工程機(jī)械實時故障檢測算法

1、工程機(jī)械實時故障檢測算法g . Cazzulani 米蘭理工大學(xué) 機(jī)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(xué) 機(jī)械工程系 米蘭,意大利,20156年f . Ripamonti 米蘭理工大學(xué) 機(jī)械工程系 米蘭,意大利,20156年f .Resta 米蘭理工大學(xué) 機(jī)械工程系 米蘭,意大利,20156年文摘關(guān)于工地變得更加安全嚴(yán)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(jié)構(gòu)機(jī)械故障,即起重機(jī)或支架。為了防止受傷,一個精確的維護(hù)是必須的。在最后維護(hù)中出現(xiàn)了一種新趨勢反對

2、程序維護(hù)。監(jiān)測系統(tǒng),基于條件的維護(hù)可能防止事故發(fā)生避免不必要的機(jī)械和停止相應(yīng)的降低回報。摘要健康監(jiān)測算法的類型學(xué)工程機(jī)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(xué)參數(shù)估計通過一個獨立的自學(xué)習(xí)過程。這個特性使診斷系統(tǒng)傾向于被開發(fā)很容易擴(kuò)展到其他機(jī)械或工作領(lǐng)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(shù)值和實驗特定的測試平臺驗證減少規(guī)模混凝土取代吊桿。結(jié)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(yán)格的安全與他們的機(jī)械的健康的工作。在每個工作領(lǐng)域一個精確的維護(hù)是一個對預(yù)防傷害和這意味著合適的重要一步檢驗技術(shù)。一般來說,當(dāng)前狀態(tài)的維護(hù)和可能有不同的方

3、法診斷。最古老的一個是程序維護(hù),與固定的檢查間隔長度是基于統(tǒng)計計算。這種控制通常采用在工業(yè)部門工作質(zhì)量控制或維護(hù)?？丶ǔＶ惶峁┮恍┙M件。進(jìn)行不同的實驗技術(shù),根據(jù)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(jīng)成為一個新的可能的方法越來越有吸引力:連續(xù)監(jiān)測因此基于狀態(tài)的維護(hù)。這種方法是專門為民用建筑,如橋梁,(2、3、4、5)?？紤]自然的技術(shù)激勵,由于交通和環(huán)境條件下,因此,大多數(shù)的應(yīng)用足夠的技術(shù)允許獲得動態(tài)信息的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。一個正確的分析系統(tǒng)動力學(xué)可以定義其健康狀況。在有幾個例子研究科學(xué)文獻(xiàn)裂縫的存在和傳播的演示金屬懸臂梁(6、7、8)影響其動態(tài)行為。振動監(jiān)測通常也用于

4、軸承鐵路行業(yè)的診斷。也在這種情況下,一個分析振動頻率是結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的最關(guān)鍵的工作部門。事實上,美國勞工統(tǒng)計局(Bureau of Labor統(tǒng)計局(BLS)的人口普查致命的職業(yè)傷害(CFOI(9、10)和歐洲統(tǒng)計事故工作(ESAW11)和損傷數(shù)據(jù)庫(IDB,12)顯示在過去幾十年的數(shù)量與工作有關(guān)的致命傷害事件結(jié)構(gòu)的近兩倍的職業(yè)。例如關(guān)注挖土機(jī)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(jī)、攤鋪設(shè)備,混凝土取代吊桿、)常見的問題與電子/電氣相關(guān)的故障發(fā)生,失敗和結(jié)構(gòu)。從安全的角度看來,第三絕對是最關(guān)鍵的一個。事實上,

5、雖然前兩個案件主要影響系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)損傷會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。這意想不到的和突然的嚴(yán)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(jié)構(gòu)失效的預(yù)防盡可能。結(jié)構(gòu)損傷的最常見原因是裂縫傳播由于錯誤的設(shè)計,材料缺陷或過載狀態(tài)。后者通常一個不當(dāng)有關(guān)使用的機(jī)械。采用診斷技術(shù)應(yīng)該是絕對無損為了減少嗎維護(hù)成本結(jié)構(gòu)盡量基業(yè)常青。專注于細(xì)長結(jié)構(gòu)如起重機(jī)、吊桿或解除系統(tǒng)過載條件也負(fù)責(zé)機(jī)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(tǒng)運動系統(tǒng)。例如,有算法,一個過載條件下,使起重的停止引擎,以避免機(jī)器推翻。這個設(shè)備考慮的彎矩系統(tǒng)基礎(chǔ)通常出現(xiàn)在混凝土取代吊桿。因此,本研究提出的想法是好處持續(xù)的監(jiān)控和綜

6、合診斷系統(tǒng)為了防止結(jié)構(gòu)失效的一種特殊機(jī)器:混凝土取代吊桿。最終的目標(biāo)是定義一個算法實時工作檢測過載條件和/或結(jié)構(gòu)屬性變化。變化檢測的比較闡述了系統(tǒng)預(yù)定義的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。是很重要的強(qiáng)調(diào)在文學(xué)沒有研究有關(guān)動態(tài)裂縫對如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的影響。作為一個結(jié)果,在目前工作的一些注意事項方法的可靠性也繪制。應(yīng)用范圍:混凝土取代吊桿具體的機(jī)器取代吊桿(圖1)由幾個元素射線靈活,命名段后,串聯(lián)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(zhí)行機(jī)構(gòu),通過連接結(jié)構(gòu)合適的運動關(guān)節(jié)?；炷帘?從基地的結(jié)構(gòu),最后,通過一個quasi-circular節(jié)管,安裝平行于吊桿本身。這種吊桿受環(huán)境干擾,例如風(fēng),

7、和混凝土泵。后者更重要,引起疲勞應(yīng)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(dāng)不可能的優(yōu)化設(shè)計,以避免出現(xiàn),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(jīng)歷一個動態(tài)放大壓力。另一個重要的問題是這種使用不當(dāng)?shù)鯒U。這不是不可能的吊桿的結(jié)束存在障礙或使用它來舉起的重量。過載,介紹,可能導(dǎo)致的一樣大工人與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)崩潰的后果安全。而且超過了最大承受載荷導(dǎo)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(zhì)量分布,評估通過oil-dynamic執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(tài)行為的改變,例如:由于裂縫的存在8。有幾個模態(tài)頻率變化的技術(shù)種檢測(14、15)。許多這樣的技術(shù)需要在輸入白噪聲激勵,并不總是可用,和/或一個數(shù)據(jù)后處理,失去了適合實時屬性診斷系統(tǒng)。一個強(qiáng)大的工具能夠管理情況是擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)(16、17)。這算法,在文學(xué)作為非線性系統(tǒng)最優(yōu)的觀察者,允許某些未知參數(shù)估計的t考慮系統(tǒng)。不同的操作模式分析(OMA)技術(shù),這種方法可以實現(xiàn)在真正的時間。在下一節(jié)中詳細(xì)描述的種算法具體應(yīng)用問題調(diào)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(tǒng)的行為來從一些已知估計其狀態(tài)變量測量和外部力量?？紤]一個通用的動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)方程的形式在這個應(yīng)用程序中模態(tài)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(jīng)濟(jì)吊桿的動力。圖3實際上顯示了一個典型的技巧加速度(權(quán)力譜振幅)的吊桿強(qiáng)迫的沖動干擾。它強(qiáng)調(diào),只有第一個模式(三)相關(guān)的吊桿動力學(xué),特別是考慮到正常操作條件干擾部隊?wèi)?yīng)用在0 - 0.6 Hz范圍內(nèi)。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(tài)方法中,一般的運動方程,

10、規(guī)范化的模態(tài)質(zhì)量,估計問題是帶回來一個優(yōu)化,最小化一個合適的函數(shù)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(kuò)展卡爾曼濾波器是一種非線性系統(tǒng)參數(shù)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(shù)的狀態(tài)變量,輸入和時間。介紹,最常見的應(yīng)用之一卡爾曼濾波器的估計未知參數(shù)p(t)的被認(rèn)為是獨立于系統(tǒng)動力學(xué)狀態(tài)和輸入)。為了估計狀態(tài)變量和所需的參數(shù)合適的放大狀態(tài)向量定義。此外一個虛構(gòu)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(tài)和g和h輸入向量。

11、在考慮的情況下,系統(tǒng)參數(shù),適合國家擴(kuò)大,固有頻率和模態(tài)阻尼(4)。反正阻尼參數(shù)不敏感裂紋成核如果相比自然頻率。因此他們被假定常數(shù)和數(shù)值計算或?qū)嶒灤_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(shù)估計。放大狀態(tài)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(chuàng)建的函數(shù)添加一個0列C,雖然Da = D。種將信號警報條件時的區(qū)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(yù)防可以面對從另一個角度來看問題。裂紋起源時局部應(yīng)力強(qiáng)化。這種結(jié)構(gòu)接受因自己的疲勞應(yīng)力和彎曲荷載重量。設(shè)計質(zhì)量實際上達(dá)到無論如何

12、絕對可靠,所以上述結(jié)構(gòu)的原因損害不太重要。所以真正的問題變成了由于結(jié)構(gòu)的不當(dāng)使用過載。一個過載條件的影響主要是吊桿的應(yīng)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(zhì)量的比較從執(zhí)行機(jī)構(gòu)力量連續(xù)段(估計)名義上的引用值識別考慮圖2可以發(fā)現(xiàn)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(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的狀態(tài)變量表示。這些需求與先

13、前開發(fā)的數(shù)值可以滿足嗎？模型能夠吊桿或自學(xué)習(xí)算法，估計系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)。設(shè)計一個合適的數(shù)值模型需要長時間的驗證和分析實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)場,暗示了幾個不同的模型的發(fā)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(xué)習(xí)過程并創(chuàng)建一個簡化的模型系統(tǒng)。必須區(qū)分了學(xué)習(xí)過程和種(圖4)。圖4:自學(xué)習(xí)算法的方案。需要知道的系統(tǒng)動力學(xué)描述使用更少的景深,根據(jù)模態(tài)的方法,并在狀態(tài)空間形式(矩陣方程A,B,C,D)。過程預(yù)測的最小二乘法最小化非實驗獲得的頻率響應(yīng)函數(shù)參數(shù)估計量的輸入和響應(yīng)收集數(shù)據(jù)。這個算法應(yīng)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(qū)動參考運動每次吊桿是在一個新的設(shè)置,在一天工作結(jié)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(tài)矩陣最小化系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)(降維)錯誤。系統(tǒng)頻響數(shù)據(jù)劃分和分組頻率范圍涉及每個模式標(biāo)識(圖6)。一旦完成,狀態(tài)矩陣a第二減少步驟進(jìn)行,涉及整個系統(tǒng)誤差(圖7)。第二步的目的是找到的系統(tǒng)觀測矩陣c輸入矩陣B不確定,但這是一個預(yù)先定義的。根據(jù)國家空間形態(tài)上半部分應(yīng)該是統(tǒng)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(tǒng)特征值在當(dāng)前應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)的貢獻(xiàn)D可以忽略不計,通過數(shù)值研究和如圖所示實驗結(jié)果,在以下將不復(fù)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(xué)習(xí)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(zhì)量段從后者段和應(yīng)用逆動力學(xué)公式。在計算的中心重力的立場是認(rèn)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(jìn)行了一個測試平臺(一)(圖5),在先前的研究設(shè)計和建造工作20,復(fù)制一個具體的動態(tài)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(zhì)量。吊桿的運動是通過三個油壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了一個線性傳感器和一個負(fù)載細(xì)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(tài)結(jié)構(gòu)(圖5b)。這實驗活動應(yīng)用程序的第一步自主學(xué)習(xí)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(guān)于舊的算法,這三個等效質(zhì)量計算和存儲在數(shù)據(jù)庫中。關(guān)心的種的矩陣算法的識別一個脈沖激發(fā)被應(yīng)用作為一個5毫米的位移第一個驅(qū)動器(吊桿的基礎(chǔ))。selflearning過程的結(jié)果被發(fā)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(xué)習(xí)算法的結(jié)果配置1。重要的是要強(qiáng)調(diào)通用需要不僅段質(zhì)量的一部分致動器的貢獻(xiàn);正如前面介紹的,認(rèn)為等同起來。在圖7對比實驗頻

17、率響應(yīng)函數(shù)(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(shù)據(jù),展示良好的的識別,B和C,而矩陣D是null。圖6:自學(xué)習(xí)算法,單自由度估計。圖7:自學(xué)習(xí)算法,對比了結(jié)構(gòu)(提示加速度超過第一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)實施位移)實驗和數(shù)值估計。一旦自學(xué)習(xí)過程完成了測試模擬一個潛在的報警條件配置1被執(zhí)行。在這個測試中,100年代開始后,10公斤質(zhì)量是突然應(yīng)用的第三段(圖測試數(shù)值和實驗調(diào)查。圖8和10公斤質(zhì)量實驗測試平臺第三段。圖9顯示了種算法應(yīng)用的結(jié)果,以前說,第一個頻率估計。數(shù)值或?qū)嶒灉y試導(dǎo)致的相同的結(jié)果。發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(tài)。這是由于負(fù)載應(yīng)用程序速度突然的實驗中的數(shù)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(xiàn)象,如裂縫傳播,正在接受調(diào)查。在實際情況中的應(yīng)用可能其他問題的證據(jù)。特別是真正的分析影響裂縫在這樣一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)仍然是一個研究開放的領(lǐng)域。數(shù)值試驗表明,一個完全裂紋傳播,打開至少1毫米,產(chǎn)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(tǒng)固有頻率,更深的了

19、解方法的不確定性仍在進(jìn)行中。除了頻率變化,數(shù)字和實驗結(jié)果顯示舊的應(yīng)用程序。的數(shù)值結(jié)果證明了方法的能力識別質(zhì)量變異在第三段。小的錯誤在實驗結(jié)果(大約-5%在第三段質(zhì)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(fēng)的測量19,忽視了經(jīng)濟(jì)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(biāo)稱值的2.7%)。緩慢的變化確定的質(zhì)量是在實驗的情況下,證明考慮。結(jié)論混凝土取代吊桿復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)影響工人的安全,因為它們的結(jié)構(gòu)損害。經(jīng)常發(fā)生這種情況的不當(dāng)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(jīng)開發(fā)出來。結(jié)果是實現(xiàn)檢測固有頻率的變化(種)或直接估算吊桿的當(dāng)量變化(舊)。結(jié)合結(jié)構(gòu)計算和實時卡爾曼濾波器導(dǎo)致診斷算法,可以認(rèn)真改善工人安全。已被證明和表現(xiàn)方法批判性分析對其應(yīng)用在真實的系統(tǒng)介紹了。確認(rèn)研究開發(fā)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(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。Engrg。130(2004),1022 -

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