CN109655493A - 一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备，包括：多个压电传感器，多个压电传感器分别设置于起重机的起重构件上；多个拨码开关，多个拨码开关分别与多个压电传感器对应连接，用于选择一个压电传感器进行检测；继电器控制模块，继电器控制模块与分别与多个压电传感器连接，用于根据所选择的频段并联阈值匹配的电阻，选择信号的放大倍数；信号测量模块，信号测量模块与继电器控制模块连接，接收信号并对信号扫频，测量电阻抗；以及主控模块，主控模块与信号测量模块连接，接收电阻抗数据并输出至显示终端显示。能够对疲劳裂纹萌生、扩展、断裂的整个过程进行定量监测，实时反映疲劳裂纹的扩展情况。
Description
技术领域
本发明属于港口起重机结构健康监测技术领域，具体涉及一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备。
背景技术
大型港口机械价格昂贵，成本高且维护费用大。随着近年来我国港口货物吞吐量的快速发展，设备配置往往跟不上港口生产发展的需要，因此目前在港口特别是在中小型港口，接近或超过二十年的门座港口机械仍然在使用，从而存在安全生产的隐患。同时老龄机械受当时各种条件限制，设计方案及生产工艺等也不一定适合现在生产的要求，而港口机械金属结构作为一个承载结构系统存在故障问题。
相关统计结果表明，绝大部分的港口机械事故是由于金属结构失效引起的，港口机械中结构件的寿命对整机的寿命有关键性的影响。目前各港口使用的港口机械有相当部分已到了或者接近使用寿命，各构件出现了不同程度的损伤情况甚至出现了臂架，支承圆筒等结构折断的大事故，给安全生产带来严重威胁。
因此，对港口机械金属结构进行检测研究具有重要的理论意义和较大的工程应用价值。根据港口机械的调查结果表明，裂纹、断裂、变形与锈蚀是港口机械安全使用隐患的四个主要缺陷。其中，裂纹又是金属结构最主要的缺陷，而且港口机械结构各种重要部位都有裂纹，裂纹的长度从几十毫米到几百毫米不等，事故调查中发现有些部位出现裂纹经修补后仍然多次开裂。而由于港口机械金属结构件一般体积较大、造价较高、不可能一发生故障就进行更换，所以尽管金属结构上存在着裂纹，它们仍然在生产第一线服役，这样给安全生产带来很大的隐患，疲劳裂纹导致的脆性破坏的突然性和灾难性也会使港口机械的工作安全失去保障。对港口机械金属结构裂纹扩展的预测、控制及相关检测设备手段的研究，对保障安全生产有着重要的意义。
目前对于港口起重机疲劳裂纹扩展缺少切实可用的监测手段，用于对疲劳裂纹自萌生至扩展到最终断裂的整个过程进行监测，在构件由于疲劳裂纹造成结构失效断裂之前发出报警，避免人员和财产损失。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备，通过压电阻抗技术和多通道阻抗测试系统的搭建最终解决该问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
根据本发明的一个方面，一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备，包括：
多个压电传感器，多个所述压电传感器分别设置于起重机的起重构件上；
多个拨码开关，多个所述拨码开关分别与多个所述压电传感器对应连接，用于选择一个压电传感器进行检测；
继电器控制模块，所述继电器控制模块与分别与多个所述压电传感器连接，用于根据所选择的频段并联阈值匹配的电阻，选择信号的放大倍数；
信号测量模块，所述信号测量模块与所述继电器控制模块连接，接收信号并对信号扫频，测量电阻抗；以及
主控模块，所述主控模块与所述信号测量模块连接，接收电阻抗数据并输出至显示终端显示。
进一步，所述压电传感器避开所述起重构件的疲劳裂纹设置；
所述压电传感器通过强力胶设置于所述起重构件上。
进一步，还包括串口通信模块，所述主控模块经所述串口通信模块与所述显示终端连接，实现二者的通信。
进一步，还包括：电源模块，所述电源模块与所述串口通信模块连接，用于稳压。
进一步，所述显示终端为计算机。
进一步，主控模块与所述继电器控制模块连接，用于调节所述继电器控制模块的电阻；
一种利用起重机疲劳裂纹扩展监测设备进行疲劳裂纹扩展监测的方法，包括：
根据疲劳裂纹走向在其两侧设置压电传感器；
在一定频段和频率步进间隔内进行初步扫查，以峰值集中、尖锐的频段作为检测频段，在检测频段内以一定频率步进间隔进行电阻抗测量；
确定电阻抗的测量周期，以所述测量周期为间隔，分别进行每个压电传感器的电阻抗测量，记录每个压电传感器的电阻抗测量数据；
选用特征频率偏移量△f和均方差RMSD作为起重机疲劳裂纹扩展量的损伤识别指数，根据△f和RMSD的计算结果对裂纹的扩展情况进行定量评价。△f和RMSD的定义式如下：
Δf＝F1-F2 (1)
式中，F1和F2分别为结构损伤前后压电传感器电阻抗谱中谐振峰对应频率，N为采样信号中的数据点数，xi和yi(i＝1,2,3…)分别为结构损伤前后压电传感器电阻抗谱中相对应数据点的数值。
进一步，所述初步扫查的频段为1-300kHz，所述初步扫查的频率步进间隔为1Hz。
进一步，所述检测频段的宽度为30-40kHz，所述检测频段的频率步进间隔为0.1-1Hz。
进一步，还包括：根据起重机结构或在巡检中发现的疲劳裂纹出现位置确定出需要监测的部位。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的监测设备和监测方法能够对疲劳裂纹萌生、扩展、断裂的整个过程进行定量监测，实时反映疲劳裂纹的扩展情况，在起重机发生灾难性的断裂事故前发出报警信息，避免造成人员和财产损失。同时，该方法也可以降低设备维护人员巡视的频率，降低劳动强度，避免巡视盲点
附图说明
图1为本发明的设备连接结构示意图。
图2为本发明的信号测量模块电路示意图。
图3为本发明的主控制模块电路示意图。
图4为本发明的电源模块电路示意图。
图5为本发明的串口通信模块电路图。
图6为本发明的继电器控制模块电路示意图A。
图7为本发明的继电器控制模块电路示意图B。
图8为本发明的压电传感器和拨码开关电路示意图。
图9为本发明的疲劳裂纹扩展示意图。
图10为压电传感器电阻抗测量结果示意图。
图11为损伤识别指数计算结果示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备，包括：图1为本发明的设备连接结构示意图，计算机与电阻抗测量系统连接，电阻测量系统与压电传感器连接，压电传感器设置在起重机构件上。在计算机上安装由LabVIEW语言编写的上位机软件，该软件用于记录电阻抗信号测量结果，将该结果保存为Excel文件格式，进一步绘制出阻抗波形图作为疲劳裂纹监测的基础数据。电阻抗测量系统与压电传感器之间通过导线连接，电阻抗测量系统作为下位机负责完成电阻抗测量和数据传输功能。压电传感器通过强力胶粘贴在起重机构件附近。
根据本发明的具体实施例，包括：多个压电传感器，多个所述压电传感器分别设置于起重机的起重构件上；多个拨码开关，多个所述拨码开关分别与多个所述压电传感器对应连接，用于选择一个压电传感器进行检测。在本发明的一些具体的实施例中，所述压电传感器避开所述起重构件的疲劳裂纹设置；所述压电传感器通过强力胶设置于所述起重构件上。
所述电阻测量系统包括：继电器控制模块，所述继电器控制模块与分别与多个所述压电传感器连接，用于根据所选择的频段并联阈值匹配的电阻，选择信号放大倍数，辅助测量；信号测量模块，所述信号测量模块与所述继电器控制模块连接，接收信号并对信号扫频，测量电阻抗；以及主控模块，所述主控模块与所述信号测量模块连接，接收电阻抗数据并输出至显示终端显示。
根据本发明的具体实施例，图2为本发明的信号测量模块电路示意图。如图所示，所述信号测量模块由电阻抗测量芯片U2，运算放大芯片U3，晶振Y2，电感L1，电阻R8-R21，电容C3-C12组成，其中U2的型号为AD5933，U3的型号为OPA2354。所述电阻R11与继电器控制模块之间通过端口ROUT连接，电阻R19与继电器控制模块之间通过端口RIN连接，电阻R8与继电器控制模块之间通过端口INF连接，电阻R9与继电器控制模块之间通过端口OUTF连接，芯片U2的引脚15和16通过端口SDA和SCL与主控制模块芯片U5的引脚6和7连接。
根据本发明的具体实施例，图3为本发明的主控制模块电路示意图。如图3所示，所述主控制模块由EEPROM芯片U4，单片机芯片U5，晶振Y3，开关K1，电阻R22，电容C13-C15组成，其中U4的型号为AT24C02，U5的型号为STC12LE5A60S2。所述芯片U4的引脚5和6分别与U5的引脚1和2连接。
根据本发明的具体实施例，图4为本发明的电源模块电路示意图，如图4所示，所述电源模块由稳压芯片U6，二极管D1，电阻R24，可变电阻R23、电容器C16-C28组成，其中U6的型号为TPS77601。所述芯片U6的引脚6和7通过USB端口与串口通信模块接头J1的引脚4连接。
根据本发明的具体实施例，图5为本发明的串口通信模块电路图，如图所示，所述串口通信模块由USB转串口芯片U1，晶振Y1，电阻R1-R7，电容器C1-C2，接头J1组成，其中U1的型号为CP2102。所述接头J1与计算机的USB接口连接，芯片U1的引脚1和5分别与主控制模块芯片U5的引脚11和10连接。
根据本发明的具体实施例，图6为本发明的继电器控制模块电路示意图A，图7为本发明的继电器控制模块电路示意图B，如图所示，所述继电器控制模块由继电器DB1-DB11，二极管D3-D12，电阻R25-R40组成。图6所示继电器用于通过改变并联电阻大小，调节电阻抗测量范围，因为在不同的测量频段内，外界介入元件就是加到Key1和Key2之间的电阻抗是变化的，需要调节并联电阻。调节时，主控模块的单片机断开继电器，进行电阻调节。图7所示继电器用于改变测量模块电压的放大倍数。所述继电器控制模块端口Key1和Key2与压电传感器连接，所述继电器DB2、DB4、DB6、DB8、DB10的引脚8通过端口P2.0-P2.4与主控制模块芯片U5的21-25引脚连接，所述继电器DB1、DB3、DB5的引脚8通过端口P2.5-P2.7与主控制模块芯片U5的26-28引脚连接，所述继电器DB7、DB9的引脚8通过端口P1.3-P1.4与主控制模块芯片U5的4-5引脚连接，所述继电器DB11的引脚3通过端口P1.2与主控制模块芯片U5的引脚3连接。
根据本发明的具体实施例，图8为本发明的压电传感器和拨码开关电路示意图，如图8所示，拨码开关S1-S6和压电传感器P1-P6，所述压电传感器P1-P6的上下电极通过导线分别与拨码开关S1-S6的引脚2和4连接，拨码开关S1-S6的引脚1和3分别通过端口Key1和Key2与继电器控制模块连接。拨码开关和压电传感器的数量可以根据现场检测环境改变。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用起重机疲劳裂纹扩展监测设备进行监测的方法，包括：
(1)根据起重机结构或者在巡检中发现的疲劳裂纹出现位置确定出需要监测的部位；
(2)根据监测部位确定传感器网络设置方式。根据疲劳裂纹可能的走向在其两侧设置压电传感器，传感器数量可变，形状为长方形或者圆形，典型尺寸可以选用10×10×1mm3，压电传感器不能设置于疲劳裂纹之上，防止传感器被裂纹撕裂。PZT传感器制作时直接将下电极延伸到上表面，当PZT粘贴到被测结构上之后，其上下电极导线均可从上表面引出。
(3)确定检测频段和频率步进间隔。在1-300kHz频段范围内进行初步扫查，以1Hz为频率步进间隔，在获得阻抗谱后选取其中谐振峰比较集中，峰值比较尖锐的频段作为检测频段，检测频段的宽度可以选用30-40kHz，检测时所用频率步进间隔为0.1-1Hz。
(4)在特定时间间隔中进行压电传感器电阻抗测量。根据所监测设备的服役状况确定压电传感器电阻抗测量周期，分别对传感器网络中的各传感器进行电阻抗信号测量，记录各自测量结果。
(5)损伤识别指数计算。选用特征频率偏移量△f和均方差RMSD作为港口起重机疲劳裂纹扩展量的识别指数，根据△f和RMSD的计算结果对裂纹的扩展情况进行定量评价。△f和RMSD的定义式如下：
Δf＝F1-F2 (1)
式中，F1和F2分别为结构损伤前后PZT电阻抗谱中谐振峰对应频率，N为采样信号中的数据点数，xi和yi(i＝1,2,3…)分别为结构损伤前后PZT电阻谱中相对应数据点的数值。
根据本发明的具体实施例，图9为本发明的疲劳裂纹扩展示意图，在EHF-LM20K1-02型液压伺服疲劳试验机上进行疲劳加载试验，模拟港口起重机的实际疲劳加载过程，采用控制应变的疲劳加载方式，加载位移为和70um，加载频率均为10Hz，试样断裂时的循环次数为17,500。按照疲劳裂纹长度将试样的断裂过程划分为裂纹萌生(0-1,400次循环)、裂纹扩展(1,400-15,000次循环)和失稳断裂(15,000-17,000次循环)三个阶段。图10为压电传感器电阻抗测量结果示意图，在本次实施例中共进行的24次采样。图11为损伤识别指数计算结果示意图，以200次循环加载后所测得电阻抗谱作为基准信号，其中△f的计算基准为153.5kHz位置处的谐振峰。观察发现，在裂纹萌生阶段，△f的数值较小并且存在一定的起伏变化，在1,400次加载时仅为0.15kHz。RMSD的数值均表现出单调增大的变化趋势。经过1,400次循环加载后，RMSD的数值从200次循环时的0％增大到3.82％，变化量约为17,000次循环时RMSD数值的36.9％。表明损伤识别指数RMSD对于疲劳裂纹的萌生具有很高的检测灵敏度。在裂纹扩展阶段，△f表现出非常严格的单调递增趋势，并且其增大规律与疲劳裂纹长度的增大规律之间具有非常好的相似性。RMSD指数对于疲劳裂纹的初期扩展(1,400-5,000次循环过程)十分敏感。当裂纹长度从0.58mm增大到2.90mm时，RMSD的数值从3.79％单调增大到7.61％。
综上所述，港口起重机由于频繁起吊货物造成疲劳裂纹多发，起重机本体尺寸巨大，很多部位难以攀爬接触，检测和维护不便，实际使用中对于疲劳裂纹缺乏切实可用的结构健康监测手段，导致起重机械长期带伤运行，存在较大安全隐患。本发明提供的监测设备和监测方法能够对疲劳裂纹萌生、扩展、断裂的整个过程进行定量监测，实时反映疲劳裂纹的扩展情况，在起重机发生灾难性的断裂事故前发出报警信息，避免造成人员和财产损失。同时，该方法也可以降低设备维护人员巡视的频率，降低劳动强度，避免巡视盲点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。
Claims (10)
1.一种起重机疲劳裂纹扩展监测设备，其特征在于，包括：
多个压电传感器，多个所述压电传感器分别设置于起重机的起重构件上；
多个拨码开关，多个所述拨码开关分别与多个所述压电传感器对应连接，用于选择一个压电传感器进行检测；
继电器控制模块，所述继电器控制模块与分别与多个所述压电传感器连接，用于根据所选择的频段并联阈值匹配的电阻，选择信号的放大倍数；
信号测量模块，所述信号测量模块与所述继电器控制模块连接，接收信号并对信号扫频，测量电阻抗；以及
主控模块，所述主控模块与所述信号测量模块连接，接收电阻抗数据并输出至显示终端显示。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压电传感器避开所述起重构件的疲劳裂纹设置；
所述压电传感器通过强力胶设置于所述起重构件上。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括串口通信模块，所述主控模块经所述串口通信模块与所述显示终端连接，实现二者的通信。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括：电源模块，所述电源模块与所述串口通信模块连接，用于稳压。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述显示终端为计算机。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，主控模块与所述继电器控制模块连接，用于调节所述继电器控制模块的电阻。
7.一种利用权利要求1~6任一项所述的设备进行疲劳裂纹扩展监测的方法，其特征在于，包括：
根据疲劳裂纹走向在其两侧设置压电传感器；
在一定频段和频率步进间隔内进行初步扫查，以峰值集中、尖锐的频段作为检测频段，在检测频段内以一定频率步进间隔进行电阻抗测量；
确定电阻抗的测量周期，以所述测量周期为间隔，分别进行每个压电传感器的电阻抗测量，记录每个压电传感器的电阻抗测量数据；
选用特征频率偏移量△f和均方差RMSD作为起重机疲劳裂纹扩展量的损伤识别指数，根据△f和RMSD的计算结果对裂纹的扩展情况进行定量评价，
△f和RMSD的定义式如下：
（1）
（2）
式中，F1和F2分别为结构损伤前后压电传感器电阻抗谱中谐振峰对应频率，N为采样信号中的数据点数，xi和yi（i=1,2,3…）分别为结构损伤前后压电传感器电阻抗谱中相对应数据点的数值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初步扫查的频段为1-300kHz，所述初步扫查的频率步进间隔为1Hz。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测频段的宽度为30-40kHz，所述检测频段的频率步进间隔为0.1-1Hz。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据起重机结构或在巡检中发现的疲劳裂纹出现位置确定出需要监测的部位。
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