

（6）具備較好的抗干擾能力。

本系統選用壓電式傳感器，其內置阻抗變換器，電壓（低阻）輸出動態特性好，抗過載能力強，頻響范圍寬，可多場合使用。傳感器及振動數據采集器如圖5所示。

3.3 數據傳輸方案

振動數據采集器、轉換電源及振動傳感器置于起升機構的小車箱中。振動數據采集器通過有線方式上傳至本地操作室終端，由本地終端將數據上傳至服務器，可通過遠程客戶端實時查看，其具體數據傳輸架構如圖6所示。

4 參數量和狀態量監測

4.1 起升重量狀態

為了使駕駛人員能夠實時了解起升機構當前起的重量狀態，需要對其進行監測，以實時數據的形式顯示在操作室監控界面上，有效預防超載作業。

起重量的監測方法目前最常通過圖7所示的YHZL-PY-20T型張力傳感器測量鋼絲繩在起升重物時的應力變化來實現數據采集。測試時，張力傳感器放置在紙幅導紙輥兩側支撐座下，通過接線盒連接信號放大器。

4.2 運行行程

門式起重機在機構運行過程中雖有運行行程限制器，但其作用僅在機構運行到極限位置時制停，無法顯示運行行程實時值。因此采用光電編碼器對主、副起升機構，大車機構和小車機構四部分的運行行程進行實時監測。

增量型編碼器存在零點累計誤差，抗干擾性較差，接收設備的停機需斷電記憶，開機存在找零或參考位等問題。而絕對編碼器由機械位置決定的每個位置是唯一的，無需記憶，無需找參考點，抗干擾特性、數據的可靠性相較增量型編碼器大大提高。因此系統選用圖8所示的GAX60 R13/12 E10LB型絕對值編碼器測量機構。

在使用之前對絕對值編碼器進行標定，根據待測機構的轉軸直徑計算機構轉軸轉動一圈時所經過的距離，同時修改地址，用于與數據采集器之間通信。

4.3 驅動及制動系統狀態

門式起重機驅動和制動系統是影響機構運動準確性和可靠性的直接環節。由于門式起重機采用間歇、重復的工作方式，通過起重吊鉤或其他吊具起升、下降，或升降與運移物料的機械設備，起動與制動動作十分頻繁，在起重機運行過程中起制動系統若突發故障并得不到及時處置，極易引發嚴重的安全事故。因此，全面監測起制動系統運行狀況對提高設備的本質安全性能十分必要[9，10]。本監測系統通過采集機構的繼電器狀態來獲取制動器當前的狀態，并通過AKH-0.66/G 30*30I-0.2型電流互感器監測驅動電機電流狀態起伏實現電機狀態監測。

4.4 狀態數據傳輸

行程、起重量、制動器、電機狀態幾部分的傳感器通過有線方式傳輸至圖9所示的狀態量數據采集器，進而由企業局域網上傳至本地終端和服務器端，進行遠程分析診斷。具體數據傳輸方案如圖10所示。

5 環境視頻監測

對于起重機的監測大部分都集中于機身，而忽略了其外部工作環境。但作業區域的外部障礙物（包括無關人員）誤入往往是事故發生的主要原因。本系統通過對通用視頻設備二次開發，將視頻監控集成入內，通過圖像采集裝置動態捕捉起重機外部工作環境，向操作人員實時反映周圍狀態變化。

系統選用DS-2CD2A10F（D）型含6個攝像頭的網絡攝像機，可動態變化捕捉并進行夜間紅外攝像。本地監控端及遠程監控端將直接訪問視頻監控工控機，從工控機獲取實時視頻數據及歷史視頻文件，支持視頻回放。圖11所示為視頻監控界面。

6 結 語

本文設計了門式起重機運行信息狀態監測系統，對于起重機鋼結構的應力應變、起制動系統的減速箱、運行行程、起重量、開關量、環境視頻信息等進行了傳感器布置分析，并根據監測內容確定了各監測模塊的數據傳輸方案。系統設計符合國家對起重機安全監控管理系統的要求，獲取的起重機運行狀態數據可作為安全預警和故障診斷的基礎信息，為大型起重機安全監控管理系統的開發和推廣應用積累了一定工作經驗。

參考文獻

[1] GB/T 28264-2012，起重機械安全監控管理系統[S].北京：中國質檢出版社，2012.2.26.

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