CN102564875A

CN102564875A - 基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统

Info

Publication number: CN102564875A
Application number: CN2012100202451A
Authority: CN
Inventors: 刘纲; 黄宗明; 杨溥; 高永�
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-01-29
Filing date: 2012-01-29
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明属于机械应力测试领域，具体公开了一种基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统，包括布置在现场的测量单元和采集单元，测量单元中的应变片与采集单元中的应变采集仪电连接，还包括布置在远端的评估单元和预警单元，所述评估单元包括远端计算机和预存于计算机的雨流计数法和miner线性累积损伤理论评估软件；测量单元和采集单元测量采集到的钢丝绳疲劳强度实时数据通过无线网络传递给评估单元，评估单元经计算得到钢丝绳的疲劳强度，通过与预设的强度进行评估比较，将评估比较的结果传递给预警单元，当得到的结果超出预警单元预设值时，预警单元发出警告提示，实现了对钢丝绳的在线实时评估及预警。

Description

基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统

技术领域

本发明属于机械应力测试领域，具体涉及一种基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统。

背景技术

钢丝绳主要用于牵引架空绞线、固定杆塔、起吊构架设备等工作，其广泛应用于设备安装、起吊、拆卸、调试等工作中，使用频繁，所处环境恶劣，承受负荷复杂。钢丝绳作为起重机械最主要的零部件之一，也是起重作业中最为常用的吊索具。对钢丝绳的实时检测变成至关重要，钢丝绳的检测是一项复杂的工作，往往难以做到正确的损伤判断，对存在的安全隐患难以及时发现；严重时，钢丝绳一旦断裂将危及人身和设备安全。工程用长距离钢丝绳一向被视为“高危构件”，其承载的稳定可靠性将直接关系到工程作业人员及设备的安危，可以说钢丝绳的安全可靠状态备受各级管理部门的高度重视。目前所有各种钢丝绳的检验依据，如国际标准ISO4309-81等。但这些依据仅对外部断丝和磨损等破坏形式较为有效，对钢丝绳最为常见的疲劳损伤破坏形式则无法监测。目前，对钢丝绳的疲劳监测主要集中在桥梁的拉索方面。桥梁拉索两端固定，边界条件不会发生，且其所受到的冲击力相对有限，可以方便地采用振动法、压力环等设备进行疲劳监测。但起重机械的钢丝绳的长度和边界条件将随重物的起吊和下降而发生变化。同时，冲击力作用的时间短但对钢丝绳疲劳破坏的影响较大，故对监测系统的动态实时性提出了很高的要求。前期申请的实用新型专利《基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳在线监测系统》对五点弯曲测试的方法和监测做了详细的说明，但没有对监测到的数据进行科学评估，因此，发明基于无线传输的钢丝绳受力评估系统，建立钢丝绳疲劳实时评估理论方法并将其软件化，从而对起重机械钢丝绳疲劳破坏的不安全因素及时预警以便提前采取应对措施，防止出现重大的安全事故，具有深远的现实意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了实现钢丝绳实时疲劳评估，提供一种基于五点弯曲测试且采用无线传输的钢丝绳疲劳评估系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统，包括布置在现场的测量单元和采集单元，测量单元中的应变片与采集单元中的应变采集仪电连接，还包括布置在远端的评估单元和预警单元，评估单元、预警单元和采集单元中的无线发射盒之间通过无线网络进行数据传输；所述评估单元包括远端计算机和预存于计算机的雨流计数法和miner线性累积损伤理论评估软件；所述预警单元内设有钢丝绳疲劳阀值，钢丝绳的疲劳程度超过预设的阀值时，预警单元发出预警提示。

上述技术方案可实现对钢丝绳在线的疲劳评估，测量单元和采集单元测量采集到的钢丝绳疲劳强度实时数据通过无线网络传递给评估单元，评估单元经计算得到钢丝绳的疲劳强度，通过与预设的强度进行评估比较，将评估比较的结果传递给预警单元，当得到的结果超出预警单元预设值时，预警单元发出警告提示；无线网络的采用避免了对起重设备的干扰。

采用上述技术方案的基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳具有如下特点：1、能实时的检测钢丝绳的疲劳状态，及时发现隐患，防止出现重大完全事故，由于钢丝绳在作业中穿过五点完全测试钢架，金属基应变片及时的检查到钢丝绳的疲劳状态，金属基应变片将实时数据传递给应变采集仪，通过无线网络实现远程监控，通过远程计算机的计算及时预警，为使用安全提供了保障；2、结构简单，成本低廉，由于五点弯曲测试钢架可采用常用的金属材料焊接而成，保证五个支脚在一条直线即可；3、操作简单，应变片直接可将数据传递给无线发射盒，再经无线网络与远程监控系统进行配合，操作人员只需在远程监控系统前注意数据变化，超出可许范围时，监控系统自动发出预警；4、实现了数据采集和信号发射一体化功能，现场采集箱的设置使数据采集盒信号发射一体化。

作为本发明的进一步改进，所述预警提示为警铃发出的声音和系统发出的短信。发出的警铃声可告知现场的工作人员钢丝绳的工作状态，系统发出的短信可发至监管人员的手机或者其他终端上，提醒监管人员检查督察更换钢丝绳，防止安全事故的发生。

Miner线性累积损伤理论

线性疲劳损伤累积理论是指在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个应力之间相互独立、互不相关，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。1945年M.A.Miner根据材料吸收净功的原理，提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式。设材料在破坏时吸收的净功为W，材料经n₁次应力循环吸收的功为W₁，材料经N₁次应力循环后破坏，则有：

\frac{W_{1}}{W} = \frac{n_{1}}{N_{1}}

同理，设W₂为经n₂次应力循环材料吸收的功，且材料经N₂次应力循环后破坏，则有：

\frac{W_{2}}{W} = \frac{n_{2}}{N_{2}}

在材料破坏时有：

W₁+W₂+W₃+…+W_n＝W

比较上述三式，可以得到：

\frac{n_{1}}{N_{1}} + \frac{n_{2}}{N_{2}} + \frac{n_{3}}{N_{3}} + . . . + \frac{n_{n}}{N_{n}} = Σ_{i = 1}^{n} \frac{n_{i}}{N_{i}} = 1

式中：n_i为应力幅Δσ_i作用的次数；

N_i为用Δσ_i作常幅应力循环试验时的疲劳破坏次数，或由常幅疲劳强度曲线

“Δσ_i-N”中相应于Δσ_i时的疲劳寿命(循环次数)。

Miner线性累积损伤理论认为：变幅疲劳中各个应力幅Δσ_i所造成的损伤可用n_i/N_i来定量表示，且可以线性叠加。因此，对任意结构在变幅应力循环作用下的损伤度D可定义为：

D = Σ_{i = 1}^{n} \frac{n_{i}}{N_{i}}

大量的试验证明，疲劳破坏时D并不一定等于1，而是大于1或是小于1。例如，即使在简单的两应力级分级试验中，也发现试件的寿命取决于加载的顺序。常规疲劳试验的试件在简单的两应力级分级试验中，低-高应力试验时的D值往往大于1，这可能是在低应力下材料产生低载“锻炼”效应，是裂纹的形成时间推迟。反之，高-低应力试验时的D值往往小于1，这可能是在高应力下裂纹易于形成，致使后继的低应力能使裂纹扩展。尽管如此，但Miner线性累积损伤理论形式简单，使用方便，所以Miner线性累积损伤理论在工程界仍然被普遍采用。

从公式

可知，只要得出各个应力幅Δσ_i的下钢丝绳的实测循环次数n_i，以及通过疲劳荷载试验获取各个应力幅Δσ_i的疲劳破坏次数N_i，就可计算得到钢丝绳的损伤度。

雨流计数法

雨流计数法又可称为“塔顶法”，是由英国的Matsuiski和Endo两位工程师提出的，距今已有50多年。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。由来请参看图1，把应变-时间历程数据记录转过90°，时间坐标轴竖直向下，数据记录犹如一系列屋面，雨水顺着屋面往下流，故称为雨流计数法。在50年前人们主要以手工计算为主，但手工计算只能处理一些相对比较简单(指数据量不大)的数据，对于数据较多的问题手工处理起来就不太容易了。随着电子计算机的不断发展，运算速度的不断加快使这些烦琐的计算大大简化。

这种方法的突出特点是根据所研究对象的应变-时间之间的非线性关系来进行计数，亦即把样本记录用雨流计数法定出一系列循环。

雨流计数法有下列规则：

如图3所示，

1雨流在试验记录的起点和依此在每一个峰值的内边开始，亦即从1，2，3，…等尖点开始。

2雨流在流到峰值处(即屋檐)竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时最大值(或最小值)更正的最大值(或更负的最小值)为止。

3当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时，就停止流动，并构成了一个循环。

4根据雨滴流动的起点和终点，画出各个循环，将所有循环逐一取出来，并记录其峰谷值。

5每一雨流的水平长度可以作为该循环的幅值。

雨流计数法的主要功能是把经过峰谷值检测和无效幅值去除后的实测载荷历程数据以离散载荷循环的形式表示出来。

在程序中的具体实现：

雨流计数法在程序中的实现方法将分为数据压缩和循环数提取两个步骤完成。

数据压缩

数据压缩就是把原始的实验数据处理成便于计取循环数的数组，它包括峰谷值检测和无效幅值去除。

1峰谷值检测是数据压缩的基本内容之一，就是把数据中的峰谷值提取出来作为下一步数据处理的数组。在这一过程中，为避免在峰谷值提取时产生影响应先将相邻的等值数压，即把相同数值的保留一个，然后再提取峰谷值。设待处理数组为E(n)，所得数组为F(n)，i和j分别为两个数组元素的编号(以下的流程图中不再声明)。在相邻等值数压缩中(如图4)，菱形框的判断条件是前后两个元素是否不相等，若为真值留下这个数，否则将继续下一个数的判断，直到最后一个数为止。这样当遇到相等数时，取下的是其中的第一个数值。如图5所示，在峰谷值检测时，判断条件是相邻数字的差的乘积是否大于零(即是否同号)，若为真值时就说E(i)同时大于(或小于)两边的数字，则E(i)就是峰(或谷)值；否则继续。

2无效幅值去除就是将幅值很小的点去除。因为在很多疲劳寿命计算中这些幅值很小的循环可以忽略不计。无效幅值去除的物理模型很多，可以根据所处理数据的性质和所研究对象的循环波形特点来选取。这里取用变程阀值公式：

变程阀值＝(最大值-最小值)×Δ％

变程阀值就是压缩掉可忽略小循环的过滤器，最值是数组中的最大(或小)值，Δ是变程阀值的精度，靠经验给定，可根据不同数组性质和处理精度确定。

去除无效幅值，在程序实现时只需加入一个判断条件即可。经过本人的反复验证，认为将其加在判断完循环之后(即一次雨流计数中)最为合适。

循环数提取

通常情况下分一次雨流计数、对接和二次雨流计数三个步骤完成，对于不同的波形要根据实际情况来定，比如：高均值偏态波形只需一次雨流计数就可完成。

1一次雨流计数是从压缩处理过的数据中提取循环，并记录其特性值，如峰值、谷值、幅值等。我这里使用的方法，是按雨流计数法规则加上个人的理解总结的一点规律----称之为“四点法”，而且在程序中实现起来也比较容易。如图6所示，在数组中能提取出循环的形式也不过这两种，若满足a大于等于b并且b小于c时就可以认为提取一个循环(图中构成三角形的部分，同时去除E[i]和E[i-1]两点，否则记录下E[i]这一点。这样对这个数组反复判断就可以取出所有的循环和记录所剩的各点。这种判断适用于四个点组成的各种情形，确保了循环提取的正确性，使程序的可靠性大大增加。具体的实现方法参见图7提取循环的流程图。流程图中，开始的c＝0和下边的c＝b是对程序一点优化，“四点法”其实只用了三个点，这样就把上一次计算过的|E(i-1)-E(i)|作为本次的|E(i-1)-E(i-2|；s1一个是否有循环的标志，可在图5的后边加上一个s1是否等于零的判断，若等于零则说明一次雨流计数的循环全部提出，否则继续执行图5的全过程；s是记录雨流计数提取循环的总个数。

2对接(又称波形封闭处理)是最终完成循环计数的必要手段，主要内容是对波形的首尾点进行取舍的简化处理。

一次雨流计数剩下的点构成的波形是一标准的发散-收敛型，这时按雨流计数法则无法再形成整循环，只能将其在最大或最小点处截开再进行首尾对接，对接时首尾点不一定能够正好封闭，我们就按不同的波形来完成。一种对于高均值偏态波，可根据研究对象的特征给数组加上首尾值，比如研究根据航空发动机转速编制的载荷谱时，可在首尾加一个零点；另一种对于标准发散-收敛波形首尾的四个峰谷值，取其中的最大和最小值，剩下两点去除，这样产生的误差与实际相差很小。在程序中实现时，只需在此处加一选择，是加一零点还是取最值，接下来就是重新整理数组了。对接在程序里实现起来就是将数组从截开的地方分成两部分，将两部分前后对调即可。

3二次雨流计数是将完成对接的波形继续提取循环直到剩下三个点(即是数组中最值构成的整循环)为止。程序中实现也很简单，只需将对接完成的数组放入一次雨流计数中就行了。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统数据流向图；

图2是五点弯曲测试钢架示意图；

图3是雨流计数法原理图；

图4是压缩定值点流程图；

图5是检测谷峰值流程图；

图6是循环判断示意图；

图7是提取循环流程图；

具体实施方式

如图3所示，本发明提供一种基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统，包括布置在现场的测量单元和采集单元，测量单元中的应变片3与采集单元中的应变采集仪6电连接，还包括布置在远端的评估单元和预警单元，评估单元、预警单元和采集单元中的无线发射盒5之间通过无线网络进行数据传输；所述评估单元包括远端计算机和预存于计算机的雨流计数法和miner线性累积损伤理论评估软件；所述预警单元内设有钢丝绳疲劳阀值，钢丝绳的疲劳程度超过预设的阀值时，预警单元中的警铃发出声音或者系统发出短信的形式给出预警提示。

本发明的测试评估过程如下：测量单元和采集单元测量采集到的钢丝绳疲劳强度实时数据通过无线网络传递给评估单元，评估单元经计算得到钢丝绳的疲劳强度，通过与预设的强度进行评估比较，将评估比较的结果传递给预警单元，当得到的结果超出预警单元预设值时，预警单元发出警告提示。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims

1.基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统，包括布置在现场的测量单元和采集单元，测量单元中的应变片与采集单元中的应变采集仪电连接，其特征在于：还包括布置在远端的评估单元和预警单元，评估单元、预警单元和采集单元中的无线发射盒之间通过无线网络进行数据传输；所述评估单元包括远端计算机和预存于计算机的雨流计数法和miner线性累积损伤理论评估软件；所述预警单元内设有钢丝绳疲劳阀值，钢丝绳的疲劳程度超过预设的阀值时，预警单元发出预警提示。

2.根据权利要求1所述的基于五点弯曲测试的钢丝绳疲劳评估系统，其特征在于：所述预警提示为警铃发出的声音和系统发出的短信。