CN103950837B - 一种起重机械的安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起重机械安全评价技术领域，具体来说是一种起重机械的安全监测系统及方法，包括起重机及计算机及应用工具，起重机主梁上盖板的下表面，沿主梁全长设有光纤光栅传感器，操作装置上设置位置传感器，在控制回路接入电流传感器；在动力回路接入相序传感器，在大车机构、小车机构和起升机构的电机-减速器之间、减速器-运动装置之间设有转速传感器，所述的起重机上还设有设备安全监控单元，所述的设备安全监控单元包括安全装置监测单元、维保检查单元、使用管理单元、安全风险提示单元。本发明同现有技术相比，其优点在于：实现对起重机械的动态安全监测和评价，能实时得到设备故障、维修保养和使用管理信息，保证起重机械的安全使用。

Description

一种起重机械的安全监测系统及方法

[技术领域]

本发明涉及起重机械使用管理和安全监测技术领域，具体来说是一种起重机械的安全监测系统及方法。

[背景技术]

起重机械是通过起重吊钩或其它取物装置起升或起升加移动重物，起重机械的工作过程一般包括起升、运行、下降及返回原位等步骤，起升机构通过取物装置从取物地点把重物提起，经运行、回转或变幅机构把重物移位，在指定地点下放重物后返回到原位。

起重机械是国家特种设备目录中的一个重要类别，容易造成人员伤亡或设备损坏事故，其安全状况对人身和财产安全具有重要影响。由于起重机械结构复杂、工作环境恶劣、载荷多变、工况复杂，设备任何一个环节出现故障都有可能导致事故的发生。从近年的事故统计分析，80％的事故是由于使用单位对设备的日常维修保养不够或违规操作造成的，因此，加强设备的动态安全监测、维保和使用管理，对提高设备安全使用具有重要现实意义。为了提高设备安全，起重机械使用单位要经常对在用的起重机械进行检查维保，并制订一项定期检查管理制度，包括日检、周检、月检、年检，对起重机进行动态监测，有异常情况及时发现，及时处理，从而保障起重机械安全运行，但是这种方法费时费力。当前，尚未实现对起重机械设备本体、维保情况和使用管理的动态监测。

[发明内容]

本发明的目的是提供一种远程、实时、可靠的，涵盖金属结构、电气控制、机械传动、维保检查和使用管理在内的起重机械安全监测系统和方法，解决起重机械设备本体、维保检查和使用管理的动态安全监测问题的起重机械的安全监测系统及方法。

为了实现上述目的，发明一种起重机械的安全监测系统，包括起重机及计算机及应用工具，其特征在于起重机主梁上盖板的下表面，沿主梁全长设有光纤光栅传感器，用于监测主梁应力状况，实现对起重机金属结构的安全监测；操作装置上设置位置传感器，用于监测操作信号；在控制回路接入电流传感器，用于监测控制回路通断状态；在动力回路接入相序传感器，用于监测动力回路通断状态，实现对起重机电气控制的安全监测；在大车机构、小车机构和起升机构的电机-减速器之间、减速器-运动装置之间设有转速传感器，用于监测电机、车轮、运动装置的转向和转速，实现对起重机机械传动的安全监测；所述的起重机上还设有设备安全监控单元，所述的设备安全监控单元包括安全装置监测单元、维保检查单元、使用管理单元、安全风险提示单元，能实时得到设备故障、维修保养和使用管理的信息，便于使用单位的设备故障检查、日常维护保养和使用管理，从而提高起重机械使用单位的维保检查和使用管理水平，保证起重机械的安全使用。

所述的运动装置为车轮或钢丝绳卷筒。

所述的安全风险提示单元包括显示屏、警报器、手机和电脑。

一种起重机械的安全监测系统的方法，所述的安全监控系统方法包括以下部分：

(1).金属结构安全监测单元

在起重机械金属结构的重要受力位置设置光纤光栅传感器，实时监测各部位的应力状况，将判定结果传送至设备安全监控单元；

(2).电气控制安全监测单元

将控制回路监测结果与操作信号对比，当操作信号为吊钩起升，监测到吊钩起升的控制回路处于断开状态，判定控制回路故障，反之则判定控制回路正常；将动力回路监测结果与控制回路监测结果对比，当吊钩起升控制回路接通，监测到吊钩起升的动力回路处于断开状态，判定动力回路故障，反之则判定动力回路正常，将控制回路和动力回路的判定结果传送至设备安全监控单元；

(3).机械传动安全监测单元

a.通过电机处转速传感器的转向和转速信号，计算得到相应机构大车车轮、小车车轮和卷筒的转向和转速，将计算值与机构处转速传感器的转向和转速信号比较，若转向一致，判定传动环节正常，反之则判定异常；若转速相对误差<设定值△，判定传动环节正常，反之则判定异常；

b.将大车车轮的转速信号两两比较，若转速相对误差<设定值△，判定大车同步正常，反之则判定大车同步异常，同理，可判定小车同步是否异常；

c.通过大车车轮转速信号，计算大车制动时间t，若最小允许值t_min≤计算值t≤最大允许值t_max，判定大车制动功能正常，反之判定异常，同理，可判定小车和起升制动功能是否异常；

d.将判定结果传送至设备安全监控单元。

(4).安全装置监测单元

安全装置监测单元接收起重机上起升高度限位器、小车行程限位器、大车行程限位器和起重量限制器的信号，并将信号传送至设备安全监控单元；

(5).安全风险提示单元

安全风险提示单元通过有线或无线传输方式，接收设备安全监控单元信息。

设备安全监控单元还包括维保检查单元及使用管理单元。

(1).维保检查单元

计算机及应用工具上设有根据维护保养计划将日常维护保养和检查记录录入，包括检查日期、检查情况、维护保养情况、交接班情况和故障情况，将维保和检查信息传送至设备安全监控单元；

(2).使用管理单元

计算机及应用工具上设有使用管理单元，使用管理单元划分为两级权限，低一级为起重机械操作人员，高一级为起重机械安全管理人员，对一般用途起重机械，通过指纹核对后，操作人员即可以启动起重机械；对重要用途的起重机械，须经安全管理人员通过指纹识别授权，并且操作人员通过指纹核对后方可启动起重机械，设备启动后，将操作人员ID传送至设备安全监控单元；

一种起重机械的安全监测系统的方法，所述的控制回路监测方法为当大车正向控制回路接通时，与大车正向控制回路相连的电流传感器有电流信号，判断大车正向控制回路接通；反之，当大车反向控制回路接通时，与大车反向控制回路相连的电流传感器有电流信号，判断大车反向控制回路接通，所述的小车和升降控制回路同理。

一种起重机械的安全监测系统的方法，所述的动力回路监控方法为当大车正向动力回路接通时，相连的相序传感器判断大车电机的交流电相序，假设X-Y-Z为正转相序，判断大车正向动力回路接通；反之，当大车反向动力回路接通时，相连的相序传感器判断大车电机的交流电相序Y-X-Z，判断大车反向动力回路接通，所述的小车和升降动力回路同理。

本发明同现有技术相比，其优点在于：设置电流传感器及相序传感器，监测控制回路及动力回路通断状态，运动机构上设置转速传感器监测电机、车轮、运动装置的转向和转速，并设备安全装置监测单元、维保检查单元、使用管理单元、安全风险提示单元，实现对起重机械金属结构、电气控制、机械传动、维保检查和使用管理的动态安全监测，能实时得到设备故障、维修保养和使用管理的信息，便于使用单位的设备故障检查、日常维护保养和使用管理，从而提高起重机械的安全使用效率。

[附图说明]

图1是本发明起重机结构图；

图2是本发明中主梁与光纤光栅传感器位置示意图；

图3是本发明中电机、减速器、运动装置、转速传感器连接示意图；

图4是本发明中控制回路示意图；

图5是本发明中动力回路示意图；

图6是本发明的系统示意图；

图中：1.大车轨道2.端梁3.司机室4.小车轨道5.小车架6.副起升机构7.主起升机构8.小车运行机构9.吊钩10.缓冲器11.大车运行机构12.主梁13.检修吊笼14.光纤光栅传感器；

指定图6作为本发明的摘要附图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。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。

如图1及图6所示，本发明中的起重机分为大车运行机构、小车运行机构和起升机构。大车电机通过减速器减速后带动大车车轮转动，大车车轮在大车轨道上运动；同样的，小车电机通过减速器减速后带动小车车轮转动，小车车轮在小车轨道上运动；起升电机通过减速器减速后带动卷筒转动，缠绕在卷筒上的钢丝绳将吊钩起升或下降，三者协调运动实现重物的搬运。

起重机金属结构主要是指主梁和端梁。本发明中光纤光栅传感器设置在主梁上盖板的下表面，沿主梁全长，如图2所示。

由于大车机构、小车机构和起升机构都是电机-减速器-运动装置(车轮或卷筒)的结构，因此，转速传感器分别安装在电机-减速器之间，减速器-运动装置之间，如图3所示。

电气控制安全监测单元的控制回路：

控制回路采用直流回路，如图4所示，控制回路属于二次回路，实现对动力回路的控制。以大车控制回路为例，当大车正向控制回路接通时，相连的电流传感器有电流信号，判断大车正向控制回路接通；反之，当大车反向控制回路接通时，相连的电流传感器有电流信号，判断大车发向控制回路接通，小车和升降控制回路同理。

电气控制安全监测单元的动力回路：

动力回路采用交流回路，如图5所示，电机正反转是通过动力回路三相交流电相序的切换实现的，X-Y-Z相序时电机正转，则Y-X-Z相序时电机反转。以大车动力回路为例，当大车正向动力回路接通时，相连的相序传感器判断大车电机的交流电相序(假设X-Y-Z为正转相序)，判断大车正向动力回路接通；反之，当大车反向动力回路接通时，相连的相序传感器判断大车电机的交流电相序Y-X-Z，判断大车反向动力回路接通，小车和升降动力回路同理。

设备安全监控单元是接收并储存金属结构安全监测单元、电气控制安全监测单元、机械传动安全监控单元、安全装置监测单元、维保检查单元和使用管理单元信号，每24小时，单元根据最近600小时内的监测数据做如下分析：

a.金属结构测量最大应力≥许用应力，判定设备金属结构安全风险高；测量最大应力≥85％许用应力，判定设备金属结构安全风险较高；测量最大应力<85％许用应力，判定设备金属结构安全风险低，并将判定结果储存；

b.通过电气控制安全监测单元计算，故障率(故障次数/工作时间)≥1次/200小时或相邻两次故障最短时间间隔≤100小时，判定电气控制安全风险高；故障率≥1次/300小时或相邻两次故障最短时间间隔≤150小时，判定电气控制安全风险较高；其余情况判定风险较低，并将判定结果储存；

c.通过机械传动安全监控单元计算，故障率≥1次/400小时或相邻两次故障最短时间间隔≤200小时，判定机械传动安全风险高；故障率≥1次/600小时或相邻两次故障最短时间间隔≤300小时，判定机械传动安全风险较高；其余情况判定风险较低，并将判定结果储存；

d.通过维保检查单元分析：维保检查完成率(维保检查录入次数/维保检查计划次数)≤85％，判定维保检查安全风险高；维保检查完成率≤95％，判定安全风险较高；其余情况判定风险较低，并将判定结果储存；

e.通过安全装置监测单元和使用管理单元，分析相应操作人员作业时间内起升高度限位器、小车行程限位器、大车行程限位器和起重量限制器动作频率(安全装置动作次数/工作时间)，对起升高度限位器、小车行程限位器、大车行程限位器，动作频率≥1次/30小时，判定该操作人员操作安全风险高；动作频率≥1次/45小时，判定该操作人员操作安全风险较高；其余情况判定风险较低，对起重量限制器，动作频率≥1次/60小时，判定该操作人员操作安全风险高；动作频率≥1次/90小时，判定该操作人员操作安全风险较高；其余情况判定风险较低，并将判定结果储存；

f.取金属结构、电气控制、机械传动、维保检查和操作安全风险监控中的最高风险等级作为该起重机械最终的安全风险监控等级，并将中间判定结果和最终判定结果传送至安全风险提示单元；

实施例1

在大车、小车、起升电机，大车车轮、小车车轮和钢丝绳卷筒上分别设置转速传感器，用于监测电机、车轮、卷筒的转向和转速。下面以大车为例介绍算法。

通过大车电机处转速传感器测得大车电机旋转方向，判断大车车轮的旋转方向，与大车车轮处转速传感器测得的旋转方向比较，若方向一致，判定传动环节正常，反之则判定异常；通过大车电机处转速传感器测得大车电机转速n_轮电，计算得到大车车轮的转速n_轮计，将计算值n_轮计与大车车轮处转速传感器测得的车轮转速n_轮比较，若转速相对误差：|n_轮计-n_轮|/n_轮<1％，判定传动环节正常，反之则判定异常。同理，可判定小车传动环节是否异常。

通过四个大车车轮处转速传感器测得四个车轮转速分别为n_轮1、n_轮2、n_轮3和n_轮4，将转速信号两两比较，若转速相对误差：|n_轮i-n_轮j|/n_轮j<1％(i，j＝1，2，3，4，且i≠j)，判定大车同步正常，反之则判定大车同步异常。同理，可判定小车同步是否异常。

通过大车车轮处转速传感器测得的车轮转速n_轮，计算得到大车速度v_大，以大车电机断电时刻T_始为时间起点，以大车停止运动时刻T_终(即大车车轮转速为0)时间终点，计算得到大车制动时间t_大：t_大＝T_终-T_始。制动时间的最大允许值为3s，最小允许值为1s，若1s≤t_大≤3s，判定大车制动功能正常，反之判定异常。同理，可判定小车制动功能是否异常。

通过大车电机处转速传感器测得大车电机转速n_电，计算得到大车车轮的转速n_计，将计算值n_计与大车车轮处转速传感器测得的车轮转速n_轮比较，若转速相对误差：|n_计-n_轮|/n_轮<1％，判定传动环节正常，反之则判定异常。同理，可判定小车传动环节是否异常。

通过起升电机处转速传感器测得起升电机旋转方向，判断卷筒的运动方向，与卷筒处的转速传感器测得的旋转方向比较，若方向一致，判定起升电机与卷筒之间传动环节正常，反之则判定异常；通过起升电机处转速传感器测得起升电机转速n_起电，计算得到卷筒的转速n_计卷，将计算值n_计卷与卷筒处转速传感器测得的卷筒转速n_卷比较，若转速相对误差：|n_计卷-n_卷|/n_卷<1％，判定起升电机与卷筒之间传动环节正常，反之则判定异常。

Claims (4)

1.一种起重机械的安全监测系统，包括起重机及计算机，其特征在于起重机主梁上盖板的下表面，沿主梁全长设有光纤光栅传感器，操作装置上设置位置传感器，用于监测操作信号；在控制回路接入电流传感器，用于监测控制回路通断状态；在动力回路接入相序传感器，用于监测动力回路通断状态，在大车机构、小车机构和起升机构的电机-减速器之间、减速器-运动装置之间设有转速传感器，用于监测电机、车轮、运动装置的转向和转速，所述的起重机上还设有设备安全监控单元，所述的设备安全监控单元包括安全装置监测单元、维保检查单元、使用管理单元、安全风险提示单元，所述的运动装置为车轮或钢丝绳卷筒，所述的安全风险提示单元包括显示屏、警报器、手机和电脑。

2.一种起重机械的安全监测系统的方法，其特征在于所述的安全监控系统方法包括以下部分：

(1).金属结构安全监测单元

在起重机械金属结构的重要受力位置设置光纤光栅传感器，实时监测各部位的应力状况，将判定结果传送至设备安全监控单元；

(2).电气控制安全监测单元

将控制回路监测结果与操作信号对比，当操作信号为吊钩起升，监测到吊钩起升的控制回路处于断开状态，判定控制回路故障，反之则判定控制回路正常；将动力回路监测结果与控制回路监测结果对比，当吊钩起升控制回路接通，监测到吊钩起升的动力回路处于断开状态，判定动力回路故障，反之则判定动力回路正常，将控制回路和动力回路的判定结果传送至设备安全监控单元；

(3).机械传动安全监测单元

a.通过电机处转速传感器的转向和转速信号，计算得到相应机构大车车轮、小车车轮和卷筒的转向和转速，将计算值与机构处转速传感器的转向和转速信号比较，若转向一致，判定传动环节正常，反之则判定异常；若转速相对误差<设定值△，判定传动环节正常，反之则判定异常；

b.将大车车轮的转速信号两两比较，若转速相对误差<设定值△，判定大车同步正常，反之则判定大车同步异常，同理，可判定小车同步是否异常；

c.通过大车车轮转速信号，计算大车制动时间，若最小允许值t_min≤计算值t≤最大允许值t_max，判定大车制动功能正常，反之判定异常，同理，可判定小车和起升制动功能是否异常；

d.将判定结果传送至设备安全监控单元

(4).安全装置监测单元

安全装置监测单元接收起升高度限位器、小车行程限位器、大车行程限位器和起重量限制器的信号，并将信号传送至设备安全监控单元；

(5).安全风险提示单元

安全风险提示单元通过有线或无线传输方式，接收设备安全监控单元信息。

3.如权利要求2所述的一种起重机械的安全监测系统的方法，其特征在于所述的控制回路的监测方法为当大车正向控制回路接通时，与大车正向控制回路相连的电流传感器有电流信号，判断大车正向控制回路接通；反之，当大车反向控制回路接通时，与大车反向控制回路相连的电流传感器有电流信号，判断大车反向控制回路接通，小车和升降控制回路同理。

4.如权利要求2所述的一种起重机械的安全监测系统的方法，其特征在于所述的动力回路的监控方法为当大车正向动力回路接通时，相连的相序传感器判断大车电机的交流电相序，假设X-Y-Z为正转相序，判断大车正向动力回路接通；反之，当大车反向动力回路接通时，相连的相序传感器判断大车电机的交流电相序Y-X-Z，判断大车反向动力回路接通，小车和升降动力回路同理。