CN109839235A

CN109839235A - 一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置和方法

Info

Publication number: CN109839235A
Application number: CN201711194413.8A
Authority: CN
Inventors: 靳晔; 高林鹤; 秦亚敏; 刘占阳; 庞增拴; 王勇; 李欣
Original assignee: HEBEI ELECTROMECHANICAL INTEGRATION TESTING BASE
Current assignee: Hebei electromechanical integration pilot base Co.,Ltd.
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: CN109839235B

Abstract

本发明公开了一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置和方法。其中，所述装置包括带有环焊缝的滚筒、应变片、应力采集终端、应力监测接收器和PLC。应变片均布在滚筒环焊缝处，通过应变片的形变来表征滚筒环焊缝处的疲劳强度。应力采集终端以一定采样周期通过所连接的应变片来获取各监测点的应力大小。应力监测接收器通过无线网络接收来自所述应力采集终端传来的应变数据并分析处理从而对滚筒的运行状态和报警等级及类别进行判定，并将报警等级通过DO组合的方式传递给PLC。PLC根据报警等级控制执行机构执行相关动作，并通过485通信接口或RJ45网络接口从应力监测接收器读取报警类别、应力值等信息。最终采用本方案可实时对滚筒环焊缝是否存在疲劳破坏现象做出准确判断和及时响应，从而将设备故障率降低到最小。

Description

一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置和方法

技术领域

本发明涉及在线监测领域，特别是一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置和方法。

背景技术

大型带式输送机是矿井、港口等企业中物资运输的主要设备。在带式输送机中，大型滚筒充当主动轮和从动轮的作用，一旦滚筒发生疲劳破坏现象，若不能及时发现，将造成整条工业生产线断裂。

大量实验表明，传动滚筒的疲劳破坏现象通常发生在高应力区域或者材料缺陷处，当应力值到达一定值后，筒身上的环形焊缝是疲劳破坏最先发生的地带，因此需要对滚筒环焊缝进行疲劳强度检测。

经查阅相关资料，还没有发现能够在线实时监测传动中滚筒环焊缝疲劳强度的相关装置出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在线实时监测传动中大型滚筒环焊缝疲劳强度的装置，为此，本发明提出了一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置和方法，本装置可对滚筒的运行状态进行在线监测以及对发生疲劳破坏的滚筒进行及时报警，从而降低了设备故障损失率。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置，主要包括：带有环焊缝的滚筒、应变片、应力采集终端、应力监测接收器和PLC。

工作时，应变片均布在滚筒环焊缝处，通过应变片的形变来表征滚筒环焊缝处的疲劳强度，应力采集终端以一定采样周期通过所连接的应变片来获取各监测点的应力大小，应力监测接收器通过无线网络接收来自应力采集终端传来的应变数据并分析处理从而对滚筒的运行状态和报警等级及类别进行判定，并将报警等级通过DO组合的方式传递给PLC，PLC根据报警等级控制执行机构执行相关动作，并通过485通信接口或RJ45网络接口从应力监测接收器读取报警类别、应力值等信息。

在一些实施例中，带有环焊缝的滚筒是一种由筒体、接盘和轴装配焊接起来的组合构件体。传动滚筒的疲劳破坏通常发生在高应力区域或者材料缺陷处，经大量实验和有限元分析表明，当应力值达到一定值后，筒身上的环形焊缝是最先发生疲劳破坏现象的地带。

在一些实施例中，滚筒的环焊缝内壁均布5+(N-1)*4-1个应变片，这5+(N-1)*4-1组应变片组成应变采集传感器系统，用于获取影响环形焊缝疲劳强度的模拟量信号。以滚筒的材质、直径、转速及受力情况为依据对滚筒有限元分析，在环焊缝一周均匀提取足够多点的应力值经matlab分析得出对应的“焊缝圆周应力图”，图中波峰的个数为N，为精确测量出疲劳破坏现象，在每个波长范围内均匀安装5个应变片，故在滚筒环焊缝一周均布5+(N-1)*4-1个应变片。

在一些实施例中，应力采集终端主要包括应变采集放大及A/D转换电路、主控芯片、433Mhz射频收发电路和储能型电源电路。通过应变采集放大及A/D转换电路将模拟量信号转换为相应的数字信号，经主控芯片进行数字滤波后通过433Mhz射频收发电路将数据传输给应力监测接收器。

进一步的，储能型电源电路具有外部DC电源输入接口和内部电池储能单元。在工作时，由外部DC电源进行供电，同时对电池单元进行充能。当外部DC电源断开时，自动切换到内部的电池储能单元供电，保证应力采集终端能够稳定运行。

在一些实施例中，应力监测接收器具有DO接口电路、485通信接口电路、RJ45网络接口电路、主控芯片、433Mhz射频收发电路和电源电路。当其接收到应力采集终端通过无线网络传来的应变数据后，主控芯片对这些数据通过预置的“环焊缝疲劳破坏应力分析算法”进行分析，判断出滚筒环焊缝是否存在疲劳破坏现象，以及疲劳破坏的报警等级，通过DO接口以组合编码输出的方式将报警等级传递给PLC。

进一步的，PLC与应力监测接收器之间通过RS485接口或以太网接口通信。当PLC通过DI接口接收来自应力监测接收器传递的报警等级为低级报警时，说明滚筒环焊缝裂纹即将形成，此时滚筒可继续工作，同时PLC给予相应的报警提示，由用户判定是否进行补救；当报警等级达到停机报警时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，已影响其正常使用，PLC控制执行器立即停机，滚筒直接停止运转。

一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

经大量实践得出带有环焊缝的滚筒最先出现疲劳破坏的位置处于环焊缝上。

根据滚筒的材质、直径、转速及受力情况分类建立实验模型，进行实验测量和有限元分析，获取滚筒环焊缝发生疲劳破坏时各部位的应力值，并在环焊缝一周均匀取足够的点所受的应力值，经MATLAB分析得出不同材质、不同直径的滚筒在不同受力范围内环焊缝处出现疲劳破坏时“焊缝圆周应力图”和临界应力值，并依据不同材质、直径、转速、受力情况及临界应力值分类打包成“环焊缝疲劳破坏应力分析算法库”。

若滚筒的“焊缝圆周应力图”中的波峰个数为N，在每个波长范围内均匀分布5个应变片，即在滚筒环焊缝一周均匀安装5+(N-1)*4-1个应变片。

各应变片带有引线的一端接入应力采集终端，保证安装后的各应变片能够正常工作。

应力采集终端与应力监测接收器之间通过无线网络通信，应力监测接收器与PLC之间通过485通信接口或RJ45通信接口通信。

根据滚筒型号在“环焊缝疲劳破坏应力分析算法库”检索出其对应的算法，并预置到应力监测接收器。

同一环焊缝上的5+(N-1)*4-1个应变片采集影响滚筒环焊缝疲劳强度的模拟量信号，并将这些信号通过连接导线传输至应力采集终端。

假设滚筒转速为n，则应力采集终端以采集周期通过应变采集放大及A/D转换电路将模拟量信号转换为相应的数字信号，并将应变数据经无线网络传至应力监测接收器。应力监测接收器将接收到的数据存入预先分配好的存储单元。

应力监测接收器对接收到各个采样点的应变数据进行分析处理以判断滚筒的运行情况。将应变数据与对应的应变临界值进行对比，判断出滚筒环焊缝是否存在疲劳破坏现象，以及疲劳破坏的报警等级。若每个周期内连续m1(0<m1≤5+(N-1)*4-1)次采集的应变数据超出临界值时说明该滚筒环焊缝裂纹即将形成，并将该疲劳破坏等级归为初级报警；若每个周期内采集的应变数据超过临界值的次数为m2(m2>5+(N-1)*4-1)时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，将该疲劳破坏归为停机报警。

当PLC通过DI接口接收来自所述应力监测接收器传递的报警等级为低级报警时说明滚筒环焊缝裂纹即将形成，此时滚筒可继续工作，PLC查询报警类别，用户根据报警类别判定是否进行补救；当报警等级达到停机报警时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，已影响其正常使用，PLC控制执行器立即停机，滚筒直接停止运转。

附图说明

图1是本发明的一实施方式设计的装置概略结构图；

图2是滚筒有限元分析图；

图3是应变片在滚筒环焊缝内壁上的安装分布图。

图1至图3中的附图标记说明如下：

1-带有环焊缝的滚筒、2-应变片、3-应力采集终端、4-应力监测接收器、5-PLC、6-导线、7-均布在环韩峰内壁的应变片、8-应力采集终端。

具体实施方式

本实施案例中滚筒的材质为Q235A，该滚筒的几何参数如下：

滚筒直径：630mm；筒长：1800mm；壁厚：8mm；焊缝距较近滚筒端面距离：600mm。

滚筒模型受到以下4种力的作用：1)垂直于滚筒圆弧面的力作为皮带对滚筒面的压力；2)相切于滚筒圆弧面的力作为滚筒所受的摩擦力，方向为垂直于面的径向压力；3)滚筒自身的重力；4)绕轴旋转的离心力。

运行该滚筒时，滚筒运行时所受摩擦合力为428kNm，所受正压力为0.095～0.234N/mm2，转速为30r/min。

首先滚筒生产厂商在该滚筒模型进行有限元分析，采集到大型滚筒环焊缝发生疲劳破坏时各部位的应力值，本实施案例中提取了38个均匀分布在环焊缝上点的应力值，经MATLAB分析得出该滚筒发生疲劳破坏时“焊缝圆周应力图”如图2所示，其中横轴代表所取的38个分布点，纵轴代表着38个分布点对应的应力值，得出环焊缝上点承受的临界应力值为2.00⁺⁰⁷N/m²，将该将滚筒材质、受力、临界应力值打包并存至“环焊缝疲劳破坏应力分析算法库”。

由该滚筒的“焊缝圆周应力图”可得其存在N＝3个波峰，故应在该滚筒环焊缝内壁均匀分布安装5+(N-1)*4-1＝12个应变片，将各应变片带有引线的一侧接入应力采集终端，保证应变片能够正常使用，应变片在滚筒环焊缝内壁上的安装分布图如图3所示。

运行该滚筒，故这12个应变片对影响环形焊缝疲劳强度的模拟量信号进行采集，并将这些信号同步传输至应力采集终端。

由于该滚筒转速为n＝30r/min，故应力采集终端以采集周期通过应变采集放大及A/D转换电路将模拟量信号转换为相应的数字信号，并将应变数据经无线网络传至应力监测接收器。应力监测接收器将接收到的数据存入预先分配好的存储单元。

应力监测接收器对接收到各个采样点的应变数据进行分析处理以判断滚筒的运行情况。将应变数据与对应的应变临界值进行对比，判断出滚筒环焊缝是否存在疲劳破坏现象，以及疲劳破坏的报警等级。若每个周期内连续m1(0<m1≤12)次采集的应变数据超出临界值时说明该滚筒环焊缝裂纹即将形成，并将该疲劳破坏等级归为初级报警；若每个周期内采集的应变数据超过临界值的次数为m2(m2>12)时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，将该疲劳破坏归为停机报警。

当PLC通过DI接口接收来自应力监测接收器传递的报警等级为低级报警时说明滚筒环焊缝裂纹即将形成，此时滚筒可继续工作，PLC查询报警类别，用户根据报警类别判定是否进行补救；当报警等级达到停机报警时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，已影响其正常使用，PLC控制执行器立即停机，滚筒直接停止运转。

Claims

1.一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警装置，其主要特征在于，包括：带有环焊缝的滚筒、应变片、应力采集终端、应力监测接收器和PLC。

2.工作时，所述应变片均布在滚筒环焊缝处，通过应变片的形变来表征滚筒环焊缝处的疲劳强度，所述应力采集终端以一定采样周期通过所连接的应变片来获取各监测点的应力大小，所述应力监测接收器通过无线网络接收来自所述应力采集终端传来的应变数据并分析处理从而对滚筒的运行状态和报警等级及类别进行判定，并将报警等级通过DO组合的方式传递给PLC，所述PLC根据报警等级控制执行机构执行相关动作，并通过485通信接口或RJ45网络接口从应力监测接收器读取报警类别、应力值等信息。

3.根据权利要求1所述的带有环焊缝的滚筒，其特征在于，所述带有环焊缝的滚筒是一种由筒体、接盘和轴装配焊接起来的组合构件体。传动滚筒的疲劳破坏通常发生在高应力区域或者材料缺陷处，经大量实验和有限元分析表明，当应力值达到一定值后，筒身上的环形焊缝是最先发生疲劳破坏现象的地带。

4.根据权利要求1所述的应变片，其特征在于，在所述滚筒的环焊缝内壁均布5+(N-1)*4-1个应变片，所述5+(N-1)*4-1组应变片组成应变采集传感器系统，用于获取影响环形焊缝疲劳强度的模拟量信号。以滚筒的材质、直径、转速及受力情况为依据对滚筒有限元分析，在环焊缝一周均匀提取足够多点的应力值经matlab分析得出对应的“焊缝圆周应力图”，图中波峰的个数为N，为精确测量出疲劳破坏现象，在每个波长范围内均匀安装5个应变片，故在滚筒环焊缝一周均布5+(N-1)*4-1个应变片。

5.根据权利要求1所述的应力采集终端，其特征在于，所述应力采集终端主要包括应变采集放大及A/D转换电路、主控芯片、433Mhz射频收发电路和储能型电源电路。通过应变采集放大及A/D转换电路将所述模拟量信号转换为相应的数字信号，经主控芯片进行数字滤波后通过433Mhz射频收发电路将数据传输给应力监测接收器。

6.根据权利要求5所述的储能型电源电路，其特征在于，具有外部DC电源输入接口和内部电池储能单元。在工作时，由外部DC电源进行供电，同时对电池单元进行充能。当外部DC电源断开时，自动切换到内部的电池储能单元供电，保证所述应力采集终端能够稳定运行。

7.根据权利要求1所述的应力监测接收器，其特征在于具有DO接口电路、485通信接口电路、RJ45网络接口电路、主控芯片、433Mhz射频收发电路和电源电路。当其接收到所述应力采集终端通过无线网络传来的应变数据后，主控芯片对这些数据通过预置的“环焊缝疲劳破坏应力分析算法”进行分析，判断出滚筒环焊缝是否存在疲劳破坏现象，以及疲劳破坏的报警等级，通过DO接口以组合编码输出的方式将报警等级传递给PLC。

8.根据权利要求6所述的PLC，其特征在于，支持与应力监测接收器之间通过RS485接口或以太网接口通信。当所述PLC通过DI接口接收来自所述应力监测接收器传递的报警等级为低级报警时，说明滚筒环焊缝裂纹即将形成，此时滚筒可继续工作，同时PLC给予相应的报警提示，由用户判定是否进行补救；当报警等级达到停机报警时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，已影响其正常使用，PLC控制执行器立即停机，滚筒直接停止运转。

9.一种大型滚筒环焊缝疲劳破坏在线监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、经大量实践得出带有环焊缝的滚筒最先出现疲劳破坏的位置处于环焊缝上。

S2、根据滚筒的材质、直径、转速及受力情况分类建立实验模型，进行实验测量和有限元分析，获取滚筒环焊缝发生疲劳破坏时各部位的应力值，并在环焊缝一周均匀取足够的点所受的应力值，经MATLAB分析得出不同材质、不同直径的滚筒在不同受力范围内环焊缝处出现疲劳破坏时“焊缝圆周应力图”和临界应力值，并依据不同材质、直径、转速、受力情况及临界应力值分类打包成“环焊缝疲劳破坏应力分析算法库”。

S3、若滚筒的“焊缝圆周应力图”中的波峰个数为N，在每个波长范围内均匀分布5个应变片，即在滚筒环焊缝一周均匀安装5+(N-1)*4-1个应变片。

S4、所述各应变片带有引线的一端接入应力采集终端，保证安装后的各应变片能够正常工作。

S5、所述应力采集终端与所述应力监测接收器之间通过无线网络通信，所述应力监测接收器与所述PLC之间通过485通信接口或RJ45通信接口通信。

S6、根据滚筒型号在“环焊缝疲劳破坏应力分析算法库”检索出其对应的算法，并预置到所述应力监测接收器。

S7、同一环焊缝上的5+(N-1)*4-1个应变片采集影响滚筒环焊缝疲劳强度的模拟量信号，并将这些信号通过连接导线传输至所述应力采集终端。

S8、所述滚筒转速为n，所述应力采集终端以采集周期通过应变采集放大及A/D转换电路将所述模拟量信号转换为相应的数字信号，并将应变数据经无线网络传至所述应力监测接收器。所述应力监测接收器将接收到的数据存入预先分配好的存储单元。

S9、所述应力监测接收器对接收到各个采样点的应变数据进行分析处理以判断滚筒的运行情况。将应变数据与对应的应变临界值进行对比，判断出滚筒环焊缝是否存在疲劳破坏现象，以及疲劳破坏的报警等级。若每个周期内连续m₁(0<m₁≤5+(N-1)*4-1)次采集的应变数据超出临界值时说明该滚筒环焊缝裂纹即将形成，并将该疲劳破坏等级归为初级报警；若每个周期内采集的应变数据超过临界值的次数为m₂(m₂>5+(N-1)*4-1)时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，将该疲劳破坏归为停机报警。

S10、当所述PLC通过DI接口接收来自所述应力监测接收器传递的报警等级为低级报警时说明滚筒环焊缝裂纹即将形成，此时滚筒可继续工作，PLC查询报警类别，用户根据报警类别判定是否进行补救；当报警等级达到停机报警时，说明滚筒环焊缝裂纹在微观上已进入迅速断裂阶段，已影响其正常使用，PLC控制执行器立即停机，滚筒直接停止运转。