1、工程機械實時故障檢測算法g . Cazzulani 米蘭理工大學 機械Engoneering部門 米蘭,意大利,20156年電子郵件:gabriele.cazzulanimail.polimi.it美國Moschini 米蘭理工大學 機械工程系 米蘭,意大利,20156年f . Ripamonti 米蘭理工大學 機械工程系 米蘭,意大利,20156年f .Resta 米蘭理工大學 機械工程系 米蘭,意大利,20156年文摘關于工地變得更加安全嚴格的這個話題總是更重要。受傷的主要原因是工人未覺察到結構機械故障,即起重機或支架。為了防止受傷,一個精確的維護是必須的。在最后維護中出現了一種新趨勢反對

2、程序維護。監測系統,基于條件的維護可能防止事故發生避免不必要的機械和停止相應的降低回報。摘要健康監測算法的類型學工程機械(混凝土取代吊桿)建議。該算法是基于知識的吊桿的幾何和動力學參數估計通過一個獨立的自學習過程。這個特性使診斷系統傾向于被開發很容易擴展到其他機械或工作領域。常見的失敗條件,比如超載或裂縫傳播,很容易表示。算法是數值和實驗特定的測試平臺驗證減少規模混凝土取代吊桿。結果,指的是檢測兩個模擬常見的故障條件下提出和討論。介紹通常工人嚴格的安全與他們的機械的健康的工作。在每個工作領域一個精確的維護是一個對預防傷害和這意味著合適的重要一步檢驗技術。一般來說,當前狀態的維護和可能有不同的方

3、法診斷。最古老的一個是程序維護,與固定的檢查間隔長度是基于統計計算。這種控制通常采用在工業部門工作質量控制或維護。控件通常只提供一些組件。進行不同的實驗技術,根據特征的材料檢查對象,如x射線、渦流或超聲波方法1。在過去的十年中已經成為一個新的可能的方法越來越有吸引力:連續監測因此基于狀態的維護。這種方法是專門為民用建筑,如橋梁,(2、3、4、5)。考慮自然的技術激勵,由于交通和環境條件下,因此,大多數的應用足夠的技術允許獲得動態信息的結構響應數據。一個正確的分析系統動力學可以定義其健康狀況。在有幾個例子研究科學文獻裂縫的存在和傳播的演示金屬懸臂梁(6、7、8)影響其動態行為。振動監測通常也用于

4、軸承鐵路行業的診斷。也在這種情況下,一個分析振動頻率是結構初期的癥狀失敗9。分析了歐洲和美國的致命傷害報告可以看出,建筑和建筑領域的最關鍵的工作部門。事實上,美國勞工統計局(Bureau of Labor統計局(BLS)的人口普查致命的職業傷害(CFOI(9、10)和歐洲統計事故工作(ESAW11)和損傷數據庫(IDB,12)顯示在過去幾十年的數量與工作有關的致命傷害事件結構的近兩倍的職業。例如關注挖土機械(鉸接式卡車,緊湊的跟蹤和多地形加載器、壓實工具、液壓挖掘機、攤鋪設備,混凝土取代吊桿、)常見的問題與電子/電氣相關的故障發生,失敗和結構。從安全的角度看來,第三絕對是最關鍵的一個。事實上,

5、雖然前兩個案件主要影響系統運動結構損傷會導致整個系統的崩潰。這意想不到的和突然的嚴重后果為工人們的安全危險。由于這些原因,研究的目的是檢測和結構失效的預防盡可能。結構損傷的最常見原因是裂縫傳播由于錯誤的設計,材料缺陷或過載狀態。后者通常一個不當有關使用的機械。采用診斷技術應該是絕對無損為了減少嗎維護成本結構盡量基業常青。專注于細長結構如起重機、吊桿或解除系統過載條件也負責機械推翻。這個事件非常重要的一種通常是嵌入在簡單的診斷系統運動系統。例如,有算法,一個過載條件下,使起重的停止引擎,以避免機器推翻。這個設備考慮的彎矩系統基礎通常出現在混凝土取代吊桿。因此,本研究提出的想法是好處持續的監控和綜

6、合診斷系統為了防止結構失效的一種特殊機器:混凝土取代吊桿。最終的目標是定義一個算法實時工作檢測過載條件和/或結構屬性變化。變化檢測的比較闡述了系統預定義的數據庫數據。是很重要的強調在文學沒有研究有關動態裂縫對如此復雜的結構的影響。作為一個結果,在目前工作的一些注意事項方法的可靠性也繪制。應用范圍:混凝土取代吊桿具體的機器取代吊桿(圖1)由幾個元素射線靈活,命名段后,串聯連接. 圖1:一個具體的取代操作條件的吊桿。每個部分由雙效的運動油液壓執行機構,通過連接結構合適的運動關節。混凝土泵,從基地的結構,最后,通過一個quasi-circular節管,安裝平行于吊桿本身。這種吊桿受環境干擾,例如風,

7、和混凝土泵。后者更重要,引起疲勞應力。它是基本特點是未知的和時間變量諧波。一般來說,是相當不可能的優化設計,以避免出現,在同一個頻率范圍,抽水和吊桿的自然頻率。在這個條件的吊桿經歷一個動態放大壓力。另一個重要的問題是這種使用不當吊桿。這不是不可能的吊桿的結束存在障礙或使用它來舉起的重量。過載,介紹,可能導致的一樣大工人與關鍵結構崩潰的后果安全。而且超過了最大承受載荷導致疲勞裂紋成核。所有這些原因診斷算法,基于圖2的方案,提出了 圖2:該計劃提出的診斷算法。過載檢測(舊)算法,將描述在以下,比較吊桿的質量分布,評估通過oil-dynamic執行機構力量,參考的檢測和量化的過載條件。在同時,固有頻

8、率的分析變異允許檢測吊桿動態行為的改變,例如:由于裂縫的存在8。有幾個模態頻率變化的技術種檢測(14、15)。許多這樣的技術需要在輸入白噪聲激勵,并不總是可用,和/或一個數據后處理,失去了適合實時屬性診斷系統。一個強大的工具能夠管理情況是擴展卡爾曼濾波器(EKF)(16、17)。這算法,在文學作為非線性系統最優的觀察者,允許某些未知參數估計的t考慮系統。不同的操作模式分析(OMA)技術,這種方法可以實現在真正的時間。在下一節中詳細描述的種算法具體應用問題調查報告。故障檢測算法雙方的工作防止診斷算法裂紋成核和傳播。特別是指圖2中,較低的一邊避免扮演著重要的角色令人心煩意亂的,一般來說,一個不受歡

9、迎的過載;上面,相反,由于一個有助于檢測頻率變化過載或傳播裂紋的存在。種算法是基于卡爾曼濾波器(KF)理論。KF的闡述了系統的行為來從一些已知估計其狀態變量測量和外部力量。考慮一個通用的動態系統狀態方程的形式在這個應用程序中模態的方法是一個有吸引力的解決方案允許減少自由度(自由度)使用正確描述經濟吊桿的動力。圖3實際上顯示了一個典型的技巧加速度(權力譜振幅)的吊桿強迫的沖動干擾。它強調,只有第一個模式(三)相關的吊桿動力學,特別是考慮到正常操作條件干擾部隊應用在0 - 0.6 Hz范圍內。圖3:大跨度混凝土取代的一個例子吊桿和記者功率譜振幅提示的外部擾動加速度b。在模態方法中,一般的運動方程,

10、規范化的模態質量,估計問題是帶回來一個優化,最小化一個合適的函數J表示的估計誤差(Kalman-Bucy過濾器(18、19)和獲取增益矩陣K解決黎卡提微分方程。KF的擴展卡爾曼濾波器是一種非線性系統參數估計問題。在這種情況下,方程(1)變成f和h兩個向量的通用函數的狀態變量,輸入和時間。介紹,最常見的應用之一卡爾曼濾波器的估計未知參數p(t)的被認為是獨立于系統動力學狀態和輸入)。為了估計狀態變量和所需的參數合適的放大狀態向量定義。此外一個虛構的高斯噪聲(wp)變成制定問題(非線性)可以減少的形式非常接近KF考慮線性化。在特殊的A,B和C,D矩陣可以線性化分別在此前估計的狀態和g和h輸入向量。

11、在考慮的情況下,系統參數,適合國家擴大,固有頻率和模態阻尼(4)。反正阻尼參數不敏感裂紋成核如果相比自然頻率。因此他們被假定常數和數值計算或實驗確定,而第一個自然頻率是最敏感裂紋成核(6、7、8),被選為額外的參數估計。放大狀態向量和矩陣分別成為Aa線性化后,輸入矩陣與一個英航= B額外的行恒等于零。這個問題h不是一個1，所以Ca創建的函數添加一個0列C,雖然Da = D。種將信號警報條件時的區別之間的頻率通過卡爾曼濾波器,1,參考價值大于一個合適的閾值。另一方面裂縫預防可以面對從另一個角度來看問題。裂紋起源時局部應力強化。這種結構接受因自己的疲勞應力和彎曲荷載重量。設計質量實際上達到無論如何

12、絕對可靠,所以上述結構的原因損害不太重要。所以真正的問題變成了由于結構的不當使用過載。一個過載條件的影響主要是吊桿的應變,石油的價值壓力在致動器和第一自然的價值頻率。為了檢測只有一個過載條件的存在足以提供自然頻率的信息。為了檢測只有一個過載條件的存在足以提供自然的信息嗎種頻率變異算法)。然而,如果它是需要量化過載,油壓測量是必需的。過載量化是例如基本控制吊桿開放為了避免吊桿傾覆。超載檢測(舊)基于等效質量的比較從執行機構力量連續段(估計)名義上的引用值識別考慮圖2可以發現雙方的種算法和舊)需要輸入的參考價值估計相比,一個為了檢測警報條件。此外,種需要一個數學模型系統的狀態變量表示。這些需求與先

13、前開發的數值可以滿足嗎？模型能夠吊桿或自學習算法，估計系統的動態參數。設計一個合適的數值模型需要長時間的驗證和分析實驗數據的收集字段。此外,潛在的各種各樣的吊桿為了滿足一個特定的工作現場,暗示了幾個不同的模型的發展。出于這個原因,想法是使用的初始工作時間開動的吊桿自學習過程并創建一個簡化的模型系統。必須區分了學習過程和種(圖4)。圖4:自學習算法的方案。需要知道的系統動力學描述使用更少的景深,根據模態的方法,并在狀態空間形式(矩陣方程A,B,C,D)。過程預測的最小二乘法最小化非實驗獲得的頻率響應函數參數估計量的輸入和響應收集數據。這個算法應該為每一個運行配置可及的吊桿。這顯然意味著失去一個一

14、定的時間,但可以避免通過驅動參考運動每次吊桿是在一個新的設置,在一天工作結束的例子。整個過程分為兩個步驟。第一個是用于識別的狀態矩陣最小化系統的頻率響應函數(降維)錯誤。系統頻響數據劃分和分組頻率范圍涉及每個模式標識(圖6)。一旦完成,狀態矩陣a第二減少步驟進行,涉及整個系統誤差(圖7)。第二步的目的是找到的系統觀測矩陣c輸入矩陣B不確定,但這是一個預先定義的。根據國家空間形態上半部分應該是統一的,而低一個是null。這正常化是可能的,因為矩陣B和C是因素潤揚懸索橋的乘法公式-I是單位矩陣與系統特征值在當前應用程序相關聯的貢獻D可以忽略不計,通過數值研究和如圖所示實驗結果,在以下將不復存在考慮

15、。種是直接的參考頻率從一個矩陣中提取(4)。舊的自學習算法評估扭矩由于體重力每一段的底部。在特殊過程,知道了作動器和力量吊桿的配置,得出各自的等效質量段從后者段和應用逆動力學公式。在計算的中心重力的立場是認為每個段的中間。實驗驗證為了驗證診斷算法,提出了一個實驗活動進行了一個測試平臺(一)(圖5),在先前的研究設計和建造工作20,復制一個具體的動態行為取代吊桿。圖5:實驗測試平臺(3段了模型的吊桿)。試驗裝置是一個按比例縮小的模型,約1:3,3段吊桿。它的主要功能是在表1表1:按比例縮小的模型長度和質量。吊桿的運動是通過三個油壓執行機構。每個執行機構提供了一個線性傳感器和一個負載細胞。此外五上

16、安裝加速度計吊桿的測量在幾個點的振動狀態結構(圖5b)。這實驗活動應用程序的第一步自主學習的過程。吊桿是定位在一個通用的配置,定義為每段水平線傾角以下配置1和命名(q1 = 16.5度,q2 = 17.5度,q3 = -11.5度)。關于舊的算法,這三個等效質量計算和存儲在數據庫中。關心的種的矩陣算法的識別一個脈沖激發被應用作為一個5毫米的位移第一個驅動器(吊桿的基礎)。selflearning過程的結果被發表在表2,參考群眾(舊)和參考頻率和無量綱阻尼(FVD）。表2:自學習算法的結果配置1。重要的是要強調通用需要不僅段質量的一部分致動器的貢獻;正如前面介紹的,認為等同起來。在圖7對比實驗頻

17、率響應函數(降維)和估計報道。第三段之間的降維計算小加速度和施加位移輸入。這是可能的注意,三種模式減少模型符合得很好實驗數據,展示良好的的識別,B和C,而矩陣D是null。圖6:自學習算法,單自由度估計。圖7:自學習算法,對比了結構(提示加速度超過第一個執行機構實施位移)實驗和數值估計。一旦自學習過程完成了測試模擬一個潛在的報警條件配置1被執行。在這個測試中,100年代開始后,10公斤質量是突然應用的第三段(圖測試數值和實驗調查。圖8和10公斤質量實驗測試平臺第三段。圖9顯示了種算法應用的結果,以前說,第一個頻率估計。數值或實驗測試導致的相同的結果。發現6.3%的頻率變化從0.95赫茲到0.8

18、9赫茲和報警信號(相應閾值±0.01赫茲,大約1%的名義值)。振蕩的時間主要是歷史由于卡爾曼濾波器的初始化。在100年代一個小差異可以注意到估計之間的動態。這是由于負載應用程序速度突然的實驗中的數值案例和平滑一點。在任何情況下,重要的是要記住這些考慮少估計速度重要非常慢現象,如裂縫傳播,正在接受調查。在實際情況中的應用可能其他問題的證據。特別是真正的分析影響裂縫在這樣一個復雜的結構仍然是一個研究開放的領域。數值試驗表明,一個完全裂紋傳播,打開至少1毫米,產生第一自然的一種變體大約1.67%的頻率非常接近的方法實施閾值(1%)。出于這個原因,考慮的非線性行為影響了系統固有頻率,更深的了

19、解方法的不確定性仍在進行中。除了頻率變化,數字和實驗結果顯示舊的應用程序。的數值結果證明了方法的能力識別質量變異在第三段。小的錯誤在實驗結果(大約-5%在第三段質量變化是由于不確定性的估計)吊桿的配置。段角度實際上是派生的致動器中風的測量19,忽視了經濟吊桿的靈活性。不管怎樣仍然能夠識別的算法報警的閾值克服(±1公斤,第三段標稱值的2.7%)。緩慢的變化確定的質量是在實驗的情況下,證明考慮。結論混凝土取代吊桿復雜的機械系統影響工人的安全,因為它們的結構損害。經常發生這種情況的不當使用吊桿的嘗試等吊裝重量或臨界條件由于對障礙的影響。這些過載條件可能引起裂紋的成核的吊桿。對于這些原因,一

20、個診斷算法能夠信號擾亂條件和潛在的裂紋成核和傳播已經開發出來。結果是實現檢測固有頻率的變化(種)或直接估算吊桿的當量變化(舊)。結合結構計算和實時卡爾曼濾波器導致診斷算法,可以認真改善工人安全。已被證明和表現方法批判性分析對其應用在真實的系統介紹了。確認研究開發的金融支持Cifa公司。按比例縮小的模型,這也提供了吊桿實驗測試。引用1Baldev Raj,賈古瑪t . m . Thavasimuthu實用的無損檢測。瑞斯出版有限公司,2001年。2Wei-Xin任正非,t·趙即Harik M.Asce。實驗和分析鋼拱橋j .結構的模態分析。Engrg。130(2004),1022 -

21、1031。3b·彼得斯,g . De Roeck Reference-Based隨機子空間識別輸出模態分析。MSSP 3(6)(1999),856 - 878。4l .何曼思h . Van Der Auweraer模態測試和在操作條件下結構分析:工業應用,MSSP 13(2)(1999)193 - 216。5美國Alampalli效果的測試,分析,損傷,環境對模態參數MSSP 14(1)(2000)63 - 74。6啟動制冷金:斯塔布斯,裂紋檢測梁的類型結構使用頻率數據的聲音和振動259(1)(2003)145 - 160。7通用Owolabi,A.S.J. Swamidas,r·瑟哈德里裂縫使用頻率和變化檢測光束頻率響應函數的振幅,雜志聲音和振動,265(1)(2003)22頁。8M . Vakil-Baghmisheh M。問題M.H.Sadeghi,M.M.Ettefagh裂紋檢測射線結構中使用遺傳算法。應用軟計算,8(2)(2006)1150 - 1160。9桑迪,J。為滾動元素、監測和