CN102445396B - 一种基于起重机钢丝绳载荷测量的在线检测使用强度和疲劳预报的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于起重机钢丝绳载荷测量的在线检测装置及方法，包括至少一个载荷传感器1，一个位移传感器4，一个计数器5，一套测量记录装置2，载荷传感器1检测起重机的载荷量，载荷量通过载荷传感器信号接口单元22、数据通讯单元23，储存在数据存储单元25，根据起重机的运行情况，测量记录装置2在线记录起重机每次升降的载荷数据和运行时间，在显示和操作单元24显示起重机载荷曲线，控制器21根据一个固定时间段内钢丝绳承受载荷和若干次循环过程的运行时间设定强度系数ρ，计算累计载荷强度等效循环次数Na，Na等于钢丝绳载荷强度等效循环疲劳预期值时，钢丝绳疲劳预报。本发明可实时测量和连续记录起重机载荷数据，易于分析起重机钢丝绳运行特性，定量表示钢丝绳疲劳状况和寿命预期，达到钢丝绳疲劳预报的目的。

Description

一种基于起重机钢丝绳载荷测量的在线检测使用强度和疲劳预报的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于起重机钢丝绳载荷测量的在线检测装置及方法，特别涉及一种通过钢丝绳运行全过程连续载荷测量，对钢丝绳使用强度进行在线检测并预报疲劳的装置及方法。

背景技术

钢丝绳是起重机械中常用的柔性传力构件，是起重机械的重要构成部分，随着钢丝绳长时间使用经常出现疲劳损伤或破断等现象，近年来由此引发的特、重大起重机械事故时有发生，据统计，80％以上的钢丝绳断裂事故是因疲劳引起的。钢丝绳作为起重设备中的“高度危险构件”，始终是安全监管的“盲点”，由于缺少有效的检测和控制手段，一直是影响起重机使用企业安全生产的“重大危险源”。目前钢丝绳的检测方法主要有：

1、人工观察：企业目前普遍采用的检测方法，多采用人工定期观察方法检查钢丝绳使用状况，所采用的基本手段包括卡尺测量绳径，手摸或肉眼寻找缺陷等，由于受人员素质、检测手段等因素制约，只能有限观测钢丝绳明显的表面损伤，而对钢丝绳内部的断丝、磨损、锈蚀，尤其是疲劳等重大隐患，则根本无法检测，检查结果的可靠性差，往往不能及时发现潜在的安全隐患。

2、定期换绳：据使用年限或载荷量更换钢丝绳也是钢丝绳使用企业普遍采用的安全管理措施，由于使用者并不确切掌握钢丝绳的实际运行状况，如载荷、循环次数等具体数据，无法预测钢丝绳疲劳寿命，更换周期的确定缺乏科学依据，不仅不能消除钢丝绳安全隐患，而且造成巨大浪费。

3、电学、光学和声学检测技术：由于检测信号受干扰、或检测结果难以记录、或设备费用太高、或检测性能太差等因素，始终未能走出实验室。

4、强磁或漏磁钢丝绳探伤仪：一般定期检测，灵敏度低，不能检测钢丝绳的内部损伤；不能对钢丝绳的最大隐患---疲劳进行检测；仅仅完成了对钢丝绳缺陷的记录，确定断丝和其它缺陷的定性定量的工作还是要由人工来完成，最终效果存在一定程度的不确定性。

5、弱磁检测技术：该方法是基于钢丝绳构件材料铁磁特性，运用磁或电磁原理技术的一种检测方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有钢丝绳疲劳损伤检测方法的不足，提供一种基于钢丝绳运行全过程连续载荷测量的钢丝绳使用强度在线检测及疲劳预报的装置及方法，通过连续测量和记录起重机载荷状况，监测钢丝绳的使用强度，累计载荷强度等效循环次数，确定疲劳预测参数，实现钢丝绳疲劳自动预报。

本发明目的通过下述技术解决方案实现：一种基于起重机钢丝绳载荷测量的在线检测使用强度和疲劳预报的装置，包括至少一个用于测量起重量的载荷传感器，至少一个位移传感器，至少一个计数器，和一套载荷测量记录装置。测量记录装置包括控制器、传感器信号接口单元、数据通讯单元、显示和操作单元、数据存储单元，载荷传感器、位移传感器安装在起重机上，载荷传感器、位移传感器通过传感器信号接口单元与测量记录装置连接，计数器与位移传感器连接。

本发明采用所述的装置对起重机钢丝绳在线检测使用强度和疲劳预报的方法，具体步骤是：

①载荷传感器检测起重机一次升降的载荷量，载荷量通过载荷传感器信号接口单元、数据通讯单元，储存在数据存储单元，数据存储单元记录一次升降的载荷数据和运行时间；

②根据起重机的运行情况，测量记录装置在线记录起重机每次升降的载荷数据和运行时间，在显示和操作单元显示起重机载荷曲线，载荷曲线纵坐标是载荷量，横坐标是若干次循环过程的运行时间；

③将起重机载荷曲线按固定时间间隔划分时间段，采用分时段方式处理记录数据；

④控制器根据一个固定时间段内钢丝绳承受载荷和若干次循环过程的运行时间设定强度系数ρ，一个固定时间段s的强度系数ρ(s)的计算公式是：

$\mathrm{\ρ}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^m\frac{L_i}{L_n}{C}_i}{{\mathrm{\Σ}}_1^m{C}_i},(i=1~m)$

式中ρ(s)为s时段的强度系数，

Ln：起重机额定载荷，

Ci：第i次升降周期所经历时间，

Li：第i次升降周期实际载荷量，

m表示在s时段起重机经历了m次升降周期，

i表示s时段内第i次升降周期；

⑤根据步骤④的计算结果，控制器获取钢丝绳使用强度曲线，以ρ(s)-t曲线表示；

⑥在控制器中计算累计载荷强度等效循环次数Na，计算公式是

Na＝Q×∑[M(s)×ρ(s)]

Q为循环系数，表示起重机升下降一次钢丝绳经过的滑轮数，数据由位移传感器检测，计数器记录，

M(s)是s时段的升降周期数；

⑦当Na＝N时，钢丝绳疲劳预报，N是钢丝绳载荷强度等效循环疲劳预期值。

钢丝绳载荷强度等效循环疲劳预期值N是一经验参数，N的数值采用在线方式获取，起重机更换新钢丝绳时，按照所述步骤①～⑥计算，当出现钢丝绳断丝时获取数值N。

本发明的有益效果是：1、实时测量和连续记录起重机载荷数据，易于分析起重机钢丝绳运行特性。2、通过钢丝绳使用强度计算，可以获取钢丝绳运行全过程的使用强度曲线，籍此跟踪钢丝绳使用状况。3、利用累计载荷强度等效循环次数曲线，定量表示钢丝绳疲劳状况和寿命预期，达到钢丝绳疲劳预报的目的。

附图说明

图1为起重机载荷测量记录系统原理框图。

图2为起重机载荷曲线图。

图3为钢丝绳使用强度曲线。

图4为累计载荷强度等效循环次数曲线

图中：1.载荷传感器，2.测量记录装置，3.计算机系统，4.位移传感器，5.计数器，21.控制器，22.传感器信号接口单元，23.数据通讯单元，24.显示和操作单元，25.数据存储单元。

具体实施方式

图1是本发明装置的结构原理框图，测量记录装置2包括控制器21、传感器信号接口单元22、数据通讯单元23、显示和操作单元24、数据存储单元25。载荷传感器1、位移传感器2安装在起重机上载荷传感器1、位移传感器4通过载荷传感器信号接口单元22与测量记录装置2连接，计数器5与位移传感器6连接。

控制器21是一种工业控制计算机系统；传感器信号接口单元22以串行或并行数据传输方式与控制器21进行数据交换，传输载荷、位移信号。

数据存储单元25有足够的数据存储容量用于连续记录和长期保存载荷数据。

显示和操作单元24用于装置的运行参数设置，测量数据显示等人机交互操作。

在对多台起重机的载荷数据进行集中储存和分析时，可配置一台集中数据处理计算机系统3。

数据通讯单元23至少包括一种现场总线接口或以太网接口，用于将测量数据实时远程传输至集中处理计算机系统3。

载荷数据的采集频率不低于10Hz，每当更换钢丝绳后，即开始其运行全过程的连续数据采集和记录，采用MS SQL Server保存和处理数据。

采用上述装置对起重机钢丝绳在线检测使用强度和疲劳预报的方法，其步骤是：

1、数据获取及记录

起重机运行时，载荷传感器1实时测量载荷数据，并将测量结果记录在数据存储单元25中，数据存储单元25所记录的数据包括每次起升、下降循环的载荷信息及相关的时间信息，钢丝绳使用强度分析及循环统计将依据这些信息。

对起重机运行过程中载荷状况的连续测量和记录，将获得如图2所示的起重机载荷曲线，图2中C1、C2...Cm为若干次循环过程，纵坐标为载荷量，横坐标为若干次循环过程的运行时间坐标。

2、钢丝绳使用强度计算

钢丝绳自投入使用至报废退役，根据使用频度和承受载荷的情况，一般要经过数月至数年时间，数十万次起升周期，所记录的载荷和时间数据十分庞大。为方便对钢丝绳承受载荷和所经历时间的状况进行量化描述，将钢丝绳使用全过程按一定时间间隔划分时间段，采用分时段方式处理记录数据。

设强度系数ρ，ρ为钢丝绳在按上述时间间隔划分的一个时间段内承受载荷和所经历时间的一个统计量。该系数的意义在于：

ρ较大时，表示钢丝绳经常承受较大载荷或承受载荷时间较长，寿命预期较短，经过较短时间达到疲劳点；

ρ较小时，表示钢丝绳经常承受较小载荷或承受载荷时间较短，寿命预期较长，经过较长时间达到疲劳点。

ρ的计算：

设在某时间段Ts内，起重机经历了m次起升和下降周期，如图2中的C1、C2...Cm。

记：ρ(s)为该时段的强度系数

i表示时段内第i次升降周期，m表示时段内升降周期数。

分时段强度系数：

$\mathrm{\ρ}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^m\frac{L_i}{L_n}{C}_i}{{\mathrm{\Σ}}_1^m{C}_i},(i=1~m)---\left(1\right)$

其中

Ln：起重机额定载荷

Ci：第i次升降周期所经历时间

Li：第i次升降周期实际载荷

式(1)中，分母表示该时段内钢丝绳总的载荷时间，分子表示钢丝绳承受载荷率为Li/Ln的载荷经历了时间Ci。

根据计算结果可以获取钢丝绳使用强度曲线，以ρ(s)-t曲线表示，见图3，时段间隔一般为8～24小时，籍此了解钢丝绳在使用过程中承受载荷的情况。

分段计算时点的确认，参照图2：

每T时间段(基本时间间隔)进行一次分段强度计算，自本周期内(如T1)第一个完整的循环始(如C1至下一周期第一个完整循环前一循环(如Cm)止。周期内最后一次循环并不一定正好在整时段完成，实际存在三种情况：

Cm下降沿时刻＜t1

Cm下降沿时刻＝t1

Cm下降沿时刻＞t1

为方便计算可采用整点分割法，即到整点时刻本次结果送存，开始下一次统计，如果Cm跨时段，则将其分割为Cm1和Cm2，Cm2计入下一循环。

3、载荷强度相关累计循环次数和累计载荷计算

设置升降周期次数计数器：CNT

记：数组M(s)用于保存时段Ts的升降周期数

Na为与钢丝绳使用强度相关的累计循环次数

N为钢丝绳载荷循环疲劳预期值

L为累计载荷

每次计算周期开始时，清零计数器5CNT，然后在每次升降周期的载荷下降沿时CNT+1；判断是否进入下一统计时段(以整点计时)，如果进入，则将CNT结果送存M(s)，清零计数器5CNT，开始下一次计算周期计数。

累计载荷强度等效循环次数：

Na＝Q×∑[M(s)×ρ(s)]    (2)

式(2)中，将起升、下降一次钢丝绳经过的滑轮数记为循环系数Q，此系数反映了同段钢丝绳的弯曲次数。

根据计算结果可以获取累计载荷强度等效循环次数曲线见图4。

Na的意义在于：随着钢丝绳的使用，Na将不断增长并趋近于N。当钢丝绳经常低强度使用，Na增长较慢，允许的循环次数增大，使用时间较长；当实际载荷经常接近额定载荷，甚至出现大于额定载荷时，钢丝绳高强度使用，Na增长较快，允许的循环次数将减少，使用时间较短。当Na＝N时，钢丝绳达到疲劳预期。

累计载荷是衡量钢丝绳使用状况的重要参数，计算方法：

L＝∑L(s)    (3)

其中L(s)为分段累计载荷，按下式计算：

$L\left(s\right)={\mathrm{\Σ}}_1^m\mathrm{Li}---\left(4\right)$

式(4)中i和m含义同式(1)。

钢丝绳载荷强度等效循环疲劳预期值N的确定，N的数值采用在线方式获取，按用户现行定期更换方法检验试验数据；起重机更换新钢丝绳时，根据上述方法，按照式(1)、式(2)计算，当出现钢丝绳断丝时获取数值N。

考虑到安全因素，N设定一个安全系数K，计算公式如下

N＝Na×K  (K＜1)    (5)

通过上述步骤获取N值后，更换新钢丝绳，系统投入日常运行。

4、钢丝绳疲劳预报

在获取N的具体数值后，钢丝绳疲劳预报依据Na与N的比较结果，当Na＝N时，建议更换钢丝绳。

也可通过比较钢丝绳的累计载荷与允许的累计载荷做出疲劳预报。

数据处理例：

表1列出了某起重机运行24小时所记录的部分载荷及时间数据，其中：起重机额定载荷Ln＝25吨，起升下降一次同部位钢丝绳平均经过的滑轮数Q＝2。数据处理时，将24小时划为三个时段，即0:00:01～8:00:00、8:00:01～16:00:00和16:00:01～00:00:00。数据显示各时段起重机起升周期数分别为130、214和59；累计载荷时间分别为4865(秒)、9541(秒)和1782(秒)；钢丝绳使用强度分别为0.361、0.375和0.368；三个时间段累积强度等效循环次数为297.929。

表1

Claims (2)

1.一种基于起重机钢丝绳载荷测量的在线检测使用强度和疲劳预报的方法，包括至少一个载荷传感器（1），至少一个位移传感器（4），至少一个计数器（5），至少一套测量记录装置（2），其特征是测量记录装置（2）包括控制器（21）、传感器信号接口单元（22）、数据通讯单元（23）、显示和操作单元（24）、数据存储单元（25），载荷传感器（1）、位移传感器（2）安装在起重机上，载荷传感器（1）、位移传感器（4）通过传感器信号接口单元（22）与测量记录装置（2）连接，计数器（5）与位移传感器（6）连接，其特征步骤是： 

①载荷传感器（1）检测起重机一次升降的载荷量，载荷量通过载荷传感器信号接口单元（22）、数据通讯单元（23），储存在数据存储单元（25），数据存储单元（25）记录一次升降的载荷数据和运行时间； 

②根据起重机的运行情况，测量记录装置（2）在线记录起重机每次升降的载荷数据和运行时间，在显示和操作单元（24）显示起重机载荷曲线，载荷曲线纵坐标是载荷量，横坐标是若干次循环过程的运行时间； 

③将起重机载荷曲线按固定时间间隔划分时间段，采用分时段方式处理记录数据； 

④控制器（21）根据一个固定时间段内钢丝绳承受载荷和若干次循环过程的运行时间设定强度系数ρ，一个固定时间段s的强度系数ρ（s）的计算公式是： 

式中ρ（s）为s时段的强度系数， 

Ln：起重机额定载荷， 

Ci：第i次升降周期所经历时间， 

Li：第i次升降周期实际载荷量， 

m表示在s时段起重机经历了m次升降周期， 

i表示s时段内第i次升降周期； 

⑤根据步骤④的计算结果，控制器（21）获取钢丝绳使用强度曲线，以ρ （s）-t曲线表示； 

⑥在控制器（21）中计算累计载荷强度等效循环次数Na，计算公式是 

Na=Q×∑[M(s)×ρ(s)] 

Q为循环系数，表示起重机升下降一次钢丝绳经过的滑轮数，数据由位移传感器（4）检测，计数器（5）记录， 

M（s）是s时段的升降周期数； 

⑦当Na=N时，钢丝绳疲劳预报，N是钢丝绳载荷强度等效循环疲劳预期值。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是钢丝绳载荷强度等效循环疲劳预期值N是一经验参数，N的数值采用在线方式获取，起重机更换新钢丝绳时，按照权利要求1中的步骤①~⑥计算，当出现钢丝绳断丝时获取数值N。 

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