CN210802895U - 起重机减速机异常侦测设备 - Google Patents

Abstract

起重机减速机异常侦测设备，包括震动检测传感器和声音采集传感器，震动检测传感器内有横向挡板，壳体下中部有开口。活塞探针包括依次固定的上端杆、中间部和下端锥形。活塞探针上端杆向上穿过挡板。活塞探针上端杆上套设有弹簧，弹簧上端与挡板下表面相抵顶，弹簧下端与活塞探针中间部上表面相抵顶。活塞探针尾部与连杆下端铰接。连杆上端与活塞运动方向变换齿轮的齿轮面铰接。活塞运动方向变换齿轮和角度传感器被动齿轮啮合。下端锥形部锥形尖端镶嵌槽内有球形探头。每个声音采集传感器均包括声音采集传感器壳体，内填充吸音层。吸音层内有拾音器和振膜，振膜连接外伸探针。通过两种传感器实现了起重机减速机异常侦测和报警。

Description

起重机减速机异常侦测设备

技术领域

本实用新型属于机械装置检测领域，特别涉及起重机减速机异常侦测设备。

背景技术

由于目前自动化起重机在大面积普及，起重机运行已经步入无人驾驶阶段，人员也被裁剪，而因此也导致起重机的每班的例行点检和短期性的阶段点检无法正常实施。所以目前在自动化起重机的实施过程中都会进行起重机安全监控系统的实施。但起重机安全监控系统目前也仅限于对可以进行电气检测的设备进行安全检测和评估，对于一些机械设备通常束手无策，尤其是减速机这一起重机运行安全的关键设备，还无法代替人工完成设备的点检。

起重机本身是一个运行时固有震动比较强烈的设备，无论在载荷吊运过程中还是在大小车运行过程中都会有比较强烈的抖动出现，所以减速机的正常运行震动与异常时的震动状态混合在一起难以进行甄别。但是起重机的异常震动通常会是一个周期性很强，但频率较低的震动，通常起重机的电动机的转速在750~1500rpm之间，所以电动机高速轴震动频率在12.5Hz~25Hz之间，震动幅度为0.01mm~1mm，而低速轴的震动频率就更低了，震动频率在0.1Hz~10Hz之间，震动幅度为0.01mm~1mm，而起重机工作时产生的附加震动是没有周期性的，正常工作震动频率也比较大，通常瞬间的震动频率在几百赫兹至1千赫兹。所以采用一个低频的震动传感器可以有效将工作震动进行滤波掉，只检测异常的震动。震动传感器可以在减速机的运行中进行长期检测，在减速机即将出现故障时进行预警，但对于突发性损坏通常无法进行检测，因为突发性故障没有循序渐进的过程，发生故障时通常是部件急剧损坏造成，所以很大可能性不存在周期性的震动，而是普遍性的噪音，所以还需要声音采集传感器的介入，对比常规的运行声音进行甄别，正常的设备运行时候声音频率在基本100Hz~500Hz之间，异常声音频率大多在500Hz~1000Hz之间。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供起重机减速机异常侦测设备，通过多个震动检测传感器和多个声音采集传感器，实现起重机减速机的异常侦测功能。

采用的技术方案是：

起重机减速机异常侦测设备，包括多个震动检测传感器和多个声音采集传感器。

其技术要点在于：

每个震动检测传感器均包括震动检测传感器壳体。

震动检测传感器壳体中部固定横向设置的挡板。

震动检测传感器壳体的下中部有开口，在开口边缘形成一圈凸台。

活塞探针包括依次固定连接的上端杆、中间部和下端锥形。

中间部和凸台位置和形状均对应限位配合。

活塞探针的上端杆向上穿过挡板。

活塞探针的上端杆上套设有弹簧，弹簧的上端与挡板下表面相抵顶，弹簧的下端与活塞探针的中间部上表面相抵顶。

活塞探针的下端锥形部向下伸出震动检测传感器壳体下中部的开口。

活塞探针尾部与连杆下端铰接，连杆倾斜设置。

连杆上端与活塞运动方向变换齿轮的齿轮面铰接。

活塞运动方向变换齿轮轴横向设置支撑在震动检测传感器壳体的侧面。

活塞运动方向变换齿轮和角度传感器被动齿轮啮合。

角度传感器被动齿轮设置在横向设置的角度传感器轴上。

活塞运动方向变换齿轮直径大于角度传感器被动齿轮直径。

每个声音采集传感器均包括声音采集传感器壳体。

声音采集传感器壳体内填充吸音层。

吸音层内设有拾音器。

声音采集传感器壳体内侧底部安装振膜，振膜也设置在吸音层内，振膜与拾音器的采集口相对设置。

振膜连接探针，探针伸出声音采集传感器壳体之外。

下端锥形部锥形尖端镶嵌槽内有可滚动球形探头。

可滚动球形探头为可更换部件,可在发生磨损后进行备件更换。

上端杆为圆柱体，中间部为圆柱体，下端锥形为尖端向下的圆锥体，同轴线设置。

上端杆与挡板为密封滑动配合。

中间部与壳体内表面为密封滑动配合。

中间部与挡板之间填充高粘度润滑油。

中间部与挡板之间具有一定程度的气密性。

连杆倾斜角度在与水平方向夹角A为60°~70°之间,可避免出现传动卡死的情况。

其优点在于：

通过多个震动检测传感器和多个声音采集传感器，以及一些辅助机械结构，实现起重机减速机的一些关键参数进行安全分析和检测，实现起重机减速机的异常侦测功能。减速机的异常通常表现在声音和震动方面，所以通过针对本实用新型的震动检测传感器和声音采集传感器进行减速机的数据采集，然后通过数据服务器进行分析，从而实现减速机的运行状态的侦测，对于异常状态进行报警。

本技术方案将实现一种全新的起重机减速机异常侦测设备，可以实现针对起重机减速机的低频震动和大幅度震动的有效检测，可以对起重机减速机的复杂的震动和声音数据进行有效过滤，做到对起重机减速机的有效震动数据和声音数据进行检测和整形，得到有效的特征数据，可以有效适应起重机减速机的特种震动和声音特征的检测要求，可以长时间进行起重机减速机的异常检测，并得到起重机减速机的异常数据检测和报警。

本设计中的震动检测传感器，可以有效将工作震动（固有震动和附加震动）进行滤波掉，只检测异常震动，可以在较大的幅度范围内进行有效检测，可以在起重机的运行中进行长期检测，从而实现对起重机即将出现的故障进行预警，可以实现针对起重机的低频震动和大幅度震动的有效检测，可以有效过滤无效的震动（固有震动和附加震动），做到对起重机的有效震动（异常震动）数据进行检测，并且可以适应起重机的特种设备检测要求，可以长时间进行震动检测，并得到起重机的所需有效震动数据。

附图说明

图1为震动检测传感器的主视结构示意图。

图2为震动检测传感器的侧视结构示意图。

图3为声音采集传感器的结构示意图。

图4为以一通用桥式起重机常用的三轴减速机为例，说明本专利设备的基本应用的主视图。

图5为以一通用桥式起重机常用的三轴减速机为例，说明本专利设备的基本应用的侧视图。

图6为系统结构图。

图7为程序框架图。

震动检测传感器壳体1、挡板2、活塞探针3、弹簧4、开口5、下板6、凸台7、上端杆8、中间部9、下端锥形部10、连杆11、活塞运动方向变换齿轮12、前板13、变换齿轮轴套14、角度传感器被动齿轮15、角度传感器16、后板17、球形探头18、被动齿轮轴套19、震动检测传感器20、声音采集传感器21、声音采集传感器壳体22、吸音层23、拾音器24、振膜25、服务器26、报警设备27、数据采集卡28、探针29、高速输入轴30、低速输出轴31。

具体实施方式

起重机减速机异常侦测设备，包括多个震动检测传感器20和声音采集传感器21。

每个震动检测传感器20均包括震动检测传感器壳体1，为长方体形状，由前板13、后板17、左板、右板、上板和下板6固定连接形成震动检测传感器壳体1。

震动检测传感器壳体1中部固定设有横向设置的挡板2。

下板6中部开口5（圆口），在下板6边缘形成一圈凸台7。

活塞探针3包括上端杆8、中间部9和下端锥形10。

上端杆8为圆柱体，中间部9为圆柱体，下端锥形10为尖端向下的圆锥体。

上端杆8直径小于中间部9直径。

下端锥形部10上底面直径小于中间部9直径，大于上端杆8直径。

上端杆8、中间部9和下端锥形部10同轴线依次固定设置。

震动检测传感器壳体1内表面与中间部9相配合的内壁也为圆柱体形状。

上端杆8与挡板2为密封滑动配合。

中间部9与壳体1内表面为密封滑动配合。

中间部9与挡板2之间填充高粘度润滑油。

中间部9与挡板2之间具有一定程度的气密性。

中间部9下表面和凸台7位置和形状均对应限位配合。

活塞探针3的上端杆8向上穿过挡板2。

活塞探针3的上端杆8上套设有弹簧4，弹簧4的上端与挡板2下表面相抵顶，弹簧4的下端与活塞探针3的中间部9上表面相抵顶。

活塞探针3的下端锥形部10（头部）向下伸出震动检测传感器壳体1的下板6中部开口5。

活塞探针3尾部延伸的安装部（板状）与连杆11下端铰接。

连杆11位于挡板2上方。

连杆11上端与活塞运动方向变换齿轮12的齿轮面铰接。

活塞运动方向变换齿轮12轴通过横向设置的变换齿轮轴套14支撑在前板13内侧面。

连杆11设置在活塞运动方向变换齿轮12前方。

连杆11倾斜设置。

活塞运动方向变换齿轮12和角度传感器被动齿轮15啮合。

角度传感器被动齿轮15设置在横向设置的角度传感器16轴上。

角度传感器16轴通过横向设置的被动齿轮轴套19支撑在后板17内侧面。

角度传感器16轴可以在被动齿轮轴套19内灵活转动。

角度传感器16固定在后板17外侧面上，采用倍加福公司的FVS58绝对值编码器作为角度传感器。

角度传感器被动齿轮15设置在活塞运动方向变换齿轮12下方。

下端锥形部10锥形尖端镶嵌槽内有球形探头18，球形探头18可以在镶嵌槽内滚动。

球形探头18为可更换部件,便于在磨损后更换备件。

活塞运动方向变换齿轮12直径大于角度传感器被动齿轮15直径。

连杆11倾斜角度与水平方向夹角A为60°。

每个声音采集传感器21均包括：声音采集传感器壳体22（密闭的长方壳体）。

声音采集传感器壳体22内填充吸音层23，具体吸音材料为吸音棉（为市售的已知产品）。

吸音层23内设有拾音器24，对应连线穿出声音采集传感器壳体22。

声音采集传感器壳体22内侧底部安装振膜25，振膜25也设置在吸音层23内，振膜25与拾音器24的采集口相对设置。

振膜25连接探针29，探针29伸出声音采集传感器壳体22之外。

每个震动检测传感器20的输出端均与数据采集卡28对应连接。

每个声音采集传感器21的输出端均与数据采集卡28对应连接。

数据采集卡28与服务器26（可为电脑）对应连接。

服务器26连接有报警设备27（报警设备27为已知技术，例如喇叭、报警灯）。

拾音器24型号为X7-AUDIO。

本专利采用标准服务器26作为数据库载体和计算程序载体,采用NI高性价比USB多功能I/O数据采集卡28,型号采用USB-6003, 数据采集卡28具有8个数据采集通道,最大采样率100kS/s,输入分辨率16位,输入绝对精度6 mV,具有较高的性价比和较高的精度。

活塞运动方向变换齿轮12轴和变换齿轮轴套14均固定在壳体1上，活塞运动方向变换齿轮12在活塞运动方向变换齿轮12轴上转动。

被动齿轮轴套19固定在壳体1上，角度传感器被动齿轮15与角度传感器16轴紧密配合。

角度传感器被动齿轮15与角度传感器16轴同步转动。

由于采用高粘度润滑油和弹簧4使得活塞探针3对高频震动不敏感，仅对低频的震动做到可靠检测。高粘润滑油可以选择昆仑天润系列的润滑油。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

夹角A为65°。

以连杆11的倾斜角度为65°为例，连杆11有效长度15mm（连杆11上下两个铰接点之间有效长度），连杆11与活塞运行方向变换齿轮12的铰接点运动半径为10mm（铰接点到活塞运行方向变换齿轮12的圆心）为例进行几何计算，可以得到在活塞探针3移动0.01mm时，活塞运行方向变换齿轮12将旋转0.069°，在活塞探针3移动1mm时，活塞运行方向变换齿轮12旋转角度为5.527°，活塞运行方向变换齿轮12和角度传感器被动齿轮15的旋转角度变比为1:5，所以角度传感器被动齿轮15的角度变化分别为0.345°~27.635°，在角度传感器16采用13位总分辨率的传感器时，则角度传感器16的检测数据的变化为7~628，较常规的紧密震动检测仪器相比可以检测的震动幅度大大提高，完全可以满足减速机的震动检测（0.01mm~1mm的震动幅度）。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：

夹角A为70°。

综上所述：球形探头18负责接触采集物体外表面（电动机、减速机等的壳体、轴表面），球形探头18能有效降低接触面积和接触摩擦力，可以用于检测滚动部件的震动检测。球形探头18镶嵌在活塞探针3的下端锥形部10（锥形探针）最顶端，活塞探针3通过弹簧4产生一定压力，保持球形探头18与被测设备的可靠接触，在发生震动时不会导致球形探头18因大幅度震动导致脱离被测设备的外表面，导致无法进行检测。活塞探针3尾部连接连杆11，连杆11连接在活塞运行方向变换齿轮12上。连杆11和活塞运行方向变换齿轮12将活塞探针3的直线运动变换为圆周运动。活塞运行方向变换齿轮12和角度传感器被动齿轮15啮合，将活塞探针3的运动传递给角度传感器16。为了避免出现传动死角,导致传动机构出现卡死的情况,其连杆11需要采用一定倾斜角度安装, 连杆11倾斜角度与水平方向夹角A为60°~70°之间均可避免出现传动卡死的情况。震动检测传感器壳体1采集的震动幅度在0.01mm~1mm，震动频率0.1Hz ~100Hz。

由于传动部件位于震动检测传感器壳体1的中心位置，活塞运动方向变换齿轮12和角度传感器被动齿轮15所在的传动轴都相对较长，为了避免发生干涉，活塞运动方向变换齿轮12和角度传感器被动齿轮15的出轴方向相反，角度传感器16固定在震动检测传感器壳体1外部，有效缩小传动机构的内部空间，并且便于维护和选择不同型号的传感器。

由于起重机的工作环境非常嘈杂，噪音污染非常严重，要想采集减速机的声音必须对环境的噪音进行过滤，设计了所述的声音采集传感器21，将拾音器24镶嵌在吸音层23的中心位置，有效避免外界噪音的干扰。在声音采集传感器壳体22内侧底部安装一个振膜25，同样镶嵌在吸音层23中，通过吸音层23进行固定，振膜25连接一个探针29，探针29伸出声音采集传感器壳体22之外，探针29与被测设备外表面直接接触，通过吸收被测设备的壳体震动将声音传递到振膜25上，振膜25随着探针29的震动还原设备的震动声音，振膜25与拾音器24的采集口相对，所以声音将被拾音器24采集到。如此设计可以有效避免外界环境噪音对设备本身的震动声音的干扰，本声音采集传感器21可以采集的声音频率在100Hz~5000Hz之间。

数据采集器28负责将多个震动传感器20和多个声音采集传感器21的数据进行采集与记录，然后将数据发送给服务器26，由服务器26对这些数据进行分析，尤其声音数据需要进行大数据比对加以甄别。如果甄别出异常情况则向报警设备27发出信息，通过报警设备27进行声光报警。

下面以图4和图5为例：是一通用桥式起重机常用的三轴减速机为例，说明本设备的基本应用。

常用三轴减速机具有三个传动轴（包括一个高速输入轴30和一个低速输出轴31）。由于起重机的震动非常复杂，所以在减速机上反应出来的震动是非常复杂的混合震动，所以在减速机的震动检测中需要进行细致的甄别处理才能检测出来有效震动信号。图4中的1、2、3、4四点位置为减速机外壳的主要震动采集点，这个四个点将反应减速机的壳体的整体震动情况。其中1、2两点为减速机的安装点，这两点的震动将于起重机的震动同步，其检测数据将作为无效震动数据的滤波数据，用于将其他震动检测数据中的无效数据进行过滤，可以滤除起重机整体震动对对局部震动的影响。其中3、4两点将检测减速机的壳体的震动状态数据，可以检测减速机的整体的震动数据，也是减速机的整体震动的主要的数据。图5中5点为低速输出轴，6点为高速输入轴，这两点（轴表面）将采集输入输出轴的抖动情况，用于判断轴承以及润滑的状态。7、8、9三点将作为声音的采集和震动检测的混合检测点，由于这三个位置的震动受整体震动影响较大，并且为轴承检测点，具有明显的震动特征和在声音特征，声音通过加装声音采集传感器21进行声音采集，而震动通过加装震动检测传感器20检测。

根据本专利的系统结构图，图6，声音采集传感器21的数据和震动检测传感器20数据都将被数据采集卡28采集和记录，然后交由服务器26进行处理。服务器26根据数据采集卡28的以及九个震动检测传感器20和三个声音采集传感器21的布置，以及针对减速机的震动异常的统计数据库，对无效数据进行过滤，对有效数据进行放大，整形，得到特征震动数据，再根据异常的震动特征数据库进行比对，即可得到震动异常的报警数据。而声音数据同样需要进行放大、整形从而得到声音特征数据，再根据异常的声音特征数据库进行比对，即可得到声音的异常报警数据。

九个震动检测传感器20和三个声音采集传感器21有单独的支架（辅助机械装置）就近支撑在减速机底部的起重机结构体上。

点3、4、7、8、9处的传感器均竖向设置，球形探头18和探针29均从上方向下进行检测。点5、6处的震动检测传感器20均水平设置在侧面设置，球形探头18从侧面进行检测。

本专利程序将基于大量的数据原型实现，所以首先要通过震动检测传感器20和声音采集传感器21在多台起重机、多台减速机、多点测量后得到原始的数据，其中包括正常的数据和异常的数据，必须保证减速机的测量数量大于100台，每个测量点的有效采集次数超过1000次，其中正常的状态下的数据和异常状态下的数据量为1:1，这样才能保证在实际应用是时的校对数据的可靠性。

图7为本专利的程序框架图：程序开始时将通过循环的方式采集震动检测传感器20为九个：震动检测传感器20第一至第九，声音采集传感器28，为三个：第一至第三的数据，其中震动传感器20在点1和点2处为基础采样数据，因其采集的是减速机的底座震动，为起重机的固有震动，这两个震动检测传感器20的数据作为其他的震动检测传感器20的滤波数据，然后通过现有的通用数据整形算法将其进行变换得到特征数据。对于声音传感器也采用现有的通用数据整形算法将其进行变换得到特征数据。然后将震动数据特征值与正常的数据库中对应采集点的数据进行比较得到校对数据a3至a9，再与异常数据库中的对应采集点的数据进行比较得到校对数据f3至f9。声音数据也进行如此计算比较，也分别得到了校对数据A1至A3，和F1至F3。然后将震动数据校对数据a3至a9与正常数据的阀值进行比较，得到正常震动差异值a3’至a9’, 将震动数据校对数据f3至f9与异常数据的阀值进行比较，得到异常震动差异值f3’至f9’。再将声音数据校对数据A1至A3与正常数据的阀值进行比较，得到正常声音差异值A1’至A3’, 将声音数据校对数据F1至F3与异常数据的阀值进行比较，得到异常声音差异值F1’至F3’。最终在将这些阀值进行判断,如果阀值都在正常范围内则忽略所有检测，如果有一至三项（包括声音和震动数据异常任意三项）阀值出现异常则进行警告处理，如果有超过三项阀值出现异常做进行故障处理，同时将所有声音数据归档,将所有震动数据归档,将计算的声音数据的特征值归档，将计算的震动数据的特征值归档，将声音数据与正常声音数据库比较的结果归档，将声音数据与异常声音数据库比较的结果归档，将震动数据与正常震动数据库比较的结果归档，将震动数据与异常震动数据库比较的结果归档。

Claims (8)

1.起重机减速机异常侦测设备，包括多个震动检测传感器(20)和多个声音采集传感器(21)，其特征在于：

每个震动检测传感器(20)均包括震动检测传感器壳体(1)；

震动检测传感器壳体(1)中部固定横向设置的挡板(2)；

震动检测传感器壳体(1)的下中部有开口(5)，在开口(5)边缘形成一圈凸台(7)；

活塞探针(3)包括依次固定连接的上端杆(8)、中间部(9)和下端锥形部(10)；

中间部(9)和凸台(7)位置和形状均对应限位配合；

活塞探针(3)的上端杆(8)向上穿过挡板(2)；

活塞探针(3)的上端杆(8)上套设有弹簧(4)，弹簧(4)的上端与挡板(2)下表面相抵顶，弹簧(4)的下端与活塞探针(3)的中间部(9)上表面相抵顶；

活塞探针(3)的下端锥形部(10)向下伸出震动检测传感器壳体(1)下中部的开口(5)；

活塞探针(3)尾部与连杆(11)下端铰接，连杆(11)倾斜设置；

连杆(11)上端与活塞运动方向变换齿轮(12)的齿轮面铰接；

活塞运动方向变换齿轮(12)轴横向设置支撑在震动检测传感器壳体(1)的侧面；

活塞运动方向变换齿轮(12)和角度传感器被动齿轮(15)啮合；

角度传感器被动齿轮(15)设置在横向设置的角度传感器(16)轴上；

活塞运动方向变换齿轮(12)直径大于角度传感器被动齿轮(15)直径；

每个声音采集传感器(21)均包括声音采集传感器壳体(22)；

声音采集传感器壳体(22)内填充吸音层(23)；

吸音层(23)内设有拾音器(24)；

声音采集传感器壳体(22)内侧底部安装振膜(25)，振膜(25)也设置在吸音层(23)内，振膜(25)与拾音器(24)的采集口相对设置；

振膜(25)连接探针(29)，探针(29)伸出声音采集传感器壳体(22)之外。

2.根据权利要求1所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：

下端锥形部(10)锥形尖端镶嵌槽内有球形探头(18)。

3.根据权利要求1所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：

上端杆(8)为圆柱体，中间部(9)为圆柱体，下端锥形部(10)为尖端向下的圆锥体；

上端杆(8)直径小于中间部(9)直径；

下端锥形部(10)上底面直径小于中间部(9)直径，大于上端杆(8)直径；

震动检测传感器壳体(1)内表面与中间部(9)相配合的内壁也为圆柱体形状；上端杆(8)、中间部(9)和下端锥形部(10)同轴线设置；

上端杆(8)与挡板(2)为密封滑动配合；

中间部(9)与壳体(1)内表面为密封滑动配合；

中间部(9)与挡板(2)之间填充高粘度润滑油。

4.根据权利要求1所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：

活塞运动方向变换齿轮(12)轴通过横向设置的变换齿轮轴套(14)支撑在前板(13)前侧面内；

角度传感器(16)轴通过被动齿轮轴套(19)支撑在震动检测传感器壳体(1)的后侧面内；连杆(11)设置在活塞运动方向变换齿轮(12)前方。

5.根据权利要求4所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：角度传感器(16)固定在震动检测传感器壳体(1)的后侧面外；

角度传感器被动齿轮(15)设置在活塞运动方向变换齿轮(12)下方。

6.根据权利要求1所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：

连杆(11)倾斜角度与水平方向夹角A为60°～70°。

7.根据权利要求6所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：

夹角A为60°或者夹角A为65°或者夹角A为70°。

8.根据权利要求1所述的起重机减速机异常侦测设备，其特征在于：

活塞运动方向变换齿轮(12)和角度传感器被动齿轮(15)的旋转角度变比为1:5。

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