我国目前正处于大规模建设的发展阶段，建筑建设行业事故数量和死亡人数一直居高不下，其中起重机械事故占有很高的比例，每年仅塔式起重机( 以下简称塔机) 的事故发生率就在5‰以上。近年来，随着起重设备“老龄化”程度的加剧，由结构失效导致的安全事故呈上升趋势。对已经发生的塔机事故进行分析可知，绝大部分塔机事故具有事前征兆。如果能及时判断塔机使用过程的结构状态、是否违规使用、地基是否发生沉降等，就可以事先发现事故隐患，采取适当措施，避免事故发生。目前国内外对塔机的工作监测基本集中在对工作状态参数的监测，如起重量、起重力矩、起升高度与幅度、工作风速，以及群塔作业的防干涉监测等，可以对违章操作进行一定的提醒与限制。但对于塔机结构失效模式如疲劳裂纹扩展造成结构破坏、局部失稳引起整机破坏、严重锈蚀等则无法进行预判和防御，故有必要对设备的结构进行健康监测研究。本文研究了塔机的健监测方法，结合物联网技术开发了健康监测系统，及时发现各种安全隐患，从而对设备进行全方位的有效防护1 塔机的健康监测方法研究健康监测是指应用无损检测技术和分析手段对包括结构各种响应在内的结构特性进行检测和分析，实现对结构整体行为的实时监控，从而识别结构是否发生损伤。

1.1 健康档案概述

塔机健康档案是指设备在正常工作状态下的一些结构特征与力学状态特征值。健康监测是在相同的安装方式与工况下，通过对被测设备当前状态的测量与分析并将检测结果与原始健康档案比较，判断结构的健康情况，对设备的安全性能做出评价。

1.2 健康档案内容确定

塔机安装后，在工作状态或非工作状态时，塔身以上的部位均有可能承受由于工作载荷、自重载荷、风载引起的倾覆力矩、扭转力矩、水平力及垂直力。其中扭转力矩及垂直力对塔身的倾斜无明显影响，不太容易引起塔身结构失效。对塔身结构影响较大的因素是倾覆力矩，其次是水平力。通过建模分析、试验分析等，根据塔机特点，确定以下作为健康档案内容，主要包括两方面。

基本资料 包括设备的起重特性，安装高度，使用长度，平衡重安装情附墙情况等。结构特征 包括结构自振频率和结构挠度。由振动理论可知，低阶固有频率对系统的动力响应贡献较大，而高阶固有频率影响较小，振

动的能量主要分布在低频成分中。故对塔机而言只要提取其低阶固有频率就能很好反映系统动力特性。应用Block LANCZOS 对系统进行模态分析，计算了塔机金属结构5Hz 以内的模态频率。表1以QTZ125 为例给出前五阶频率和对应的振型。塔机在正常工作时，整机竖直方向的点头运动较为明显，故把起重臂的振动频率作为判定结构缺陷的识别源，同时也将起重臂的振动幅度作为监控对象。

1.3 健康监测阀值的确定

要进行健康监测，除确定监测参数之外，另一个要解决的关键问题是确定监测参数的阀值，特别是结构特征参数的允许变化范围。起重臂上下方向的振动主要对应于结构的第二阶固有频率。在有限元模型中对起重臂的结构缺陷进行模拟，以考察其影响状况及确定第二阶固有频率的影响范围。

1）起重臂连接松动缺陷模拟 以臂架与塔身

之间的连接件松动为例，研究中将弹性单元施加在转台上以模拟此故障。弹性元件的施加位置如图1 所示。

对于该故障下的模型进行动力学计算，其分析结果如表2 所示。2）起重臂构件断裂模拟 该种故障下模拟了臂架水平腹杆的破坏情况（1 根、相邻2 根相邻3 根），以及塔机标准节的主要承重梁和非主要承重梁的情况。臂架水平腹杆破坏示意图如图2所示。对应的动力学计算分析结果如表3 所示。

由上述故障的计算机模拟分析可知，在结构出现连接松动或者杆件断裂等较严重故障时，起重臂的第二阶固有频率均会出现显著的变化。考虑到松动、断裂等情况均降低整体刚度，其限值应仅限定下限值。经大量的计算机模拟分析，可知一般情况下，第二阶固有频率下降幅度不宜超过原值的10%。正常情况下，起重臂对应于某载荷状况（起重量，工作幅度，冲击载荷，风速等），其倾角均有最大值。若起重臂结构出现松动、构件断裂等情况，其倾角大于此最大值时，可认定起重臂刚度下降明显，出现结构缺陷。具体方法仍是通过求解有限元模型，得出各种工况下的倾角限值，可将限值作为判断起重臂结构缺陷的依据。

1.4 健康监测方法

设备的健康档案可由塔机生产单位在产品出厂检验中采制。对于在用设备，

也可由专业检测机构或设备使用单位在确认设备状态完好的情况下按照规定要求采制。当设备老化或受伤后，需要对设备的安全性重新进行检测与评价或需对重要的设备进行健康监控时，我们可以按照与健康档案建立一致的方法重新测定健康档案中的技术数据，在相同工况下比较这些数据的差异，根据这些数据的变化情况判断设备是否处于安全状态。若超出误差范围，则设备属于非健康状态，

通过报警与切断控制电路的方式保证设备的安全基于物联网的监测系

计基于物联网的监测系统构架分为3 层（图3）。第1 层为设备终端级，包括各类传感器和监控终端。设备的各类特征操作由各类传感器进行反馈，监控终端采集各类传感器反馈值并进行必要的转换和计算，显示在屏幕，必要时进行声光提示。终端将上述数据通过有线、无线通讯方式进行周期性或事件性上报至监控平台；第2 层为监控平台级，包括无线通讯设备、服务器等。主要接收终端发送数据并保存至相应数据库，并提供有效客户端进行的查询和统计工作。第3 层为客户端级，可通过无线、有线方式对监控平台进行访问，以掌握设备的实时情况以及进行必要的管理与控制。

设备终端装置（图4）包括CPU 模块、存储模块、A/D 转换模块、键盘、声光报警模块等，以及显示屏实现双向通信，A/D 转换模块与声光报警输出模块相连，A/D 转换模块还与传感器相连。CPU 模块和A/D 转化模块是终端的核心部分，本系统以ARM9 芯片为核心再配备必要的内存及外存组成，具有非常强大、快速的运算及控制能力，并且对外提供非常丰富的外围接口。系统的A/D 转换模块采用AD7703，它采用Σ-Δ转换技术和片内自校准控制电路，具有精度，抗干扰能力强等特性。系统关键的频率监测选用DH610 型磁电振动传感器实现，该传感器为无源伺服磁电传感器，利用电磁感原理将振动速度量(v) 转换成与v 成正比的电压模拟量信号输出。频率监测系统框图如图5 所示

结构固有频率的识别传统算法需要通过时间域、频率域乃至时频域的识别算法进行处理。考虑到监测分析运算的实时性，需要实时计算得出当前工况下的基频，应尽量减小计算的复杂性。经研究提出以下快速算法：①记录速度响应的时间历程，因塔机基频很低，采样率建议取20Hz。采样长度至少为基频对应振动周期的3 ～ 5 倍。以QTZ125 为例，建议取采样长度为50s（基频0.1Hz 估计，取5 个周期）；②求响应的平均值；③计数在采样长度内响应通过平均值的次数，以此为依据估计平均周期，平均周期倒数即为基频。应用于监控装置的低阶固有频率获取的简化监控平台主要由服务器和GPRS 模块组成。客户端可由普通电脑或手机、平板电脑等智能终端。

3 结 语

本系统已经过大量的计算验证，同时开发的系统已试用于工地现场，图7 为塔机臂架和塔身传感器安装示意图，目前已进行了多个工地现场的测试。终端可对设备进行实时健康监测，监测的参数基本与模型计算得出的结论一致，说明对健康监测是可行和有效的。当然系统也将随着后续的使用情况进行进一步的完善与优化。对设备健康监测方法，除了可进行预防超载等违章操作外，还能对设备的结构老化开裂、基础失稳等各种影响使用安全的因素进行识别。同时应用物联网技术设计开发了监测系统，除了可实时监测当前设备状态外，还可将设备的过程状态数据共享及多层面的分析与监控，降低设备事故发生率。同时也为政府安全主管部门提供有效的监管手段，为设备评估与报废标准提供依据