基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測方法監(jiān)測質(zhì)量差、準(zhǔn)確性低的問題，開展門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法設(shè)計(jì)研究。首先利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集門式起重機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；然后對(duì)采集到的門式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并提取其狀態(tài)特征；最后根據(jù)提取的狀態(tài)特征，對(duì)門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并估算各構(gòu)件壽命。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，新的監(jiān)測方法的監(jiān)測質(zhì)量較高，可以獲取到更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，且監(jiān)測的準(zhǔn)確性更高，應(yīng)用價(jià)值較高。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；門式起重機(jī)；實(shí)時(shí)監(jiān)測；運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)處理；疲勞壽命

中圖分類號(hào)： TP39；TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）01-00-03

0 引 言

門式起重機(jī)是一種大型、可移動(dòng)的起重設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作幅度大、操作難度高，容易受到超載、電氣元件老化、機(jī)械磨損等因素的影響并出現(xiàn)故障[1]。因此，對(duì)門式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，是非常重要的。傳統(tǒng)的門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測主要依靠人工巡檢和簡易儀表檢測。人工巡檢可以發(fā)現(xiàn)一些明顯的故障和異常情況，但受限于人的感官和經(jīng)驗(yàn)，難以發(fā)現(xiàn)一些隱蔽的故障。簡易儀表可以檢測一些電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，但精度較低，難以反映設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)[2-6]。在該背景下，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法的設(shè)計(jì)研究。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的門式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

本文通過各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)門式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。在門式起重機(jī)的關(guān)鍵部位，例如大梁、電機(jī)、減速器等，安裝溫度、振動(dòng)、位移等傳感器。這些傳感器負(fù)責(zé)收集設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感器收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)[7]。數(shù)據(jù)的傳輸依賴于穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)。目前廣泛使用的通信網(wǎng)絡(luò)包括WiFi、4G/5G等，這些網(wǎng)絡(luò)能夠確保數(shù)據(jù)被快速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)[8]。門式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

2 門式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)處理與狀態(tài)特征提取

完成對(duì)起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集后，為確保監(jiān)測的精度，引入霧計(jì)算理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在門式起重機(jī)工作時(shí)，將原始數(shù)據(jù)中的離群值剔除，先設(shè)定一個(gè)置信極限，如果數(shù)據(jù)超出了這個(gè)置信極限，則將其判斷為異常數(shù)據(jù)并去除，再將其替換成在異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)之前的時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值[9]。離群值的確定一般依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則，表達(dá)式為：

（1）

式中：xi表示采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)；表示數(shù)據(jù)的平均值；Sx表示標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行平滑處理的主要目的是過濾掉原始數(shù)據(jù)中沒有規(guī)律且高頻的異常數(shù)據(jù)，將yi作為中心，采用平滑濾波法對(duì)其前后n個(gè)數(shù)據(jù)求取平均值，公式如下：

（2）

式中：Yi代表平均值；yi+1代表yi的后一個(gè)數(shù)據(jù)。接下來，利用小波分解方法，選擇硬閾值函數(shù)或軟閾值函數(shù)進(jìn)行處理，其中硬閾值函數(shù)表示為：

（3）

式中：表示閾值函數(shù)；表示小波分解的原始系數(shù)；I表示單位矩陣；T表示閾值。軟閾值函數(shù)表示為：

（4）

根據(jù)上述論述，完成對(duì)門式起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理后，還需提取運(yùn)行狀態(tài)特征。采集得到的信號(hào)xn為時(shí)域序列，其中n=1， 2， 3， …， N，N表示樣本點(diǎn)數(shù)。對(duì)于有量綱特征值，其最大值可表示為max{xn}，最小值可表示為min{xn}，峰峰值表示為：

xp-p （5）

對(duì)于量綱為一的特征值，其峭度可表示為：

xq （6）

式中：xq表示峭度。在狀態(tài)監(jiān)測中，基于時(shí)間域的監(jiān)測信號(hào)僅能反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，無法有效地挖掘出更多的監(jiān)控信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)化為頻域表征。在頻域中，對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換[10]。采用幅值譜、功率譜和功率譜密度等對(duì)狀態(tài)監(jiān)測信號(hào)進(jìn)行頻域分析，由此得到門式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)特征。

3 門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與壽命估算

根據(jù)已提取到的門式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)特征，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)運(yùn)行壽命的估算。門式起重機(jī)中某組件在低于某恒定幅度的應(yīng)力水平的循環(huán)作用下，其破壞時(shí)的壽命表示為N，其承受a次循環(huán)后的損傷可通過下式計(jì)算得出：

（7）

式中：D表示損傷。結(jié)合上述公式分析得出，在橫幅應(yīng)力水平的作用下，若N的取值為0，a的取值為0，則門式起重機(jī)中構(gòu)件不會(huì)發(fā)生疲勞破壞；若a與N的取值相等且不取0，則此時(shí)D=1，對(duì)應(yīng)的門式起重機(jī)中構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞。由此，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)門式起重機(jī)構(gòu)件疲勞壽命的估算，完成門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可行性，選用5臺(tái)某船廠造船用的額定起重量150 t、跨度38.6 m的門式起重機(jī)為研究對(duì)象，將它們分別編號(hào)為MQ-#01、MQ-#02、MQ-#03、MQ-#04和MQ-#05。應(yīng)用本文提出的監(jiān)測方法對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，將基于模糊評(píng)價(jià)的監(jiān)測方法和基于Flink盒子的方法分別作為對(duì)照A組和對(duì)照B組，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文監(jiān)測方法的應(yīng)用性能。首先，針對(duì)上述3種監(jiān)測方法從門式起重機(jī)上采集的原始信號(hào)中獲取有價(jià)值信號(hào)的情況進(jìn)行對(duì)比，以此可以初步驗(yàn)證3種方法的監(jiān)測質(zhì)量。將信噪比作為3種監(jiān)測方法降噪效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測過程中，信噪比是一個(gè)非常重要的因素。高信噪比意味著監(jiān)測到的信號(hào)中有用的信息（即門式起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息）更多，而噪聲的影響更小，從而能夠更準(zhǔn)確地反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。而低信噪比則意味著噪聲對(duì)信號(hào)的影響較大，可能導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果失真或誤判。經(jīng)過處理后，信號(hào)的信噪比計(jì)算公式為：

（8）

式中：SNR表示信噪比；Psignal表示信號(hào)的功率；Pnoise表示噪聲的功率。將上述公式作為依據(jù)，分別記錄采用3種監(jiān)測方法對(duì)5臺(tái)門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測時(shí)經(jīng)過信號(hào)處理后的信噪比，將得到的結(jié)果記錄于表1中。

從表1中詳細(xì)記錄的數(shù)據(jù)中可以清晰地看到實(shí)驗(yàn)組在處理信號(hào)時(shí)展現(xiàn)出的優(yōu)越性能。實(shí)驗(yàn)組處理信號(hào)的信噪比均保持在12.00 dB以上，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他對(duì)照組。具體來說，對(duì)照A組處理信號(hào)的信噪比最大值僅為9.854 dB，這意味著其信號(hào)質(zhì)量相對(duì)較差，容易受到噪聲的干擾；對(duì)照B組雖然可以達(dá)到較高的信噪比，最高可以達(dá)到11.425 dB，但在實(shí)際操作中存在不穩(wěn)定的問題。這意味著在某些情況下，其處理信號(hào)的信噪比可能在較低的范圍內(nèi)波動(dòng)，如8.400～8.600 dB。綜合上述數(shù)據(jù)和結(jié)果，可以得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)組所采用的監(jiān)測方法在獲取有價(jià)值信號(hào)和處理起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)方面具有更高的質(zhì)量。該方法不僅能夠提供更為穩(wěn)定和可靠的監(jiān)測結(jié)果，還有助于操作人員更迅速地發(fā)現(xiàn)異常情況并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，從而確保設(shè)備的正常運(yùn)行和安全性。因此，實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢和推廣價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)3種監(jiān)測方法的監(jiān)測準(zhǔn)確性的比較，選擇將門式起重機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)烈度作為監(jiān)測指標(biāo)，判斷監(jiān)測到的振動(dòng)烈度值是否與門式起重機(jī)實(shí)際振動(dòng)等級(jí)相匹配。若匹配，則說明監(jiān)測準(zhǔn)確，監(jiān)測精度高；若不匹配，則說明監(jiān)測不準(zhǔn)確，監(jiān)測精度低。根據(jù)規(guī)定要求：門式起重機(jī)振動(dòng)烈度在0.71以下，振動(dòng)等級(jí)為A；在0.71～1.8范圍內(nèi)，振動(dòng)等級(jí)為B；在1.8～4.5范圍內(nèi)，振動(dòng)等級(jí)為C；在4.5～28范圍內(nèi)，振動(dòng)等級(jí)為D。根據(jù)上述論述，將3種監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果記錄于表2。

從表2中的數(shù)據(jù)可以清晰地看到，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測方法在監(jiān)測門式起重機(jī)振動(dòng)烈度方面的表現(xiàn)明顯優(yōu)于對(duì)照A組和對(duì)照B組。實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測到的振動(dòng)烈度結(jié)果與門式起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)等級(jí)完全一致，這說明實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地反映了設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。然而，對(duì)照A組和對(duì)照B組的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的偏差，說明這2種監(jiān)測方法的準(zhǔn)確性有待提高。即使通過這兩種方法獲得了一些數(shù)據(jù)，但由于與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的偏離，這些數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)誤導(dǎo)操作人員，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)設(shè)備狀態(tài)的錯(cuò)誤判斷和決策。通過對(duì)比分析可以得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)組所采用的監(jiān)測方法在準(zhǔn)確性方面具有顯著的優(yōu)勢。這種方法不僅提供了與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)高度一致的監(jiān)測數(shù)據(jù)，還有助于操作人員更準(zhǔn)確地了解設(shè)備的性能和潛在問題。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測方法更具有實(shí)用性和可靠性，能夠?yàn)樵O(shè)備的維護(hù)和管理提供更有價(jià)值的信息。

5 結(jié) 語

門式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代智能化和自動(dòng)化監(jiān)測方法具有更高的精度和效率。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的監(jiān)測方法，并加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的維護(hù)和管理，以延長設(shè)備的使用壽命和提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 周慶輝，劉浩世. 優(yōu)化Swin Transformer的塔式起重機(jī)銷軸安全狀態(tài)識(shí)別算法[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2023，33（9）：63-68.

[2]張浩，王寧，鄧志文，等. 海洋平臺(tái)起重機(jī)狀態(tài)監(jiān)測邊緣端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2023，52（6）：174-177.

[3]潘攀，李靖宇，李長安，等.橋式起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)研究[J].硅谷，2014，7（7）：19-22.

[4]董強(qiáng).橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（10）：103-104.

[5]徐海群，強(qiáng)寶民，何禎鑫.橋式起重機(jī)起重量監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].重型機(jī)械，2011（2）：64-67.

[6]許炳煌.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在門式起重機(jī)檢驗(yàn)檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國金屬通報(bào)，2022（12）：240-242.

[7]董明曉，杜鑫宇，劉忠旭，等. 風(fēng)載荷對(duì)工作狀態(tài)下門式起重機(jī)貨物擺動(dòng)影響的動(dòng)力學(xué)分析[J]. 中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，21（2）：102-105.

[8]吳宇震，殷東升，王峰，等. 一種門座式起重機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承健康狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)設(shè)計(jì)[J]. 港口科技，2023（2）：29-33.

[9]靳海峰. 橋式起重機(jī)作業(yè)狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械管理開發(fā)，2022，37（5）：146-147.

[10]朱靖. 狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在造船門式起重機(jī)安全保障上的應(yīng)用[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2022（1）：78-81.