CN112697202A - 垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，包括光纤光栅应变传感模块、光纤光栅温度传感模块、信号传输模块、解调模块、数据处理模块和实时显示与预警模块。本发明应用无损光纤传感技术，可以快速、实时获取垂直升船机平衡重系统各钢丝绳的拉应力以及升船机环境温度变化等信息，采用多种算法及先验知识，通过数据分析、处理及专家系统对垂直升船机平衡重系统钢丝绳的结构动态特性及负载运行状况做出准确判断，实现了在各种状态下实时同步监测平衡重系统各钢丝绳负载状态的目的。通过本项发明也可对垂直升船机平衡重系统检修与维护工作给出合理性建议，对减少非计划停航、优化停航计划提供有力帮助。
Description
技术领域
本发明涉及水工金属结构负载监测技术领域，特别是涉及一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统。
背景技术
垂直升船机平衡重系统钢丝绳分多组对称布置在船厢两侧，每组有若干根钢丝绳，每组钢丝绳一端通过调节组件与船厢吊耳连接、另一端绕过塔柱顶部机房内的滑轮组后，通过连接组件与平衡重组连接。在升船机运行过程中，若各钢丝绳组及各钢丝绳组内每根钢丝绳负载不均衡，将造成平衡重系统滑轮的损伤并且加快部分钢丝绳的老化，从而影响到船厢的平衡状态，给安全航运造成巨大隐患。因此，通过监测升船机平衡重系统钢丝绳组每根钢丝绳的实时负载，以便调整升船机运行速度和制定相应防范保护措施，对延缓平衡重系统老化和保障升船机安全运行具有重大意义。
目前，主要通过人工肉眼观察法来判断垂直升船机平衡重系统钢丝绳的损耗情况，并且采用定时涂抹润滑油脂的方式来延缓钢丝绳的老化速度。但是该方法不仅效率低，而且与检测人员的经验素质直接相关，检测结果的可靠性难以保证，无法实现定量检测。采用涂抹润滑油脂来延缓钢丝绳老化速度的方式不仅工作繁琐复杂、污染船厢环境，而且无法从根本上延缓垂直升船机平衡重钢丝绳的老化速度。因此，亟需一种能够实现对垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测的技术，通过获取垂直升船机平衡重系统各钢丝绳负载状态来为调整垂直升船机运行状态和升船机承重提供技术指导，从根本上延缓垂直升船机平衡重系统钢丝绳的老化速度。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能实时获取各钢丝绳负载状态的垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，包括光纤光栅应变传感模块、光纤光栅温度传感模块、信号传输模块、解调模块、数据处理模块和实时显示与预警模块。
所述的光纤光栅应变传感模块和光纤光栅温度传感模块均通过信号传输模块与解调模块连接，所述的解调模块经数据处理模块与实时显示与预警模块连接。
所述的光纤光栅应变传感模块由若干个光纤光栅应变传感器组成，垂直升船机平衡重系统的每根钢丝绳安装一个光纤光栅应变传感器；
所述的光纤光栅温度传感模块由若干个光纤光栅温度传感器组成，每个光纤光栅应变传感器旁安装一个光纤光栅温度传感器，所述的光纤光栅温度传感器用于对对应的光纤光栅应变传感器进行温度补偿；
所述的信号传输模块由若干条光纤组成。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器的型号为osc3110，所述的光纤光栅温度传感器的型号为osc4100。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器安装在钢丝绳与升船机船厢连接的吊耳上方。
进一步地，所述的解调模块、数据处理模块和实时显示与预警模块均安在调控室。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器通过两个基座安装在垂直升船机平衡重系统的钢丝绳上，所述两个基座纵向距离L满足以下条件：
L>h
L<D-2d
其中，h为光纤光栅应变传感器有效工作时两个基座之间的最小纵向距离；D为光纤光栅应变传感器的长度，d为光纤光栅应变传感器底座一端到底座焊锡最近的距离。
进一步地，所述的基座由两个结构相同、形状对称的紧固件通过螺栓螺母固定组成，所述的紧固件为两端有延长臂的拱形钢环，延长臂上设置螺栓孔，两个紧固件通过螺栓螺母固定在钢丝绳上；在延长臂螺栓孔以外的区域焊接传感器。
进一步地，所述的垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统的工作方法，包括以下步骤：
A、设置中心波长零点
数据处理模块将光纤光栅应变传感模块中第n个光纤光栅应变传感器在时刻T的中心波长设置为波长零点，记为λyn0；λy表示光纤光栅应变传感器的波长，0表示波长零点；
数据处理模块将光纤光栅温度传感模块中第n个光纤光栅温度传感器在时刻T的中心波长设置为波长零点，记为λtn0；λt表示光纤光栅温度传感器的波长；
B、解调信号
光纤光栅应变传感模块通过信号传输模块将光信号传输到解调模块，解调模块解调出光纤光栅应变传感模块中第n个光纤光栅应变传感器的实时中心波长λyn；
光纤光栅温度传感模块通过信号传输模块将光信号传输到解调模块，解调模块解调出光纤光栅温度传感模块中第n个光纤光栅温度传感器的实时中心波长λtn；
C、数据处理
C1、计算光纤光栅应变传感器的应变值
数据处理模块对λyn进行处理，得出光纤光栅应变传感模块中第n个光纤光栅应变传感器的应变值：
εn＝(106×gangsisheng_N_yn)÷Fgn
其中，gangsisheng_N_yn＝(λyn-λyn0)÷λyn0，Fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子；
C2、计算环境温度变化所引起的应变
数据处理模块计算实时温度相对于T时刻温度的变化量Δtn以及Δtn造成的应变变化量Δεtn：
Δtn＝103×(gangsisheng_D_tn÷Stn)
其中，gangsisheng_D_tn＝λtn-λtn0，Stn为第n个光纤光栅温度传感器的温度灵敏度；
Δεtn＝(Δtn)×(C1n÷Fgn+CTEsn-C2n)
其中，C1n为第n个光纤光栅应变传感器的应变常数，Fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子，CTEsn为平衡重系统第n根钢丝绳的热膨胀系数，C2n为第n个光纤光栅应变传感器的应变常数；
C3、计算钢丝绳实时拉应力值
数据处理模块计算第n根钢丝绳的实时拉应力值σtn：
σtn＝10-6×Δεn×E
其中：Δεn＝εn-Δεtn，E为垂直升船机平衡重系统钢丝绳的弹性模量；
D、显示与预警
转步骤A直至计算出所有钢丝绳的实时拉应力值；实时显示与预警模块将数据处理模块处理完毕的数据实时显示并存储，当垂直升船机平衡重系统的任意两根钢丝绳拉应力差值超过阈值时，发出警告。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明应用无损光纤传感技术，可以快速、实时获取垂直升船机平衡重系统各钢丝绳的拉应力以及升船机环境温度变化等信息，采用多种算法及先验知识，通过数据分析、处理及专家系统对垂直升船机平衡重系统钢丝绳的结构动态特性及负载运行状况做出准确判断，以达到在垂直升船机处于各种状态下实时同步监测平衡重系统钢丝绳组及钢丝绳组各钢丝绳负载情况的目的。
2、通过本项发明，工作人员可实时了解和掌握垂直升船机上行、悬停、下行情况下垂直升船机平衡重系统各钢丝绳组以及钢丝绳组的各钢丝绳的负载情况，为垂直升船机运行提供有力技术参考，为保护平衡重系统和保证垂直升船机正常运行提供有力保障，同时也可对垂直升船机平衡重系统检修与维护工作给出合理性建议，对减少非计划停航、优化停航计划提供有力帮助。
附图说明
本发明共有附图2幅，其中：
图1为本发明的流程图。
图2为基座结构示意图。
图中：1、光纤光栅应变传感模块，2、光纤光栅温度传感模块，3、信号传输模块，4、解调模块，5、数据处理模块，6、实时显示与预警模块，7、紧固件，8、螺栓，9、螺母。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1-2所示，一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，包括光纤光栅应变传感模块1、光纤光栅温度传感模块2、信号传输模块3、解调模块4、数据处理模块5和实时显示与预警模块6。
所述的光纤光栅应变传感模块1和光纤光栅温度传感模块2均通过信号传输模块3与解调模块4连接，所述的解调模块4经数据处理模块5与实时显示与预警模块6连接。
所述的光纤光栅应变传感模块1由若干个光纤光栅应变传感器组成，垂直升船机平衡重系统的每根钢丝绳安装一个光纤光栅应变传感器；
所述的光纤光栅温度传感模块2由若干个光纤光栅温度传感器组成，每个光纤光栅应变传感器旁安装一个光纤光栅温度传感器，所述的光纤光栅温度传感器用于对对应的光纤光栅应变传感器进行温度补偿；
所述的信号传输模块3由若干条光纤组成。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器的型号为osc3110，所述的光纤光栅温度传感器的型号为osc4100。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器安装在钢丝绳与升船机船厢连接的吊耳上方。
进一步地，所述的解调模块4、数据处理模块5和实时显示与预警模块6均安装在调控室。
进一步地，所述的光纤光栅应变传感器通过两个基座安装在垂直升船机平衡重系统的钢丝绳上，所述两个基座纵向距离L满足以下条件：
L>h
L<D-2d
其中，h为光纤光栅应变传感器有效工作时两个基座之间的最小纵向距离；D为光纤光栅应变传感器的长度，d为光纤光栅应变传感器底座一端到底座焊锡最近的距离。
进一步地，所述的基座由两个结构相同、形状对称的紧固件7通过螺栓8和螺母9固定组成，所述的紧固件7为两端有延长臂的拱形钢环，延长臂上设置螺栓孔，两个紧固件7通过螺栓8和螺母9固定在钢丝绳上；在延长臂螺栓孔以外的区域焊接传感器。
进一步地，所述的垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统的工作方法，包括以下步骤：
A、设置中心波长零点
数据处理模块5将光纤光栅应变传感模块1中第n个光纤光栅应变传感器在时刻T的中心波长设置为波长零点，记为λyn0；λy表示光纤光栅应变传感器的波长，0表示波长零点；
数据处理模块5将光纤光栅温度传感模块2中第n个光纤光栅温度传感器在时刻T的中心波长设置为波长零点，记为λtn0；λt表示光纤光栅温度传感器的波长；
B、解调信号
光纤光栅应变传感模块1通过信号传输模块3将光信号传输到解调模块4，解调模块4解调出光纤光栅应变传感模块1中第n个光纤光栅应变传感器的实时中心波长λyn；
光纤光栅温度传感模块2通过信号传输模块3将光信号传输到解调模块4，解调模块4解调出光纤光栅温度传感模块2中第n个光纤光栅温度传感器的实时中心波长λtn；
C、数据处理
C1、计算光纤光栅应变传感器的应变值
数据处理模块5对λyn进行处理，得出光纤光栅应变传感模块1中第n个光纤光栅应变传感器的应变值：
εn＝(106×gangsisheng_N_yn)÷Fgn
其中，gangsisheng_N_yn＝(λyn-λyn0)÷λyn0，Fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子；
C2、计算环境温度变化所引起的应变
数据处理模块5计算实时温度相对于T时刻温度的变化量Δtn以及Δtn造成的应变变化量Δεtn：
Δtn＝103×(gangsisheng_D_tn÷Stn)
其中，gangsisheng_D_tn＝λtn-λtn0，Stn为第n个光纤光栅温度传感器的温度灵敏度；
Δεtn＝(Δtn)×(C1n÷Fgn+CTEsn-C2n)
其中，C1n为第n个光纤光栅应变传感器的应变常数，Fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子，CTEsn为平衡重系统第n根钢丝绳的热膨胀系数，C2n为第n个光纤光栅应变传感器的应变常数；
C3、计算钢丝绳实时拉应力值
数据处理模块5计算第n根钢丝绳的实时拉应力值σtn：
σtn＝10-6×Δεn×E
其中：Δεn＝εn-Δεtn，E为垂直升船机平衡重系统钢丝绳的弹性模量；
D、显示与预警
转步骤A直至计算出所有钢丝绳的实时拉应力值；实时显示与预警模块6将数据处理模块5处理完毕的数据实时显示并存储，当垂直升船机平衡重系统的任意两根钢丝绳拉应力差值超过阈值时，发出警告。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：包括光纤光栅应变传感模块(1)、光纤光栅温度传感模块(2)、信号传输模块(3)、解调模块(4)、数据处理模块(5)和实时显示与预警模块(6)；
所述的光纤光栅应变传感模块(1)和光纤光栅温度传感模块(2)均通过信号传输模块(3)与解调模块(4)连接，所述的解调模块(4)经数据处理模块(5)与实时显示与预警模块(6)连接；
所述的光纤光栅应变传感模块(1)由若干个光纤光栅应变传感器组成，垂直升船机平衡重系统的每根钢丝绳安装一个光纤光栅应变传感器；
所述的光纤光栅温度传感模块(2)由若干个光纤光栅温度传感器组成，每个光纤光栅应变传感器旁安装一个光纤光栅温度传感器，所述的光纤光栅温度传感器用于对对应的光纤光栅应变传感器进行温度补偿；
所述的信号传输模块(3)由若干条光纤组成。
2.根据权利要求1所述的一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅应变传感器的型号为osc3110，所述的光纤光栅温度传感器的型号为osc4100。
3.根据权利要求1所述的一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅应变传感器安装在钢丝绳与升船机船厢连接的吊耳上方。
4.根据权利要求1所述的一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：所述的解调模块(4)、数据处理模块(5)和实时显示与预警模块(6)均安装在调控室。
5.根据权利要求1所述的一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅应变传感器通过两个基座安装在垂直升船机平衡重系统的钢丝绳上，所述两个基座纵向距离L满足以下条件：
L>h
L<D-2d
其中，h为光纤光栅应变传感器有效工作时两个基座之间的最小纵向距离；D为光纤光栅应变传感器的长度，d为光纤光栅应变传感器底座一端到底座焊锡最近的距离。
6.根据权利要求1所述的一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：所述的基座由两个结构相同、形状对称的紧固件(7)通过螺栓(8)和螺母(9)固定组成，所述的紧固件(7)为两端有延长臂的拱形钢环，延长臂上设置螺栓孔，两个紧固件(7)通过螺栓(8)和螺母(9)固定在钢丝绳上；在延长臂螺栓孔以外的区域焊接传感器。
7.根据权利要求1所述的一种垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统，其特征在于：所述的垂直升船机平衡重系统多根钢丝绳负载状态同步监测系统的工作方法，包括以下步骤：
A、设置中心波长零点
数据处理模块(5)将光纤光栅应变传感模块(1)中第n个光纤光栅应变传感器在时刻T的中心波长设置为波长零点，记为λyn0；λy表示光纤光栅应变传感器的波长，0表示波长零点；
数据处理模块(5)将光纤光栅温度传感模块(2)中第n个光纤光栅温度传感器在时刻T的中心波长设置为波长零点，记为λtn0；λt表示光纤光栅温度传感器的波长；
B、解调信号
光纤光栅应变传感模块(1)通过信号传输模块(3)将光信号传输到解调模块(4)，解调模块(4)解调出光纤光栅应变传感模块(1)中第n个光纤光栅应变传感器的实时中心波长λyn；
光纤光栅温度传感模块(2)通过信号传输模块(3)将光信号传输到解调模块(4)，解调模块(4)解调出光纤光栅温度传感模块(2)中第n个光纤光栅温度传感器的实时中心波长λtn；
C、数据处理
C1、计算光纤光栅应变传感器的应变值
数据处理模块(5)对λyn进行处理，得出光纤光栅应变传感模块(1)中第n个光纤光栅应变传感器的应变值：
εn＝(106×gangsisheng_N_yn)÷Fgn
其中，gangsisheng_N_yn＝(λyn-λyn0)÷λyn0，Fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子；
C2、计算环境温度变化所引起的应变
数据处理模块(5)计算实时温度相对于T时刻温度的变化量Δtn以及Δtn造成的应变变化量Δεtn：
Δtn＝103×(gangsisheng_D_tn÷Stn)
其中，gangsisheng_D_tn＝λtn-λtn0，Stn为第n个光纤光栅温度传感器的温度灵敏度；
Δεtn＝(Δtn)×(C1n÷Fgn+CTEsn-C2n)
其中，C1n为第n个光纤光栅应变传感器的应变常数，Fgn为第n个光纤光栅应变传感器的应变因子，CTEsn为平衡重系统第n根钢丝绳的热膨胀系数，C2n为第n个光纤光栅应变传感器的应变常数；
C3、计算钢丝绳实时拉应力值
数据处理模块(5)计算第n根钢丝绳的实时拉应力值σtn：
σtn＝10-6×Δεn×E
其中：Δεn＝εn-Δεtn，E为垂直升船机平衡重系统钢丝绳的弹性模量；
D、显示与预警
转步骤A直至计算出所有钢丝绳的实时拉应力值；实时显示与预警模块(6)将数据处理模块(5)处理完毕的数据实时显示并存储，当垂直升船机平衡重系统的任意两根钢丝绳拉应力差值超过阈值时，发出警告。
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- 2020-12-28 CN CN202011582088.4A patent/CN112697202A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210423 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |