混凝土泵车便携式状态监测与故障诊断系统研究.pdf

第 8卷第 4期 2 0 1 0年 1 2月 中国工程机械学报 CHI NE S E J OURNAI OF CONS TRUCF I ON MA CHI NER Y Vo 1 8 No 4 De c2 01 0 混凝土泵车便携式状态 监测与故 障诊 断系统研 究 黄毅 ， 王佳 茜， 邝 昊 ( 长沙中联重工科技发 展股 份有限公司 ， 湖南 长沙4 1 0 0 1 3 ) 摘要：为保障混凝土泵车的安全可靠运行 ， 提高工程机械设备的使用效率， 开发了基于混凝土泵车的便携式状 态监测与故障诊断系统 ， 详细介绍了该系统的总体结构、 软硬件配置及软件监测诊断功能 通过在中联系列泵车 上 的实际运用 ， 证 明了其很 强的实用性和有效性 ， 为泵车 的正 常运 行和维护发挥 了重要作用 关键 词 ： 混凝土泵车 ； 状态监测 ； 故 障诊断 ； 便 携设备 中图分 类号 ： T H 1 1 3 1 文献标 识码 ： A 文章编号 ：1 6 7 2 5 5 8 1 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 4 4 1 0 3 Re s e ar c h and de v e l op m e nt o n c ondi t i on m o ni t o r i ng 1 n ， - 1 and I aul t di agnos1 s s ys t e m t or bo0m DUm pS HU ANG Y i ，WANG J i a q i a n，KU ANG Ha o ( Z o o mli o n He a v y I n d u s y S c i e n c e& Te c h n o l o g y De v e lo p me n t Co ， Lt d ， C ha n g s h a 41 0 01 3，Ch i n a ) Ab s t r a e t ：I n o r d e r t o g u a r a n t e e t h e s a f e a n d r e l i a b l e o p e r a t i o n a n d e f f e c i e n t p e r f o r ma n c e o f b o o m p u mp s ， a p o r t a b l e c o n d i t i o n mo n i t o r i n g a n d f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m i s d e v e l o p e d I n d e t a i l s ， t h e s y s t e m f r a me wo r k c o n f i g u r a t i o n， s o f t wa r e a n d h a r d wa r e c o n f i g u r a t i o n a n d s o f t wa r e f u n c t i o n a l i t y a r e p r e s e n t e d Wi t h i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s f o r t h e b o o m p u mp s e r i e s p r o d u c e d b y Z o o ml i o n C o mp a n y， t h e s y s t e m p r a c t i c a l i t y a n d e f f e c t i v e ne s s h a v e b e e n p r o ve n Ac c o r di ngl y， t h i s a p pr o a c h s e c u r e s a c r u c i a l r o l e i n o p e r a t i o n a nd ma i nt e n a n c e up o n b o o m p u mps Ke y wo r d s ：b o o m p u mp；c o n d i t i o n mo n i t o r i n g ；f a u l t d i a g n o s i s ；p o r t a b l e s y s t e m 混凝土输送泵车是 1种用于输送和浇注混凝土的专用机械 ， 它配有特殊的管道 ， 可以将混凝土沿管道 连续输送到浇注现场 ， 尤其是在高层建筑 、 地下建筑 和大混凝土建筑物的施工过程 中， 以其 高质量 、 高效 率、 低消耗 、 低成本 、 施工周期短 、 劳动强度低等优点 ， 逐步成为建筑施工中不可缺少 的关键设备 作为 1 种 复杂的机电液耦合动力系统 ， 混凝土泵车正朝着大排量 、 高泵送压力 、 超长臂架的方 向发展 ， 整个系统 日益 复杂 ， 故障发生率也 日渐增加 因此迫切需要研究针对泵车系统 的状态监测与故障诊断技术 ， 对于提高泵 车运行效率、 保证其安全运行具有十分重要的意义 混凝土泵车系统在运行过程 中伴有振动 、 噪声 、 温度 、 压力、 液位 、 倾角等物理参数的变化 ， 状态监测与故障诊断技术依据这些变化， 通过一定的方式来判断和识 别设备运行的状态和故障 ， 对故障的危害进行早期 的预报和识别 ， 防止泵 车在故障状态下连续运行而造成 的设备失效和相应的附加损失 ， 保证泵车系统安全 、 正常 、 长周期 、 满负荷优质运行 ， 避免过剩维修所造成 的不经济、 不合理 的现象 - 3 J 本文针对混凝土泵车状态监测与故障诊断的实际需求情况， 研究开发了基于嵌人式的泵车状态监测 与故 障诊断系统 该系统能够记录和监测泵 车运行状况的信号波形和特征参数 ， 对数据进行监测报警和分 析预测 ， 并得 出准确的诊断结论 ， 完成对泵车系统健康状态的点检和巡检 该便携式系统 已投入实际运行 ， 多次成功地诊 断出转子不平衡 、 支座松动 、 泵送憋缸等多起机械及液压故障 ， 为泵车的正常运行和维护发 基金项 目：国家“ 八六 三” 高 技术 研究发展计划 重点资助项 目( 2 0 0 8 A A 0 4 2 8 0 3 ) 作者简介 ： 黄毅 ( 1 9 7 8一) ， 男 ， 工程师 E - ma i l ： t i h u a n g y i l l 0 1 6 3 c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 挥了重要作用 1 系统 总体结构 混凝土泵车便携式状态监测与故障诊断系统主要通过对泵车设备 中的机械、 液压等信号进行采集和 分析 ， 实现对泵车设备的状态监测和故障诊断 该监测与诊断系统不同于一般 的数据采集仪 ， 它不仅可 以 对泵车设备的各种信号进行采集和预处理 ， 同时还可以实现采集信号的波形显示和存储 ， 并带有功能强大 的数据分析模块 以准确分析判断故 障原 因， 从而实现泵车的诊 断和维护 当要对采集 的 数据进行进 一步深入分析时 ， 还 可以通过通 信接 口将数据上传至 P C机的数据分析软件 本系统总体结构如 图 1所示， 主要分 为 信号采集 、 信号预处理 、 信号波形实时显示 和 存储、 信号分析诊断、 与上位机通信等功能模 块 其中， 与上位机通信模块主要完成测点信 息的下载和采集数据的上传 2 系统软件功能 信号 _ 信号卜 波形显 采集 f l 预处理 I 示与存储 图 1 系统功能框图 Fi g 1 Fu n c t i o n a l d i a g r a m o f s y s t e m 信号分 析诊断 混凝土泵车便携式状态监测与故障诊断系统的软件功能包括参数设置 、 状态监测 、 状态报警、 故障诊 断等功能模块 ， 下面详细介绍每个模块的具体功能 2 1 参数设置模块 混凝土泵车数据采集和状态监测 中的参数设置是系统 中的重要一环 ， 正确设置参数对提高数据采集 精度及有效监测系统状态意义重大 可通过该模块设置常用传感器的灵敏度参数、 信号滤波预处理和增益 参数 、 采样频率和采样时问等 ， 另外 ， 可对不 同的设备测点设置不同的报警阀值参数 、 数据存盘时间间隔长 度、 数据保存参数及数据库的保存路径等 2 2 状态监测模块 状态监测模块是提高泵车系统运行 的安全性 、 可靠性、 降低维护成本 、 提高经济效益的重要途径 混凝 土泵车在运行 中， 由于各种原因( 机械 、 电气 、 液压等因素) 可能造成振动、 压力 、 温度过高甚至超标 ， 严重时 将危及泵车系统的安全运行 该模块主要包括棒图状态监测、 状态趋势监测 、 频谱监测 、 轴心轨迹监测 其 中， 棒图状态监测方式使用棒图形式显示 油泵转速、 振动、 油 压 、 油温等信号， 简单直观 趋 势监测方式 以曲线形式显示实 时信号时间历程和特征参数 的变化趋势 频谱监测方式提供 机械结构振动 、 液压系统油压及油温等信号的频谱值 轴心轨 迹监测方式显示选定位置的轴心轨迹 曲线和轴心位置 ， 能简 单 、 直观、 形象地反映设备的运行状况， 如图 2所示 2 3 状态报警模块 状态报警功能使用户知道泵车系统的状态是否超 出安全 界限或推荐的范围 本系统针对泵车系统的振动 、 液压信号设 置了常数报警 、 窄带报警及小波包分频带能量报警等报警方 式 常数报警是传统报警模式 若信号幅值超 出设置的报警 阀 值 ， 可能是泵车设备运行工况正处于恶化的阶段 ， 也可能是故 障的发生和发展过程 ， 此时的信号可对泵 车的设备状态进行 预测和预报 常数报警最多可设置 1 6种参数 ， 每个参数有 2 g 皿 嗍 图 2 轴心轨迹监测 Fi g 2 Axi s o r b i t mo n i t o r i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 黄毅 ， 等 ： 混凝土泵车便携式状态监测与故障诊断 系统研究 个报警限 窄带报警在频谱图的各个不同中心频率附近领域 ， 将具有明显幅值的谱线进行展宽 ， 从 而形成 一 阶梯型( 3 L 称直方曲线) g络线 该功能可设置中心频率、 带宽 ， 以及 2个报警 限， 最多能设 6个窄带 通 过采用谱展宽窄带报警技术 ， 进一步提高泵车系统故障预警 、 预报的实时性和可靠性 小波包技术是小波 分析 的拓展 ， 它克服了小波变换 中高频信号频率分辨率较差、 低频信号时间分辨率弱的问题 ， 可将信号无 冗余 、 无疏漏 、 正交地分解到独立的频带 内， 每个频带内信号的方差可以表示该频带内动态信号的能量， 既 包括正弦信号的能量 ， 也包括非平稳 、 非线性信号的能量 ， 通过相应频带里能量 比例 的变化 ， 可以对泵车进 行有效 的检测 ， 尤其是对振动信号中高频成分的异常变化较为敏感 2 4 故障诊断模块 故障诊断模块具有强大的信号分析功能 ， 能从时域、 频域 、 幅值域等多角度提供直观图谱 ， 方便观察和 分析 故障诊断功能既包括一些经典稳态分析方法 ， 也 涵盖了许多现代 的非平稳 信号及微弱信号处理技 术 ， 为非平稳故障的诊断提供了有力的工具 稳态信号分析利用经典的时域和频域分析方法 ， 适用于分析泵车系统故障中的平稳信号 主要包括 自 相关分析 、 互相关分析 、 时序分析、 直方图等时域分析方法和幅值谱 、 功率谱 、 包络谱 、 倒频谱 、 细化谱 、 自回 归 A R谱等多种频域分析法等 通过分析判断 ， 可 以获得泵车系统的运行发展趋势和故障信息 泵车运行过程 中， 故障的发生和发展 、 设备工况的变化以及系统的非线性都可导致设备动态信号表现 出很强的非平稳性 目前经典信号分析技术 ， 即时域和频域分析 ， 尚不能很好地适应泵车系统 中存在着 的 非平稳信号的分析 ， 时频分析是分析非平稳信号的有力工具 非平稳信号时频分析功能提供了短时傅里叶 变换、 Wi g n e r 分布 、 小波变换分析、 小波包分析、 谐波小波分析 、 L a p l a c e小波滤波分析 、 小波分形分析、 小 波奇异性分析等分析手段 综合运用上述技术 ， 可有效地为泵车设备非平稳信号的特征提取供可靠 的技术 支持和保 障 微弱特征信 号检 测L 4 是实 现泵 车系统状态 监测与故 障早期检测的关键技术之一 ， 对于保证 泵车系统 的可靠运行 ， 避免重大事故 的发生具有 重要作用 泵车设备在故 障早期 时候 ， 特征信号 往往非常微弱 ， 加之系统工作环境 比较恶劣 ， 噪 声干扰大 ， 造成信号信 噪比较低 ， 使得泵车系统 的微弱特征信号检测成为难点 随机共 振是 1种 利用噪声使得微弱信号得 到增 强传 输的非线性 现象 ， 与线性方法相 比能够检测更低信噪比的信 号 本系统采样基 于变尺度随机共振理论 的微弱 信号检测技术 ， 有效地从强干扰噪声中提取 出微 弱的特征信号 ， 解决 了弱信号检 测的瓶颈 图 3 为本状态 监测 与 故 障诊 断 系统 的部 分小 波包 分析 3 结论 a原始层 b第 一层 c第二层 d第三层 e第四层 0 2 4 6 8 l O l 2 1 4 1 6 t s f 第五层 图 3 小 波包分 析 Fi g 3 W a v e l e t p a c ke t a n a l y s i s 随着混凝土泵车朝着大排量 、 高泵送压力 、 超长臂架的方向发展 ， 整个系统 日益复杂 ， 故障发生率也 日 渐增加 由于泵车设备的技术先进 ， 迫切需要研究针对泵车系统的状态监测与故 障诊断技术 ， 以提高泵车 运行效率， 保证其安全运行 本文针对混凝土泵车的故障特点和行业 的实际需求情况 ， 研究开发了基于嵌 入式的泵车状态监测与故障诊断系统 该系统能够记录和监测泵车运行状况 的信号波形和特征参数 ， 对数 据进行监测报警和分析预测 ， 并得出准确的诊断结论 ， 完成对泵车系统健康状态 的点检和巡 检 通过在相 关行业 的现场应用 ， 取得了很好 的监测与诊断效果 该便携式系统集采集存储 、 分析和通信等功能于一体 ， 体积小 、 质量轻、 成本低 ， 可 以广泛应用于混凝土泵车的监测和诊断 中 ( 下转第 4 5 4页) 4O 4 6O6 20 2 2O2 2O2 202 0 。 0 。 。 吨 _ s -1 l I ) e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 Z H O U X i a o j i n g ， Q I N We n h u ， Z H A NG We i g o n g V e h i c l e c o l l i s i o n s s a f e t y o f v i r t u a l t e s t t e c h n o l o g y J L i g h t V e h i c l e s T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ( 1 0) ： 11 4 E 2 郭九大， 林逸， 王望予 汽车被动安全性研究综述 J 3 汽车工程， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 1 9 G U 0 J i u d a ， L I NY i ， WA N GWa n g y u A r e v ie w o n v e h i c l e p a s s i v e s a f e t y r e s e a r c h J A u t o mo t i v eE n g i n e e r in g ， 1 9 9 8 ( 1 ) ： 1 9 龚友， 刘星荣， 葛如海 小型客车整车正面碰撞分析E J 3 江苏理工大学学报， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 3 ) ： 6 2 1 G O NG Y o u ， L I U Xi n g r o n g ， G E R u h a i A n a n a l y s i s o f t h e f u l l i mp a c t o f t h e mi n i b u s J J o u r n a l o f J i a n g s u U n iv e r s i t y o f S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y， 2 0 0 0， 2 1( 3 )： 6 2 1 李发宗 汽车侧 面碰撞虚拟试验技术 的研究 D 武汉 ： 武汉理工大学 ， 2 0 0 5 L I F a z o mg A s t u d y o n t h e v i r t u a l t e s t t e c h n i q u e o f a u t o mo b i l e s i d e i mp a c t D Wu h a n ：Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 0 5 钟志华 ， 张维刚 ， 曹立波 ， 等 汽车碰撞安全技术E M 北京 ：机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 Z HO N G Z h i h u a ， Z H A NG We i g a n g ， C A O L i b o ， e t a 1 A u t o mo t i v e c r a s h saf e t y t e c h n o lo g y M B e i j i n g ： C h i n a Ma c h in e P r e s s ， 2 0 0 3 曹银峰 ， 李光耀 ， 钟志华 汽车碰撞过程并行有限元仿真技术 J 机械工程学报 ， 2 0 0 5 ， 4 1 ( 2 ) ： 1 5 31 5 7 C A O Y i n f e n g ， UG u a n g y a o ， Z H O N GZ h ih u a P a r a l l e l e x p l i c i t f i n i t e e l e m e n t s i m u l a ti o n o f v e h i c l e c o l l i s i o n s J J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i - n e e r i n g， 2 0 0 5， 4 1 ( 2 ) ： 1 5 31 5 7 赵唯 微型轿车侧面碰撞计算机仿真技 术研究 D 重庆 ： 重庆交通大学 ， 2 0 0 8 Z H A O We i T h e s t u d y o f s i mu l a t i o n t e c h n i q u e o n c a r s i d e i mp a c t D C h o n g q i n g ： C h o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 8 陈晓东 ， 苏清祖 ， 程勇， 等 汽车侧碰移动变形壁障有限模型的开发 L J 汽车工程 ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 3 ) ： 2 6 02 6 3 C H E N X i a o d o n g ， S U Q i n g z u ， C H E N G Y o n g ， e t a 1 T h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g o f m o v i n g d e f o r m a b l e b a r r i e r f o r v e h i c l e s i d e i m p a c t J Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g， 2 0 0 3， 2 5 ( 3 )：2 6 02 6 3 游 国忠 ， 陈晓东， 程勇 ， 等 汽车侧 面碰撞有限元仿真建模 J 江苏大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 6 ) ： 4 8 44 8 7 Y O U G u o z h o n g ， C H E N X i a o d o n g ， C HE N G Y o n g ， e t a 1 F i n i t e e le me n t m o d e l i n g o f v e h i c le s id e c r a s h J J o u r n a l o f J i a n g s u U n i v e r s i t y ， 2 0 0 5， 2 6 ( 6) ： 4 8 44 8 7 ( 上接第 4 4 3页) 参考文献： 1 2 3 4 陈宜通 混凝土机械 M 北京 ： 中国建材工业 出版社 ， 2 0 0 2 C H E N Y i t o n g C o n c r e t e m a c h i n e M B e ij i n g ： C h i n a B u i l d i n g M a t e r i a l I n d u s t r y P u b l i s h i n g H o u s e ， 2 0 0 2 秦树人 机械测试 系统原理与应用 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 6 Q I N S h u r e n T h e o r y a n d a p p l i c a t i o n o f m a c h i n a r y t e s t s y s t e m M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 6 陈珊 ， 王太勇 机械设备智能诊断与预测维修 系统 J 西南交通大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 5 ) ： 5 4 05 4 3 C H E N S h a n ， WA NG T a i y o n g I n t e l l i g e n t f a u l t d i a g n o s is ， p r e d i c t i o n a n d ma i n t e n a n c e s y s t e m o f me c h a n i cal e q u i p me n t J J o u r n a l o f S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 5 ) ： 5 4 05 4 3 冷永刚 大信号变尺度随机共振的机 理分析及其工程应用 研究 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 4 LE NG Yo n g g a n g M e c h a n i s m a n a l y s i s o f t h e l a r g e s i g n a l s c a l e t r a n s f o r ma t i o n s t o c h a s t i c r e s o n a n c e a n d i t s e n g i n e e r i n g a p p l i c at i o n s t u d y r 【 ) T i a n n n ： Ti a n in U n iv e r s i t y ， 2 0 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m