工程机械实时故障检测算法

工程机械实时故障检测算法g . Cazzulani米兰理工大学机械Engoneering部门米兰,意大利,20156年电子邮件:gabriele.cazzula ni mail.polimi.it美国Moschini米兰理工大学机械工程系米兰,意大利,20156年f . Ripamonti米兰理工大学机械工程系米兰,意大利,20156年f .Resta米兰理工大学机械工程系米兰,意大利,20156年文摘关于工地变得更加安全严格的这个话题总是更重要。受伤的主要原因是工人未觉察到结构 机械故障，即起重机或支架。为了防止受伤，一个精确的维护是必须的。在最后维护中出现了 一种新趋势反对程序维护。监测系统，基于条件的维护可能防止事故发生避免不必要的机械 和停止相应的降低回报。摘要健康监测算法的类型学工程机械（混凝土取代吊杆）建议。该算 法是基于知识的吊杆的几何和动力学参数估计通过一个独立的自学习过程。这个特性使诊断 系统倾向于被开发很容易扩展到其他机械或工作领域。常见的失败条件，比如超载或裂缝 传播，很容易表示。算法是数值和实验特定的测试平台验证减少规模混凝土取代吊杆。结果 指的是检测两个模拟常见的故障条件下提出和讨论。介绍通常工人严格的安全与他们的机械的健康的工作。在每个工作领域一个精确的维护是一个 对预防伤害和这意味着合适的重要一步检验技术。一般来说，当前状态的维护和可能有不同 的方法诊断。最古老的一个是程序维护，与固定的检查间隔长度是基于统计计算。这种控制 通常采用在工业部门工作质量控制或维护。控件通常只提供一些组件。进行不同的实验技术, 根据特征的材料检查对象，如x射线、涡流或超声波方法1。在过去的十年中已经成为一个 新的可能的方法越来越有吸引力:连续监测因此基于状态的维护。这种方法是专门为民用建 筑,如桥梁，（2、3、4、5）。考虑自然的技术激励，由于交通和环境条件下，因此，大多数的应 用足够的技术允许获得动态信息的结构响应数据。一个正确的分析系统动力学可以定义其健 康状况。在有几个例子研究科学文献裂缝的存在和传播的演示金属悬臂梁（6、7、8）影响其 动态行为。振动监测通常也用于轴承铁路行业的诊断。也在这种情况下，一个分析振动频率 是结构初期的症状失败9。分析了欧洲和美国的致命伤害报告可以看出，建筑和建筑领域的 最关键的工作部门。事实上，美国劳工统计局（Bureau of Labor统计局（BLS）的人口普查致命 的职业伤害（CFOI（9、10）和欧洲统计事故工作（ESAW11）和损伤数据库（IDB,12）显示在过 去几十年的数量与工作有关的致命伤害事件结构的近两倍的职业。例如关注挖土机械（铰接 式卡车，紧凑的跟踪和多地形加载器、压实工具、液压挖掘机、摊铺设备，混凝土取代吊杆、） 常见的问题与电子/电气相关的故障发生，失败和结构。从安全的角度看来，第三绝对是最关键 的一个。事实上，虽然前两个案件主要影响系统运动结构损伤会导致整个系统的崩溃。这意 想不到的和突然的严重后果为工人们的安全危险。由于这些原因，研究的目的是检测和结构 失效的预防尽可能。结构损伤的最常见原因是裂缝传播由于错误的设计，材料缺陷或过载状 态。后者通常一个不当有关使用的机械。采用诊断技术应该是绝对无损为了减少吗维护成本 结构尽量基业常青。专注于细长结构如起重机、吊杆或解除系统过载条件也负责机械推翻。 这个事件非常重要的一种通常是嵌入在简单的诊断系统运动系统。例如有算法，一个过载条件下，使起重的停止引擎，以避免机器推翻。这个设备考虑的弯矩系统基础通常出现在混凝土 取代吊杆。因此，本研究提出的想法是好处持续的监控和综合诊断系统为了防止结构失效的 一种特殊机器:混凝土取代吊杆。最终的目标是定义一个算法实时工作检测过载条件和/或结 构属性变化。变化检测的比较阐述了系统预定义的数据库数据。是很重要的强调在文学没有 研究有关动态裂缝对如此复杂的结构的影响。作为一个结果，在目前工作的一些注意事项方 法的可靠性也绘制。应用范围:混凝土取代吊杆具体的机器取代吊杆（图1）由几个元素射线灵活，命名段后，串联连接.图1: 一个具体的取代操作条件的吊杆每个部分由双效的运动油液压执行机构，通过连接结构合适的运动关节。混凝土泵,从基地 的结构，最后，通过一个quasi-circular节管，安装平行于吊杆本身。这种吊杆受环境干扰，例如 风，和混凝土泵。后者更重要，引起疲劳应力。它是基本特点是未知的和时间变量谐波。一般 来说，是相当不可能的优化设计，以避免出现，在同一个频率范围，抽水和吊杆的自然频率。在 这个条件的吊杆经历一个动态放大压力。另一个重要的问题是这种使用不当吊杆。这不是不 可能的吊杆的结束存在障碍或使用它来举起的重量。过载，介绍，可能导致的一样大工人与关 键结构崩溃的后果安全。而且超过了最大承受载荷导致疲劳裂纹成核。所有这些原因诊断算 法,基于图2的方案，提出了nni图2:该计划提出的诊断算法过载检测（旧）算法，将描述在以下,比较吊杆的质量分布，评估通过oil-dy namic执行机构力量, 参考的检测和量化的过载条件。在同时，固有频率的分析变异允许检测吊杆动态行为的改变, 例如:由于裂缝的存在8。有几个模态频率变化的技术种检测（14、15）。许多这样的技术需 要在输入白噪声激励，并不总是可用，和/或一个数据后处理，失去了适合实时属性诊断系统。一个强大的工具能够管理情况是扩展卡尔曼滤波器（EKF）（16、17）。这算法，在文学作为非线 性系统最优的观察者，允许某些未知参数估计的t考虑系统。不同的操作模式分析（0 MA）技术, 这种方法可以实现在真正的时间。在下一节中详细描述的种算法具体应用问题调查报告。故障检测算法双方的工作防止诊断算法裂纹成核和传播。特别是指图2中，较低的一边避免扮演着重要的角色令人心烦意乱的，一般 来说，一个不受欢迎的过载；上面，相反，由于一个有助于检测频率变化过载或传播裂纹的存 在。种算法是基于卡尔曼滤波器（KF）理论。KF的阐述了系统的行为来从一些已知估计其状 态变量测量和外部力量。考虑一个通用的动态系统状态方程的形式*）二匚或）十血0十凶）where:- A is the state matrix- B is- the input matrix- C and D arc the 口bw?n.ratioTi matrices.- is the state vector- 丁） im the nicasuremenjts vector- 邑is liic iRput vector-and are respectively the system and the observation Gautijn. noisei.在这个应用程序中模态的方法是一个有吸引力的解决方案允许减少自由度（自由度）使用 正确描述经济吊杆的动力。图3实际上显示了一个典型的技巧加速度（权力谱振幅）的吊杆强 迫的冲动干扰。它强调，只有第一个模式（三）相关的吊杆动力学,特别是考虑到正常操作条件 干扰部队应用在0 - 0.6 Hz范围内。ni图3:大跨度混凝土取代的一个例子吊杆和记者功率谱振幅 提示的外部扰动加速度b。在模态方法中，一般的运动方程,规范化的模态质量，wlicre:- 硝 is the 严 modal dr- 二 is the non-diiiiensiona I damping of thei1h modal dwf- l 宙(he ilh natural frequency- Qj is (he Lagrange co-mponciK of theacti ve forces for tilt iilL modal dofwhile the state matrijc A, for the considered three modes, bceomcE:论00-號00 一0-鸳300-诚dA =00-2啟00Z-宓1000000i0000_ 001000Starting from this formulatin, the cstinmion.左,is made它and ）of a pmiktian and a corrcctioii step. The fiomicr i* an th.cnuiJierica.1 irindcl of the system (A, B and C niannccs), th.c latteris based an a suitable weighting of the diffcrcnce between thepredicted and ea-lleetcd Tncafiurenieiit data；（心越十B/r）十K*）-）（5）估计问题是带回来一个优化，最小化一个合适的函数J表示的估计误差（Kalma n-Bucy过滤器 （18、19）和获取增益矩阵K解决黎卡提微分方程。KF的扩展卡尔曼滤波器是一种非线性系 统参数估计问题。在这种情况下，方程（1）变成少二（或。电（加）+涣）血訥琐“酣耳应=f和h两个向量的通用函数的状态变量，输入和时间。介绍，最常见的应用之一卡尔曼滤波器 的估计未知参数p（t）的被认为是独立于系统动力学状态和输入）。为了估计状态变量和所需 的参数合适的放大状态向量定义。此外一个虚构的高斯噪声（wp）变成世j）+凶）1%制定问题（非线性）可以减少的形式非常接近KF考虑线性化。在特殊的A,B和C,D矩阵可以 线性化分别在此前估计的状态和g和h输入向量。在考虑的情况下，系统参数，适合国家扩大, 固有频率和模态阻尼（4）。反正阻尼参数不敏感裂纹成核如果相比自然频率。因此他们被假 定常数和数值计算或实验确定，而第一个自然频率是最敏感裂纹成核（6、7、8）,被选为额外的 参数估计。放大状态向量和矩阵分别成为Aa0（-苛000000io）线性化后，输入矩阵与一个英航=B额外的行恒等于零。这个问题h不是一个1所以Ca创 建的函数添加一个0列C,虽然Da = D。种将信号警报条件时的区别之间的频率通过卡尔曼 滤波器，el参考价值大于一个合适的阈值。另一方面裂缝预防可以面对从另一个角度来看问 题。裂纹起源时局部应力强化。这种结构接受因自己的疲劳应力和弯曲荷载重量。设计质量 实际上达到无论如何绝对可靠,所以上述结构的原因损害不太重要。所以真正的问题变成了 由于结构的不当使用过载。一个过载条件的影响主要是吊杆的应变，石油的价值压力在致动 器和第一自然的价值频率。为了检测只有一个过载条件的存在足以提供自然频率的信息。为 了检测只有一个过载条件的存在足以提供自然的信息吗种频率变异算法）。然而，如果它是需 要量化过载，油压测量是必需的。过载量化是例如基本控制吊杆开放为了避免吊杆倾覆。超 载检测（旧）基于等效质量的比较从执行机构力量连续段（估计）名义上的色匸=酗囚二（印-巧皿）=（却山诚丿- Cis the gravi ty torque- due to the mass- in is the riLass. of the i-th segment- is the gravity accc-cnitinri- I is tbe distance between the segment start and the added mass position- Fp is the measured force- Ap is the 卩rcssure variaiion inside the cy indcr- J is the cylinder crass-s&ction引用值识别考虑图2可以发现双方的种算法和旧）需要输入的参考价值估计相比,一个为了检测警报条 件。此外，种需要一个数学模型系统的状态变量表示。这些需求与先前开发的数值可以满足 吗？模型能够吊杆或自学习算法，估计系统的动态参数。设计一个合适的数值模型需要长时 间的验证和分析实验数据的收集字段。此外，潜在的各种各样的吊杆为了满足一个特定的工 作现场，暗示了几个不同的模型的发展。出于这个原因，想法是使用的初始工作时间开动的吊 杆自学习过程并创建一个简化的模型系统。必须区分了学习过程和种（图4）。图4:自学习算法的方案。需要知道的系统动力学描述使用更少的景深，根据模态的方法，并在状态空间形式（矩阵方程 A,B,C,D）。过程预测的最小二乘法最小化非实验获得的频率响应函数参数估计量的输入和响 应收集数据。这个算法应该为每一个运行配置可及的吊杆。这显然意味着失去一个一定的时 间，但可以避免通过驱动参考运动每次吊杆是在一个新的设置，在一天工作结束的例子。整个 过程分为两个步骤。第一个是用于识别的状态矩阵最小化系统的频率响应函数（降维）错误。系统频响数据划分和分组频率范围涉及每个模式标识（图6）。一旦完成，状态矩阵a第二减少 步骤进行，涉及整个系统误差（图7）。第二步的目的是找到的系统观测矩阵c输入矩阵B不确 定，但这是一个预先定义的。根据国家空间形态上半部分应该是统一的，而低一个是null。这 正常化是可能的，因为矩阵B和C是因素润扬悬索桥的乘法公式FAF = C7,（AI-A）BL2耳 1/ blPTT口入I是单位矩阵与系统特征值在当前应用程序相关联的贡献D可以忽略不计，通过数值研究 和如图所示实验结果，在以下将不复存在考虑。种是直接的参考频率从一个矩阵中提取（4）。旧的自学习算法评估扭矩由于体重力每一段的底部。在特殊过程，知道了作动器和力量吊杆 的配置，得出各自的等效质量段从后者段和应用逆动力学公式。在计算的中心重力的立场是 认为每个段的中间。实验验证为了验证诊断算法,提出了一个实验活动进行了一个测试平台（一）（图5）,在先前的研究设计 和建造工作20,复制一个具体的动态行为取代吊杆。图5:实验测试平台（3段了模型的吊杆）。试验装置是一个按比例缩小的模型，约1:3,3段吊杆。它的主要功能是在表1Length | mm|kgSegmnl 14J00134.5Segmnl 24000122.5Segmnl 3350022Arfuntur 1J7Arfuntur 21J7Actuitor 394表1：按比例缩小的模型长度和质量。吊杆的运动是通过三个油压执行机构。每个执行机构提供了一个线性传感器和一个负载细 胞。此外五上安装加速度计吊杆的测量在几个点的振动状态结构（图5b）。这实验活动应用程序的第一步自主学习的过程。吊杆是定位在一个通用的配置,定义为每段水平线倾角以下 配置1和命名（口 1 = 16.5度，口 2 =仃.5度，口 3 = -11.5度）。关于旧的算法，这三个等效质量 计算和存储在数据库中。关心的种的矩阵算法的识别一个脉冲激发被应用作为一个5毫米 的位移第一个驱动器（吊杆的基础）。selflearning过程的结果被发表在表2,参考群众（旧）和参 考频率和无量纲阻尼（FVD）。1mref 3326.7 kg235 J kg37.4 kg20.95 Hz2.82 He4.98 Hz呱0.1?%0.34%0-骑表2:自学习算法的结果配置1。重要的是要强调通用需要不仅段质量的一部分致动器的贡献；正如前面介绍的，认为等同起 来。在图7对比实验频率响应函数（降维）和估计报道。第三段之间的降维计算小加速度和施 加位移输入。这是可能的注意，三种模式减少模型符合得很好实验数据，展示良好的的识别,B 和C,而矩阵D是null。llolnDDfflEmFwZI3D1D图6:自学习算法,单自由度估计FroALKnctflHsl图7:自学习算法，对比了结构（提示加速度超过第一个执行机 构实施位移）实验和数值估计。一旦自学习过程完成了测试模拟一个潜在的报警条件配置1被执行。在这个测试中,100年 代开始后,10公斤质量是突然应用的第三段（图测试数值和实验调查。图8和10公斤质量实验测试平台第三段。图9显示了种算法应用的结果,以前说，第一个频率估计。数值或实验测试导致的相同的结果。发现6.3%的频率变化从0.95赫兹到0.89赫兹和报警 信号（相应阈值士0.01赫兹，大约1%的名义值）。振荡的时间主要是历史由于卡尔曼滤波器的 初始化。在100年代一个小差异可以注意到估计之间的动态。这是由于负载应用程序速度 突然的实验中的数值案例和平滑一点。在任何情况下，重要的是要记住这些考虑少估计速度 重要非常慢现象，如裂缝传播，正在接受调查。在实际情况中的应用可能其他问题的证据。特 别是真正的分析影响裂缝在这样一个复杂的结构仍然是一个研究开放的领域。数值试验表明, 一个完全裂纹传播，打开至少1毫米，产生第一自然的一种变体大约1.67%的频率非常接近的 方法实施阈值（1%）。出于这个原因考虑的非线性行为影响了系统固有频率，更深的了解方法 的不确定性仍在进行中。除了频率变化，数字和实验结果显示旧的应用程序。的数值结果证 明了方法的能力识别质量变异在第三段。小的错误在实验结果（大约-5%在第三段质量变化 是由于不确定性的估计）吊杆的配置。段角度实际上是派生的致动器中风的测量19,忽视了D 204060 E0 10012Q14431-60 ISO 200liirKr|s经济吊杆的灵活性。不管怎样仍然能够识别的算法报警的阈值克服（1公斤，第三段标称值的 2.7%）。缓慢的变化确定的质量是在实验的情况下，证明考虑。20-2结论混凝土取代吊杆复杂的机械系统影响工人的安全，因为它们的结构损害。经常发生这种情况 的不当使用吊杆的尝试等吊装重量或临界条件由于对障碍的影响。这些过载条件可能引起裂 纹的成核的吊杆。对于这些原因，一个诊断算法能够信号扰乱条件和潜在的裂纹成核和传播 已经开发出来。结果是实现检测固有频率的变化（种）或直接估算吊杆的当量变化（旧）。结合 结构计算和实时卡尔曼滤波器导致诊断算法，可以认真改善工人安全。已被证明和表现方法 批判性分析对其应用在真实的系统介绍了。确认研究开发的金融支持Cifa公司。按比例缩小的模型，这也提供了吊杆实验测试。引用1 Baldev Raj,贾古玛t . m . 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