CN103267763A - 一种起重机械金属结构健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机械金属结构健康监测方法，所述方法包括：对被测起重机进行有限元建模分析，计算获取起重机结构应力集中点；根据有限元计算结果进行设点优化，传感器数量和传感器类型，并确定光纤光栅传感器布置位置与数量；将光纤光栅传感器进行组网，并将传感器信号连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据传输单元DTU将封装好的数据实时发送到远程中央服务器；对接收到的数据进行处理计算和数据存储，并根据数据计算结果对起重机实时工况、应力、温度信号进行分析；将数据计算结果与设定的阈值进行比较判断是否发送起重机金属结构安全预警或危险报警信号。采用光纤光栅传感器，可以对起重机金属结构进行全生命周期的健康监测，具有无电磁干扰、精度高、量程宽、可靠性高、寿命长等特点。

Description

一种起重机械金属结构健康监测方法

技术领域

本发明涉及一种起重机械金属结构健康监测方法。

背景技术

随着我国起重机械数量急增，全国起重机械事故也呈高发态势，其事故数量连续五年高居各类特种设备事故首位；与此同时，全国上下对公共安全方面要求越来越高，使得特种设备特别是起重机械在保安全、促发展方面责任更重、压力更大；目前国内对起重机械安全保证仍然以维保单位的“定期保养，事后维修”和质检部门的定期验证性监检为主，缺乏大型起重机结构健康监测与预警技术，尚未能对大型起重机运行安全问题采取更有针对性、更有效的措施，防止各类公共安全事故的发生。

起重机械主要由金属结构、机构、零部件和电控系统四部分组成。金属结构主要指以钢材为原料轧制的型材和板材作为基本元件，通过焊接、螺栓或铆钉连接等方式，按一定的规则连接起来制成能够承受外载荷的结构，重型起重机械金属结构的重量可达整机重量的90%，是名符其实的起重机械骨架；机构、零部件和电控系统均可以通过改造或维修予以更换并继续使用，因此金属结构的质量直接影响整机的技术经济指标和寿命。统计数据还表明，机械断裂事故中80%以上是由金属疲劳引起，可见金属结构的失效是整个起重机械的重要安全隐患。为此，GB/T25196.1-2010中明确指出“当起重机械使用到接近其设计约束条件时，应进行一次特殊评估来监控起重机械的状态”，其中“承载结构”是评估的核心内容。在新修订的起重机设计规范中,除详细规定了结构疲劳计算的范围及方法外,还明确指出:起重机整机工作级别划分以其金属结构的疲劳设计理论为依据

因此，对起重机金属结构进行实时监测，是起重机结构健康监测与预警系统开发的具体实施方案。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种起重机械金属结构健康监测方法。该方法的核心是利用不受电磁干扰的光纤光栅传感技术，无线传输技术等技术手段，将起重机械结构监测由定期检测提升至实时在线监测层次，具有高精度、宽量程、高可靠性、智能性、寿命长等特点。所述技术方案如下：

一种起重机械金属结构健康监测方法，包括：

A对被测起重机进行有限元建模分析，计算获取起重机结构应力集中点；

B根据有限元计算结果进行设点优化，确定传感器数量和传感器类型，并确定光纤光栅传感器布置位置；

C将光纤光栅传感器进行组网，并将传感器信号连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据传输单元DTU将封装好的数据实时发送到远程中央服务器；

D对接收到的数据进行处理计算和数据存储，并根据数据计算结果对起重机实时工况、应力、温度信号进行分析；

E将数据计算结果与设定的阈值进行比较判断是否发送起重机金属结构安全预警或危险报警信号。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

该方法采用光纤光栅传感器，可以对起重机金属结构进行全生命周期的健康监测，具有无电磁干扰、精度高、量程宽、可靠性高、寿命长等特点。

附图说明

图1是起重机械金属结构健康监测方法流程图；

图2是起重机布点设计参考信息框图；

图3是起重机械金属结构健康监测综合评判标准框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：

本实施例提供了一种起重机械金属结构健康监测方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤10对被测起重机进行有限元建模分析，计算获取起重机结构应力集中点；

步骤20根据有限元计算结果进行设点优化，确定传感器数量和传感器类型，并确定光纤光栅传感器布置位置；

步骤30将光纤光栅传感器进行组网，并将传感器信号连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据传输单元DTU将封装好的数据实时发送到远程中央服务器；

步骤40对接收到的数据进行处理计算和数据存储，并根据数据计算结果对起重机实时工况、应力、温度信号进行分析；

步骤50将数据计算结果与设定的阈值进行比较，判断是否发送起重机金属结构安全预警或危险报警信号。

上述步骤10具体包括：通过查看维保记录、现场数据统计起重机各个位置发生故障的概率，通过设计图纸、动力学分析和静力学分析进行有限元建模，进行起重机械结构应力集中点计算（如图2）。

上述步骤20具体包括：通过有限元FEM计算结果进行设点优化，传感器数量及类型选择，确定光纤光栅传感器布置位置及数量；通过材料力学理论计算各个应力集中点的预警阈值和报警阈值。然后进行业务平台软件系统的编程工作，并进行实验室测试，进行对比试验以判定光纤光栅传感器的准确性以及业务平台软件系统的准确性。

上述步骤30具体包括：对光纤光栅传感器现场焊接、组网，由焊接在起重机主金属结构表面上的光纤光栅传感器组成传感网，实时采集起重机主金属结构的应力、应变、温度等结构健康参数的光信号。

上述光纤光栅传感器解调仪将采集到的光信号解调成电信号传输到数据传输单元DTU，数据传输单元DTU将传感数据电信号进行压缩封装后发送到远程中央服务器，发送过程采用EDGE/3G网络。

远程中央服务器接受数据，通过业务平台软件系统对起重机实时工况、应力、温度等信号进行分析；光纤光栅应变传感器对温度敏感，所以采集温度信号为应力传感器进行温度补偿，其光纤光栅温度传感器的一次性拟合公式为：

T＝M(λ-λ₀)+T₀

（1）

式中，M（℃/nm）为温度系数，λ（nm）为光波当前波长，λ₀一般取T₀=0℃的波长，温度传感器在T₀温度下的波长为λ；

因载荷变化引起的应变计算公式如下：

ξ＝N(λ₁-λ₀)+B(λ_t1-λ_t0)-α□ΔT

（2）

N为应变计的应变系数(μξ/nm)；B为传感器修正系数(μξ/nm)；λ₁为应变光纤当前的波长值(nm)；λ₀为应变光纤初始的波长值(nm)；λ_t1为温补光纤当前的波长值(nm)；λ_t0为温补光纤初始的波长值(nm)；α(μξ/℃)为被测物体热膨胀系数ΔT=100×(λ_t1-λ_t0)，单位取℃。

通过计算结果判断是否发送起重机金属结构安全预警或危险报警信号；业务平台软件系统计算后的数据与提前计算好的阈值进行比较，判定是否发送预警信息；人机界面安装于司机室，起重机实时运行状态传输到司机室，在显示器上显示；超过阈值，人机界面就会发出报警信号提示操作人员采取紧急措施，同时报警信号通过EDGE/3G技术，以短信方式发送到主管起重机安全运行的工作人员手机客户端；具有网络连接的个人电脑终端，用于远程浏览起重机结构健康状况；起重机械金属结构健康监测方法的综合评判标准如图3所示，包括检修记录、经验类别、理论分析、技术规范、仿真分析等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种起重机械金属结构健康监测方法，其特征在于，所述方法包括：

A对被测起重机进行有限元建模分析，计算获取起重机结构应力集中点；

B根据有限元计算结果进行设点优化，确定传感器数量和传感器类型，并确定光纤光栅传感器布置位置；

C将光纤光栅传感器进行组网，并将传感器信号连接到光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据传输单元DTU将封装好的数据实时发送到远程中央服务器；

D对接收到的数据进行处理计算和数据存储，并根据数据计算结果对起重机实时工况、应力、温度信号进行分析；

E将数据计算结果与设定的阈值进行比较判断是否发送起重机金属结构安全预警或危险报警信号。

2.根据权利要求1所述的起重机械金属结构健康监测方法，其特征在于，所述有限元建模分析是根据被测起重机的维保记录、现场数据、设计图纸、动力学分析和静力学分析。

3.根据权利要求1所述的起重机械金属结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤C中：

所述传感器信号为：实时采集的起重机主金属结构的应力、应变和温度结构健康参数的光信号；

所述光纤光栅解调仪将结构健康参数的光信号解调成电信号，传输到数据转换单元。

4.根据权利要求1所述的起重机械金属结构健康监测方法，其特征在于，所述步骤D中接收到的数据是通过业务平台软件系统进行采集，并通过光纤光栅温度传感器的一次线性拟合公式进行数据二次处理计算。

5.根据权利要求4所述的起重机械金属结构健康监测方法，其特征在于，所述光纤光栅温度传感器的一次线性拟合公式为：

T＝M(λ-λ₀)+T₀    （1）

式中，M（℃/nm）为温度系数，λ（nm）为光波当前波长，λ₀一般取T₀=0℃的波长，温度传感器在T₀温度下的波长为λ；

因载荷变化引起的应变计算公式如下：

ξ＝N(λ₁-λ₀)+B(λ_t1-λ_t0)-α□ΔT    （2）

N为应变计的应变系数(μξ/nm)；B为传感器修正系数(μξ/nm)；λ₁为应变光纤当前的波长值(nm)；λ₀为应变光纤初始的波长值(nm)；λ_t1为温补光纤当前的波长值(nm)；λ_t0为温补光纤初始的波长值(nm)；α(μξ/℃)为被测物体热膨胀系数ΔT=100×(λ_t1-λ_t0)，单位取℃。

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