工程机械塔吊电机振动故障诊断系统的开发

魏万花

（甘肃第七建设集团股份有限公司，甘肃 兰州）

引言

过去的十几年中，在国家政策的支持及行业的不断创新和求进的激励下，塔吊行业的发展已出现了明显的突破。通过对2020 年-2025 年中国机械塔吊市场需求的统计、调研与分析，明确了未来塔吊市场的发展方向，并对其在房地产、市政、交通、电力、水利、冶金、石油化工等领域的发展趋势进行了预测，发现塔吊行业在经济市场内的未来发展态势将持续走高[1]。据了解，目前，国家水利水电项目已完成超过1.5亿元的建设投资，该项目在未来十年内，将持续进行资金的投入。为确保水利水电工程项目的顺利施工，预期未来市场对工程施工中所需要的机械塔吊设备需求量将呈现持续走高的趋势[2]。因此，在今后的塔吊行业中，抢占制高点，才是获得最大利益的最佳途径。

目前，大多数施工单位都加大了塔吊设备的运行管理工作投入，并安排了专门的技术人员负责此项工作，但在阶段性实践工作中发现，大部分塔吊运营企业的管理模式存在缺陷，也正由于塔吊管理的不完善，导致其投产使用后还存在着安全隐患。为发挥机械塔吊更高的商业价值，实现对塔吊运行故障的及时排查与处理，下文将基于计算机工程角度，对塔吊的故障诊断系统展开设计。

1 系统总体设计

根据大量的调研与实地调查发现，造成塔吊运行中安全事故的原因较多，主要原因是管理部门对此类特殊装备的健康和安全监测不足，无法及时检测出其运行故障，导致塔吊的维修保养工作滞后，使其使用与操作存在诸多安全隐患。为解决此方面问题，下文将对塔吊运行中电机的故障诊断系统展开设计[3]。

设计过程中，引进B/S 架构作为支撑，为满足系统设计时的可伸缩性需求，将系统中的故障诊断程序部署在服务器端，由系统后台进行塔吊电机在运行中的监测、信息管理，以此种方式，控制并减少塔吊电机振动故障诊断中信息的耦合，实现对其监测与故障诊断过程的规范化[4]。系统的总体设计见图1。

图1 系统总体设计

2 系统设计

2.1 工程机械塔吊电机振动数据采集与传输

结合工程机械塔吊电机的运行特点，用振动量实现对振动强弱的衡量。以某工程机械塔吊电机振动曲线图为例，对振动大小的表示方式进行说明，如图2所示[5]。

图2 振动峰峰值示意

图2 中，单峰值是指机械瞬时承受冲击的振动量；峰峰值是指机械振动产生的位移量；平均值是指某段时间内振动量的平均值；有效值是指在某段时间内承受的振动能量。

在对工程机械塔吊电机振动数据采集时需要对产生的振动加速度信号进行处理。在电机上安装了一个加速度传感器，将检测到的数据以无线方式发送到主控计算机，再由主控计算机进行处理。在此基础上，通过计算机软件对后续的报警输出、多分类、智能算法等功能进行二次开发。采样频率越大，则采样的密集程度越高，获得的数据信号更接近原始信号[6]。图3为信号采集的基本原理。

图3 信号采集的基本原理

通过Zigbee 技术实现数据的通讯，实现数据的透明传输。在Zigbee 技术中的WDT 设计可以保证系统的稳定性。同时，Zigbee 提供了TTL 串行接口和SPI接口。为实现对现场数据链路的进一步优化，通过NB-IoT 技术的应用可以将传感器采集到的数据直接传输到云端服务器当中。NB-IOT 的带宽很窄，仅有200 kHz。在终端发送窄带信号时，可提高信号的频谱密度、覆盖率和频谱利用率。在同一报文中，多次发送同一报文，可以提高覆盖范围。此外，这种方法还可以减少端子的激活率和端子的基带复杂性。

2.2 电机振动故障诊断

将从塔吊电机定时采集的振动值，包括速度、加速度等，按时间点进行录入与规范化存储，通过此种方式，可以实现对电机运行历史数据与故障状态的展示分析。通过此种方式，可以以一种更加直观的方式，监测塔吊在运行中其内部电机构件的振动情况，如无外界干预的条件下，塔吊中电机构件在运行中的振动主要由三种状态构成，分别为下降状态、上升状态、平稳状态，每个收集定义都可以用它来做一个倾向分析[7]。上升表明装置振动较大，有可能是装置发生了故障。平稳说明电机运行稳定，没有太大的起伏。下降表明在维修后，设备的状况有了改善。针对每一个数据点对应采集的一组波形数据，可通过采集的波形计算得出有效值RMS。在实际测量中，时域波形通常是由多个不同频率、不同幅度、不同初相的正弦信号所组成，而非单一的正弦信号[8]。时频波是振动信号的第一个来源，通常情况下，振动传感器的信号都是时频波。通过时域波形分析，可以对装置的故障作出初步的判断。表1 中记录了工程机械塔吊电机常见故障特征。

表1 工程机械塔吊电机常见故障特征

对吊塔电机在运行中的数据进行定时、定点采集，在此基础上，根据得到的电机振动数据，明确塔吊中电机构件的振动形式与振动信号发展趋势，以此为依据，结合表1 所述的内容，确定故障类型。在此基础上，结合傅里叶对信号的转换方式，进行x（n）的频谱在[0，2π]范围内上N 个点等间隔采集，即可以看作是对序列频谱的离散化处理。这一过程用公式表示如式（1）～式（3）所示。

式（1）～式（3）中：X（ejω）代表频谱；N 代表傅里叶变换点数，同样也代表傅里叶变换频率轴上的频率取值的间隔；k 代表变换系数；z代表采样频率；n 代表采样数量。在不明确信号特征的情况下，同时又需要进行时域平滑窗处理时，可选用Hannng 窗，在其他情况下可选用Hamming 窗。在此基础上，对于塔吊电机在运行中存在的轴承不平衡现象，可以在获取电机波形信号后，结合工程具体情况，进行double数组频率的计算。针对计算结果进行频谱图展示，并计算得出频谱分辨率，通过HighChart 组件进行绘图，根据图像显示实现对塔吊电机振动故障的诊断。

3 系统详细操作与振动故障诊断数据分析

在深入塔吊机械工程租赁市场的调研中发现，部分企业单位由于缺少专门的技术操作人员，也没有专业的维修、维护、技术监督人员，这便给工程建设中的机械塔吊应用带来了较大的安全隐患。

针对此方面问题，上文完成了针对塔吊电机的振动故障诊断，为明确该系统的应用，对系统的详细操作步骤进行分析。

第一步：登录系统。用户只需在网络检索栏中输入相应的地址即可进入用户登录界面。在右边的登录窗口，只需输入个人的帐号、密码，然后按下“登陆”按钮，后台就会检查输入的帐号、密码是否正确，如显示“输出正确”，便可以登陆系统的首页。若显示“输出错误”，未通过身份验证，则需重新输入帐号密码，直到输入正确的信息。

第二步：功能展示。在系统的主页面，可以查看各种有关塔吊在作业工况、基本运行情况等。

第三步：塔吊设备部件管理。在塔吊部件信息管理页中，界面将对部件的重要参数进行详细地展示。比如产品编号、名称、型号等。如果一个元件有很多资料展示，这一部份的资料或资讯可能会应要求而被筛选。在搜索框中，用户可以输入零件的编码或名称，然后点击查询，后台可以以输入的信息为基础，对零件进行模糊查询或输入更多的信息在模糊查询结果中进行内容的精准筛查与定位，并将匹配的数据显示在页面上，供用户浏览。

第四步：塔吊电机振动波形展示与分析。此步骤是该系统的核心，设计中，此部分程序以WebApi 接口进行连接，塔吊电机在运行中，振动数据将根据预设周期进行反馈，通常情况下，数据的反馈格式为JSON格式，此格式的数据可以直接解析。无故障、存在故障的塔吊电机振动波形如图4、图5 所示。

图4 无故障的塔吊电机振动波形

图5 存在故障的塔吊电机振动波形

将反馈的塔吊电机振动波形图与知识库中的无故障、存在故障的塔吊电机振动波形图进行比对，以此种方式，便可以掌握塔吊电机是否在运行中存在故障。

结束语

塔式吊车是一种对安全性能有较高要求的大型工程机械设备，其使用与工程施工及人员的安全密切相关。在施工中，由于操作人员的原因，一旦电机设备出现故障，不仅会对施工进度造成很大影响，甚至会造成重大的安全事故。塔吊使用过程中，由于制动装置（电机）的转速降低，使得其运行速度降低，从而导致工作效率降低，甚至无法正常工作，这就需要对电机进行故障诊断。

在长期的运行中，设备会出现老化、失效现象，加之工程管理方缺乏对电机、轴承和齿轮等工程机械设备中易损件的加油、润滑和维护等，这些易损件将在发生微小故障后继续劣化，并在较长时间内带病的状态下作业，由早期的小故障发展到中期的齿轮和轴承的损伤，最终发展到设备的失效，进而引起设备的连锁故障和事故。为解决此方面问题，本文开展了此次研究，希望能够通过此次的研究，真正意义上解决塔吊在使用与操作中的安全问题，实现对其运行中故障进行及时诊断的同时，发挥塔吊机械设备更高的商用价值。