CN103175572A - 混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

一种混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，包括安装于臂架上对臂架的运行状况进行监测与信号采集的臂架传感器组件、安装于底架上并对底架的运行状况进行监测与信号采集的底架传感器组件、安装于液压系统上并对液压系统的运行状况进行监测与信号采集液压系统传感器组件、对上述各个传感器组件所采集的信号进行分析处理以对混凝土泵送设备的健康状态进行在线监测的状态监测单元、以及与所述状态监测单元连接并对混凝土泵送设备的故障进行预报和诊断的故障诊断单元。本发明中的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统可全面对混凝土泵送设备的臂架、底架、液压系统的运行状况进行监测并进行故障的诊断，提高混凝土泵送设备的整体性能。

Description

混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统

技术领域

本发明涉及一种混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统。

背景技术

混凝土泵送设备是一种用于输送和浇注混凝土的专用机械。混凝土泵送设备配有特殊的输送管道，可以将混凝土沿输送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。作为一种复杂的机电液耦合动力系统，混凝土泵送设备正朝着大排量、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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可保证混凝土泵送设备安全运行的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统。

本发明是这样实现的，提供一种混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，包括安装于臂架上对臂架的运行状况进行监测与信号采集的臂架传感器组件、安装于底架上并对底架的运行状况进行监测与信号采集的底架传感器组件、安装于液压系统上并对液压系统的运行状况进行监测与信号采集液压系统传感器组件、对上述各个传感器组件所采集的信号进行分析处理以对混凝土泵送设备的健康状态进行在线监测的状态监测单元、以及与所述状态监测单元连接并对混凝土泵送设备的故障进行预报和诊断的故障诊断单元。

进一步地，所述臂架传感器组件为多个，分别安装于所述臂架的每一臂节的远端靠近铰点处。

进一步地，每个臂架传感器组件包括三个传感器，所述三个传感器包括用于检测臂节的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器与第二振动传感器、以及用于检测臂架与水平面的夹角的倾角传感器。

进一步地，所述底架传感器组件包括安装于所述底架的横梁上的底架传感器第一分组件和安装于发动机的轴承座上的底架传感器第二分组件。

进一步地，所述底架传感器第一分组件包括三个传感器，所述三个传感器包括用于检测底架的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器与第二振动传感器、以及用于检测底架与水平面之间在纵向和横向上的夹角的倾角传感器。

进一步地，所述底架传感器第二分组件包括用于检测发动机的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器和第二振动传感器。

进一步地，所述液压系统传感器组件包括分别安装在所述臂架的每一臂节油缸的无杆腔和有杆腔上的第一压力传感器与第二压力传感器、安装在主泵送液压系统上的第三压力传感器、安装在混凝土泵送设备的主油缸上的第四压力传感器和第五压力传感器、安装在摆动液压系统上的第六压力传感器、安装在摆动油缸上的第七压力传感器、第八压力传感器、和安装在混凝土泵送设备的出口上的第九压力传感器。

进一步地，所述状态监测单元包括参数设置模块、稳态监测模块、瞬态监测模块、报警模块和数据存储模块。

进一步地，所述故障诊断单元包括经典稳态信号分析模块、非稳态信号分析模块和微弱特征信号提取模块。

进一步地，进一步包括信号调理单元和A/D转换单元，所述臂架传感器组件、底架传感器组件和液压系统传感器组件的信号通过所述信号调理单元传送至所述A/D转换单元实现信号的在线采集和数字化转换之后再传送至所述状态监测单元进行分析处理。

进一步地，进一步包括末臂节声光报警组件和遥控器声光报警组件，所述状态监测单元分别与所述末臂节声光报警组件、所述遥控器声光报警组件连接。

与现有技术相比，本发明中的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统采用先进的传感器检测技术和计算机技术，能方便的对混凝土泵送设备进行状态监测和故障诊断；而且，混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统可全面对混凝土泵送设备的臂架、底架、液压系统的运行状况进行监测并进行故障的诊断，可极大的提高混凝土泵送设备的整体性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例中混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统应用于混凝土泵送设备时的示意图。

图2为图1中混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统的结构框图。

图3为臂架传感器组件的结构示意图。

图4为液压系统传感器组件中的测点布置简图。

图5为图2中状态监测单元的结构框图。

图6为图2中故障诊断单元的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为本发明一实施例中混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统应用于混凝土泵送设备时的示意图。混凝土泵送设备可以为混凝土泵车、混凝土布料机等。混凝土泵送设备通常包括3~6段臂节。在图1所示的实施例中，以具有5段臂节的混凝土泵送设备为例进行说明。如图中所示，混凝土泵送设备100包括底架101、转台102、第一臂节104、第二臂节106、第三臂节108、第四臂节110、第五臂节112、第一臂节油缸114、第二臂节油缸116、第三臂节油缸118、第四臂节油缸120、第五臂节油缸122和末端软管124。

图2为图1中混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统的结构框图。如图2中所示，混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统包括硬件部分200和软件部分300。

硬件部分200可包括臂架传感器组件210、底架传感器组件220和液压系统传感器组件230。

其中，臂架传感器组件210分别安装于混凝土泵送设备100的臂架的每一臂节104、106、108、110、112的远端靠近铰点处（如图1中所示），用于监测臂架的姿态和振动情况。如图3所示，每个臂架传感器组件210分别包括三个传感器212、安装座214和保护罩216。三个传感器212分别为第一振动传感器212a、第二振动传感器212b和倾角传感器212c。第一振动传感器212a可以为速度传感器或加速度传感器。第二振动传感器212b可以为速度传感器或加速度传感器。倾角传感器212c可以为单轴的倾角传感器，供测量臂架与水平面的夹角。第一振动传感器212a和第二振动传感器212b用于检测臂节的振动情况且相互垂直安装，安装座214由两个相互正交的平面构成，保证第一振动传感器212a和第二振动传感器212b的正交关系，两平面上分别钻有螺纹孔（图未示），通过该螺纹孔实现3个传感器212的固定连接。保护罩216罩设在安装座214上。保护罩216上设有供数据信号线进行布设的通孔（图未标）。

底架传感器组件220安装于混凝土泵送设备100的底架101上，用于监测底架101纵向和横向的倾角、底架101的振动以及发动机（图未示）的振动情况。底架传感器组件220包括安装于底架101的横梁上的底架传感器第一分组件和安装于发动机的轴承座上的底架传感器第二分组件。所述底架传感器第一分组件包括三个传感器，所述三个传感器包括用于检测底架的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器与第二振动传感器、以及用于检测底架与水平面之间在纵向和横向上的夹角的倾角传感器；换言之，底架传感器第一分组件和臂架传感器组件210的结构一致，唯一不同的是底架传感器第一分组件中的倾角传感器为双轴的倾角传感器，可同时测量底架101的纵向和横向的角度。底架传感器第二分组件包括安装于发动机的轴承座上的第一振动传感器和第二振动传感器，两振动传感器相互垂直安装，分别监测正交方向上的发动机的振动，两振动传感器可分别为加速度传感器或速度传感器。

如图4所示，液压系统传感器组件230包括分别安装在每一臂节油缸114（116/118/120/122）的无杆腔和有杆腔上的第一压力传感器231和第二压力传感器232、安装在主泵送液压系统上的第三压力传感器241、安装在混凝土泵送设备的主油缸上的第四压力传感器242和第五压力传感器243、安装在摆动液压系统上的第六压力传感器244、安装在摆动油缸的第七压力传感器245和第八压力传感器246、安装在混凝土泵送设备的出口上的第九压力传感器247、和安装在液压油箱处的温度传感器248。

软件部分300可利用NI公司提供的I/O接口设备，使用LabVIEW语言编制。软件部分300可与硬件部分200紧密结合，可实现对混凝土泵送设备100的状态监测和故障诊断。在本实施例中，软件部分300由状态监测单元310和故障诊断单元320组成。

如图5所示，状态监测单元310包括参数设置模块312、稳态监测模块313、瞬态监测模块314、报警模块315和数据存储模块316。

系统参数对在线监测与故障诊断系统的精度有着重要的影响，不能随意修改，因此，在本实施例的参数设置模块312中给不同级别的用户设定了不同的权限。参数设置模块312可以设置传感器灵敏度、信号调理箱各模块的滤波、增益参数，A/D板的触发源、采样频率和采样长度等，还可对不同的测点设置不同的报警门限值、报警存盘参数及数据库的保存路径、数据保存时间间隔等。若操作人员不慎设置错误，参数设置模块312还提供了系统参数默认值恢复功能。

稳态监测模块313的各种监测模式从多角度提供泵车100的运行状态信息，主要包括：（1）总体监测模式：在泵车100结构平面简图上综合显示振动、液压、温度等信号；（2）棒图监测模式：用棒图的形式显示振动量、轴位移、液压、温度信号，直观易懂；（3）趋势监测模式：以动态曲线显示振动峰值、液压、温度的变化趋势，通道可随意组合；（4）波形频谱监测模式：显示振动信号的波形、频谱、峰值与谱值列表；（5）轴心轨迹监测模式：显示选定位置的轴心轨迹和轴心位置；（6）小波包能量监测模式：利用小波包分解，监视振动信号各频带能量的变化。

瞬态监测模块314主要包括：（1）随机监测：如临时需要数据，可以任意设置采样通道、采样频率和采样长度；（2）启停机监测：在泵车启动或停机时使用。可根据需要设置采样频率、采样长度，数据的存盘方式分等时间隔存盘和手动存盘等两种，采集的数据可供故障诊断单元320检索调用。

报警模块315包括三种报警方式：超限报警、增长报警、小波包分频带能量报警。超限报警是传统判断模式。若振动、液压、温度峰值出现连续增长，可能是泵车100运行工况正处于恶化的过程，也可能是故障的发生发展阶段，此时的数据可以用来对泵车100的运行状态进行预测和预报，系统的增长报警即为此而设置，用来敏锐捕捉、详细记录泵车100振动的发展趋势。小波包技术将信号无冗余、无疏漏、正交地分解到独立地频带内，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、非线性振动的能量（如摩擦、松动、爬行、碰撞等等），通过相应频带里能量比例的变化，可以对泵车100进行有效的检测。

数据存储模块316对系统监测数据、运行中发生的事件进行详细的记录，主要包括监测的各通道振动、液压、温度信号，进入、退出系统的时间，泵车报警的方式、通道、日期和时间，系统参数修改的时间等等，该数据库可以用状态监测单元310、故障诊断单元320进行调用和追忆。另外，报警前后的有关数据对分析诊断泵车100的运行故障有着非常重要的意义，必须加以详细记录。本实施例在内存中开辟一个区域作为黑匣子，泵车100正常运行时先入先出地保存最近5分钟的监测数据，一旦报警，立即将新采集到的数据追加存储在黑匣子内，报警结束后再拷贝到异常数据库中，从而无遗漏地记录报警前后整个过程，为故障的诊断提供了详细地信息。

如图6所示，故障诊断单元320可实现对泵车100的故障进行预报和诊断。故障诊断单元320包括经典稳态信号分析模块321、非稳态信号分析模块322和微弱特征信号提取模块323。

经典稳态信号分析模块321应用传统的时域、频域分析方法，适合于分析泵车100故障中的平稳信号，主要包括振动、液压信号的波形分析、频谱分析、统计特征分析、相关分析、回归分析、高精度幅值谱和功率谱、倒谱分析、高精度对数功率谱、时域细化分析、选频细化分析、原始轴心轨迹、提纯轴心轨迹和轴心位置等，综合运用，可以获得丰富地运行发展趋势和故障信息。

泵车100运行过程中，故障的发生或发展、运行工况的变化、驱动力、阻尼力、弹性力的非线性都可导致动态响应信号具有很大的非平稳性。发展迅猛的时频分析和小波变换是分析非平稳信号的强有力的工具。非稳态信号分析模块322提供了三维Wigner时频图分析、小波分析、小波包分析、小波包自回归谱分析、谐波小波分析、Laplace小波相关滤波分析、Hermitian小波奇异性分析、小波分形分析等方法，合理运用，可以有效地捕捉和诊断诸如松动、冲击等非线性故障。

微弱特征信号提取模块323是实现泵车系统状态监测与故障早期检测的关键技术，对于保证泵车100的可靠运行，避免重大事故的发生具有重要作用。泵车100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100的微弱特征信号检测成为难点。随机共振是一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。微弱特征信号提取模块323采用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。

此外，如图2所示，本实施例中的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统可进一步包括信号调理单元420、A/D转换单元440、末臂节声光报警组件460和遥控器声光报警组件480。信号调理单元420通过保护罩216上的通孔与各个传感器组件210、220、230连接，即硬件部分200与信号调理单元420连接。信号调理单元420进一步通过A/D转换单元440与软件部分300连接。具体地，A/D转换单元440与状态监测单元310连接。状态监测单元310分别与末臂节声光报警组件460、遥控器声光报警组件480连接。末臂节声光报警组件460和遥控器声光报警组件480都由报警灯和扬声器组成。

上述为本发明一实施例中的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统的结构，以下简述其使用过程。在使用过程中，安装于泵车100上的臂架传感器组件210、底架传感器组件220、液压系统传感器组件230的各种传感器信号通过信号调理单元420、A/D转换单元440实现信号的在线采集和数字化转换，状态监测单元310通过对采集的信号进行分析处理，对泵车100的健康状态进行在线监测报警，对出现超出设定安全阀值的情况，可及时发出声光报警信号给末臂节声光报警组件460和遥控器声光报警组件480；故障诊断单元320对泵车100的故障进行预报和诊断。

综上所述，本发明一实施例中的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统采用先进的传感器检测技术和计算机技术，能方便的对混凝土泵送设备100进行状态监测和故障诊断，诊断准确率高；而且，混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统可全面对混凝土泵送设备100的臂架、底架、液压系统的运行状况进行监测并进行故障的诊断，可极大的提高混凝土泵送设备100的整体性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，包括安装于臂架上对臂架的运行状况进行监测与信号采集的臂架传感器组件、安装于底架上并对底架的运行状况进行监测与信号采集的底架传感器组件、安装于液压系统上并对液压系统的运行状况进行监测与信号采集液压系统传感器组件、对上述各个传感器组件所采集的信号进行分析处理以对混凝土泵送设备的健康状态进行在线监测的状态监测单元、以及与所述状态监测单元连接并对混凝土泵送设备的故障进行预报和诊断的故障诊断单元。

2.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述臂架传感器组件为多个，分别安装于所述臂架的每一臂节的远端靠近铰点处。

3.如权利要求2所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，每个臂架传感器组件包括三个传感器，所述三个传感器包括用于检测臂节的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器与第二振动传感器、以及用于检测臂架与水平面的夹角的倾角传感器。

4.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述底架传感器组件包括安装于所述底架的横梁上的底架传感器第一分组件和安装于发动机的轴承座上的底架传感器第二分组件。

5.如权利要求4所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述底架传感器第一分组件包括三个传感器，所述三个传感器包括用于检测底架的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器与第二振动传感器、以及用于检测底架与水平面之间在纵向和横向上的夹角的倾角传感器。

6.如权利要求4所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述底架传感器第二分组件包括用于检测发动机的振动情况且相互垂直安装的第一振动传感器和第二振动传感器。

7.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述液压系统传感器组件包括分别安装在所述臂架的每一臂节油缸的无杆腔和有杆腔上的第一压力传感器与第二压力传感器、安装在主泵送液压系统上的第三压力传感器、安装在混凝土泵送设备的主油缸上的第四压力传感器和第五压力传感器、安装在摆动液压系统上的第六压力传感器、安装在摆动油缸上的第七压力传感器、第八压力传感器、和安装在混凝土泵送设备的出口上的第九压力传感器。

8.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述状态监测单元包括参数设置模块、稳态监测模块、瞬态监测模块、报警模块和数据存储模块。

9.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述故障诊断单元包括经典稳态信号分析模块、非稳态信号分析模块和微弱特征信号提取模块。  

10.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，进一步包括信号调理单元和A/D转换单元，所述臂架传感器组件、底架传感器组件和液压系统传感器组件的信号通过所述信号调理单元传送至所述A/D转换单元实现信号的在线采集和数字化转换之后再传送至所述状态监测单元进行分析处理。

11.如权利要求1所述的混凝土泵送设备状态监测与故障诊断系统，其特征在于，进一步包括末臂节声光报警组件和遥控器声光报警组件，所述状态监测单元分别与所述末臂节声光报警组件、所述遥控器声光报警组件连接。

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