CN113295360B - 一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统包括零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构和起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构；零部件振动疲劳寿命监测方法，通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构确定零部件的振动疲劳危险点，通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构计算振动疲劳危险点的传递函数，然后将得到的传递函数输入起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构的数据处理器中用于计算振动疲劳危险点的响应应力，最后通过振动疲劳危险点的响应应力实现对工作状态下的零部件振动疲劳危险点寿命监测。本系统和方法提高了底盘关键零部件寿命的测量准确性，且该系统结构简单，易于操作。

Description

一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统与方法

技术领域

本发明涉及一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统与方法，属于汽车起重机技术领域。

背景技术

汽车起重机底盘车载关键零部件，如驾驶室、燃油箱和动力电池等部件，本身不是起重机底盘行驶的承载部件，但其在行驶过程中，受到路面的激励作用引起强烈振动，进而导致其某些位置产生振动损伤，在积累到一定程度后形成裂纹并产生断裂。关键零部件的突然断裂失效，影响底盘的行驶安全性，造成经济损失和环境破坏，严重时更会导致重大伤亡。

目前，市场上的底盘关键零部件疲劳寿命的监测主要是在振动疲劳危险点粘贴应变传感器，采集起重机底盘行驶状态下的危险点的实时应变，然后根据损伤累加的方法计算振动疲劳危险点的累积损伤，进而监测相应位置的寿命。这种预测方法原理简单，便于实施，但主要存在以下两个问题：

(1)汽车起重机底盘工作环境恶劣，高温、高湿和高强度振动等复杂的环境不仅影响应变传感器的测量可靠性，而且降低应变传感器测量结果的准确性，测量结果和实际值的误差较大；(2)每一个应变传感器只能监测一个危险点的应变值，若某一个关键零部件的振动疲劳危险点有多个，就需要相应数量的应变传感器去测量，增加了传感器和测量通道的数量，测量操作复杂，环境适应性差。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统与方法，该监测系统和方法能够在实现对底盘关键零部件寿命准确性测量的同时，简化测量装置，提高测量装置的环境适应性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统，包括零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构和起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构；

所述的零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构用于确定零部件的振动疲劳危险点，其包括实验用故障监测零部件、实验零部件安装支架和振动试验台，实验零部件安装支架包括上部连接杆一和下部支撑座一，连接杆一的上端与实验用故障监测零部件连接，支撑座一下端通过螺栓一安装于振动试验台上；

实验用故障监测零部件上设有多个应变传感器，各应变传感器和振动试验台均分别与数据采集仪一的一端连接，数据采集仪一的另一端与数据处理器一连接；

所述的起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构用于对由零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构确定的零部件的振动疲劳危险点进行寿命监测，其包括故障监测零部件、零部件安装支架和底盘车架主体，零部件安装支架包括上部连接杆二和下部支撑座二，连接杆二的上端与故障监测零部件连接，支撑座二下端通过螺栓二安装于底盘车架主体上；

故障监测零部件上标定有多个振动疲劳危险点；

支撑座二上设有加速度传感器；加速度传感器与数据采集仪二的一端连接，数据采集仪二的另一端与数据处理器二连接。

进一步地，所述的加速度传感器的安装位置靠近底盘车架主体和零部件安装支架的连接螺栓处。

一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测方法，包括以下步骤：

1)通过有限元仿真确定零部件的振动疲劳危险点：

利用零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构的连接方式，建立实验用故障监测零部件的虚拟振动疲劳仿真模型，在零部件模型约束处加载强化路面PSD载荷谱，进行随机振动疲劳仿真分析，计算得到在强化时间T_str内零部件的不同测点的疲劳损伤值D_simi，对不同测点的疲劳损伤值D_simi进行排序，选取前n个较大的疲劳损伤值对应的点为零部件的振动疲劳危险点；

2)通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构计算步骤1)中选取的零部件的振动疲劳危险点的传递函数H_i：在实验用故障监测零部件的零部件的各振动疲劳危险点上对应地粘贴一个应变传感器，加载强化路面PSD载荷谱，通过数据采集仪一采集各应变传感器的实时测试应变值ε_{i out}并传送至数据处理器一，数据处理器一对第i个振动疲劳危险点的传递函数H_i进行计算，计算公式为：

式中，σ_{i out}为第i个振动疲劳危险点的测试响应应力；E为零部件材料的弹性模量；a_psd为振动台输入加速度PSD载荷谱；

3)将步骤2)中得到的传递函数H_i输入起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构的数据处理器二中，计算振动疲劳危险点的响应应力；

4)利用步骤3)计算得出的振动疲劳危险点的响应应力对工作状态下的零部件振动疲劳危险点进行寿命监测：将故障监测零部件通过零部件安装支架安装于底盘车架主体上，加速度传感器布置于靠近螺栓二处的支撑座二上，当起重机底盘处于行驶状态时，数据采集仪二实时采集加速度传感器的实时加速度值a(t)，数据处理器二每隔ΔT时间计算一次数据采集仪二采集的实时加速度值，得功率谱密度函数a(f)，并结合传递函数H_i计算各个振动疲劳危险点的响应应力σ_{i out}，则第i个振动疲劳危险点的响应应力计算公式为：

σ_{i out}＝H_ia(f)，

计算得到第i个测点响应应力σ_{i out}后，结合Dirlik算法和材料S-N曲线，计算出在ΔT时间内第i个振动疲劳危险点的疲劳损伤值ΔD_i，把不同ΔT时间的疲劳损伤值叠加起来，得到第i个测点在工作总时间T内总的振动疲劳损伤值D_i为：

D_i＝∑ΔD_i，

当D_i＜1时，表示第i个测点未发生振动疲劳损伤破坏；

当D_i＝1时，表示第i个测点的振动疲劳损失累积到发生疲劳破坏，需要对该零部件进行更换。

进一步地，步骤4)中，振动疲劳损伤值D_i通过选取安全系数m，m不小于1，来对振动疲劳危险点的振动疲劳寿命进行监测：

当

时，说明第i个测点未发生振动疲劳开裂，零部件结构可靠性，可正常使用；

当

时，第i个测点的振动疲劳损伤值接近疲劳开裂损伤临界点D_i＝1，存在开裂的风险，需要对该零部件进行更换。

本发明通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构确定零部件的振动疲劳危险点，通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构计算振动疲劳危险点的传递函数，然后将得到的传递函数输入起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构的数据处理器中用于计算振动疲劳危险点的响应应力，最后通过振动疲劳危险点的响应应力实现对工作状态下的零部件振动疲劳危险点寿命监测；本方案不同于在振动疲劳危险点粘贴应变传感器，只需在关键零部件的安装螺栓处安装加速度传感器，通过测量零部件安装处的加速度激励值，即可计算得到不同振动疲劳危险点的响应应力，进而结合振动疲劳损伤理论进行结构振动疲劳寿命的监测；加速度传感器相比应变传感器可靠性高，环境适应性强，测量结果受环境影响小，提高了底盘关键零部件寿命的测量准确性，且该系统结构简单，易于操作。

附图说明

图1是本发明中零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构的结构示意图；

图2是本发明中起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构的结构示意图；

图3是本发明中关键零部件振动疲劳寿命监测方法的流程图。

图中：1、零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构，101、实验用故障监测零部件，102、实验零部件安装支架，102-1、连接杆一，102-2、支撑座一，103、振动试验台，104、螺栓一，105、应变传感器，106、数据采集仪一，107、数据处理器一；

2、起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构，201、故障监测零部件，202、零部件安装支架，202-1、连接杆二，202-2、支撑座二，203、底盘车架主体，204、螺栓二，205、振动疲劳危险点，206、加速度传感器，207、数据采集仪二，208、数据处理器二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统，包括零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构1和起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构2；

所述的零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构1用于确定零部件的振动疲劳危险点，其包括实验用故障监测零部件101、实验零部件安装支架102和振动试验台103，实验零部件安装支架102包括上部连接杆一102-1和下部支撑座一102-2，连接杆一102-1的上端与实验用故障监测零部件连接，支撑座一102-2下端通过螺栓一104安装于振动试验台103上；

实验用故障监测零部件101上设有多个应变传感器105，各应变传感器105和振动试验台103均分别与数据采集仪一106的一端连接，数据采集仪一106的另一端与数据处理器一107连接；

所述的起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构2用于对由零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构1确定的零部件的振动疲劳危险点进行寿命监测，其包括故障监测零部件201、零部件安装支架202和底盘车架主体203，零部件安装支架202包括上部连接杆二202-1和下部支撑座二202-2，连接杆二202-1的上端与故障监测零部件201连接，支撑座二202-2下端通过螺栓二204安装于底盘车架主体203上；

故障监测零部件201上标定有多个振动疲劳危险点205；

支撑座二202-2上设有加速度传感器206；加速度传感器206与数据采集仪二207的一端连接，数据采集仪二207的另一端与数据处理器二208连接。

为了加速度传感器206更准确的测量加速度值，所述的加速度传感器206的安装位置靠近底盘车架主体和零部件安装支架的连接螺栓处。

如图3所示，一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测方法，包括以下步骤：

1)通过有限元仿真确定零部件的振动疲劳危险点205：

利用零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构1的连接方式，建立实验用故障监测零部件101的虚拟振动疲劳仿真模型，在零部件模型约束处加载强化路面PSD载荷谱，进行随机振动疲劳仿真分析，计算得到在强化时间T_str内零部件的不同测点的疲劳损伤值D_simi，对不同测点的疲劳损伤值D_simi进行排序，选取前n个较大的疲劳损伤值对应的点为零部件的振动疲劳危险点205；

2)通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构1计算步骤1)中选取的零部件的振动疲劳危险点的传递函数H_i：在实验用故障监测零部件101的零部件的各振动疲劳危险点205上对应地粘贴一个应变传感器105，加载强化路面PSD载荷谱，通过数据采集仪一106采集各应变传感器105的实时测试应变值ε_{i out}并传送至数据处理器一107，数据处理器一107对第i个振动疲劳危险点的传递函数H_i进行计算，计算公式为：

式中，σ_{i out}为第i个振动疲劳危险点205的测试响应应力；E为零部件材料的弹性模量；a_psd为振动台输入加速度PSD载荷谱；

3)将步骤2)中得到的传递函数H_i输入起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构2的数据处理器二208中，计算振动疲劳危险点205的响应应力；

4)利用步骤3)计算得出的振动疲劳危险点205的响应应力对工作状态下的零部件振动疲劳危险点205进行寿命监测：将故障监测零部件201通过零部件安装支架202安装于底盘车架主体203上，加速度传感器206布置于靠近螺栓二204处的支撑座二202-2上，当起重机底盘处于行驶状态时，数据采集仪二207实时采集加速度传感器206的实时加速度值a(t)，数据处理器二208每隔ΔT时间计算一次数据采集仪二207采集的实时加速度值，得功率谱密度函数a(f)，并结合传递函数H_i计算各个振动疲劳危险点205的响应应力σ_{i out}，则第i个振动疲劳危险点的响应应力计算公式为：

σ_{i out}＝H_ia(f)，

计算得到第i个测点响应应力σ_{i out}后，结合Dirlik算法和材料S-N曲线，计算出在ΔT时间内第i个振动疲劳危险点205的疲劳损伤值ΔD_i，把不同ΔT时间的疲劳损伤值叠加起来，得到第i个测点在工作总时间T内总的振动疲劳损伤值D_i为：

D_i＝∑ΔD_i，

当D_i＜1时，表示第i个测点未发生振动疲劳损伤破坏；

当D_i＝1时，表示第i个测点的振动疲劳损失累积到发生疲劳破坏，需要对该零部件进行更换。

为进一步确保零件结构的使用安全性，步骤4)中，振动疲劳损伤值D_i通过选取安全系数m，m不小于1，来对振动疲劳危险点205的振动疲劳寿命进行监测：

当

时，说明第i个测点未发生振动疲劳开裂，零部件结构可靠性，可正常使用；

当

时，第i个测点的振动疲劳损伤值接近疲劳开裂损伤临界点D_i＝1，存在开裂的风险，需要对该零部件进行更换。

工作原理：

在进行零部件振动疲劳寿命监测时，是基于测量计算振动疲劳危险点在起重机底盘工作状态下的实时应力，结合振动疲劳的损伤理论进行预测的。传统的方法是通过应变传感器直接测量振动疲劳危险点的应力进行疲劳损伤的预测，本发明通过零部件安装部位的加速度激励与振动疲劳危险点的传递函数来计算振动疲劳危险点的应力。

振动疲劳危险点在设计阶段可以通过有限元仿真和试验的方法决定，在确定好振动疲劳危险点后计算振动疲劳危险点相比激励点的传递函数，由于传递函数是零部件的固有属性，所以可以在实验室通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定装置测试计算得到零部件不同振动疲劳危险点的传递函数，把已得到的传递函数输入到起重机关键零部件振动疲劳寿命监测系统中，结合工作状态下采集的零部件安装部位的加速度激励即可计算得到不同振动疲劳危险点的响应应力，进而结合振动疲劳损伤理论进行结构振动疲劳寿命的监测。

应用案例：

以汽车起重机底盘的关键部件之一动力电池作为测试对象，当汽车起重机底盘处于行驶状态时，通过加速度传感器实时采集动力电池安装支架与底盘车架主体连接螺栓处的振动加速度，同时，每隔1min实时计算一次采集振动加速度的功率谱密度函数，计算出电池安装支架焊缝处这一振动疲劳危险点的响应应力，在响应应力基础上算出在这1min内支架焊缝处的疲劳损伤值ΔD＝1.2×10^-5，当底盘总行驶时间为1200h时，支架焊缝处总的疲劳损伤值为D_i＝0.917时，支架焊缝处即出现开裂故障，与理论值D_i＝1时的疲劳破坏误差8.3％，测量精度高。

在具体应用中，安全系数一般选择m＝1.25，即当

时即对动力电池安装支架进行更换。安全系数大于计算分析误差，可以确保底盘核心零部件的可靠性。

Claims (4)

1.一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统，其特征在于，包括零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构(1)和起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构(2)；

所述的零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构(1)用于确定零部件的振动疲劳危险点(205)，其包括实验用故障监测零部件(101)、实验零部件安装支架(102)和振动试验台(103)，实验零部件安装支架(102)包括上部连接杆一(102-1)和下部支撑座一(102-2)，连接杆一(102-1)的上端与实验用故障监测零部件(101)连接，支撑座一(102-2)下端通过螺栓一(104)安装于振动试验台(103)上；

实验用故障监测零部件(101)上设有多个应变传感器(105)，各应变传感器(105)和振动试验台(103)均分别与数据采集仪一(106)的一端连接，数据采集仪一(106)的另一端与数据处理器一(107)连接；

所述的起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构(2)用于对由零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构(1)确定的零部件的振动疲劳危险点(205)进行寿命监测，其包括故障监测零部件(201)、零部件安装支架(202)和底盘车架主体(203)，零部件安装支架(202)包括上部连接杆二(202-1)和下部支撑座二(202-2)，连接杆二(202-1)的上端与故障监测零部件(201)连接，支撑座二(202-2)下端通过螺栓二(204)安装于底盘车架主体(203)上；

故障监测零部件(201)上标定有多个振动疲劳危险点(205)；

支撑座二(202-2)上设有加速度传感器(206)；加速度传感器(206)与数据采集仪二(207)的一端连接，数据采集仪二(207)的另一端与数据处理器二(208)连接。

2.根据权利要求1所述的一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测系统，其特征在于，所述的加速度传感器(206)的安装位置靠近底盘车架主体(203)和零部件安装支架(202)的连接螺栓处。

3.一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过有限元仿真确定零部件的振动疲劳危险点(205)：

利用零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构(1)的连接方式，建立实验用故障监测零部件(101)的虚拟振动疲劳仿真模型，在零部件模型约束处加载强化路面PSD载荷谱，进行随机振动疲劳仿真分析，计算得到在强化时间T_str内零部件的不同测点的疲劳损伤值D_simi，对不同测点的疲劳损伤值D_simi进行排序，选取前n个较大的疲劳损伤值对应的点为零部件的振动疲劳危险点(205)；

2)通过零部件振动疲劳危险点传递函数标定机构(1)计算步骤1)中选取的零部件的振动疲劳危险点的传递函数H_i：在实验用故障监测零部件(101)的零部件的各振动疲劳危险点(205)上对应地粘贴一个应变传感器(105)，加载强化路面PSD载荷谱，通过数据采集仪一(106)采集各应变传感器(105)的实时测试应变值ε_iout并传送至数据处理器一(107)，数据处理器一(107)对第i个振动疲劳危险点的传递函数H_i进行计算，计算公式为：

式中，σ_iout为第i个振动疲劳危险点(205)的测试响应应力；E为零部件材料的弹性模量；a_psd为振动台输入加速度PSD载荷谱；

3)将步骤2)中得到的传递函数H_i输入起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测机构(2)的数据处理器二(208)中，计算振动疲劳危险点(205)的响应应力；

4)利用步骤3)计算得出的振动疲劳危险点(205)的响应应力对工作状态下的零部件振动疲劳危险点(205)进行寿命监测：将故障监测零部件(201)通过零部件安装支架(202)安装于底盘车架主体(203)上，加速度传感器(206)布置于靠近螺栓二(204)处的支撑座二(202-2)上，当起重机底盘处于行驶状态时，数据采集仪二(207)实时采集加速度传感器(206)的实时加速度值a(t)，数据处理器二(208)每隔ΔT时间计算一次数据采集仪二(207)采集的实时加速度值，得功率谱密度函数a(f)，并结合传递函数H_i计算各个振动疲劳危险点(205)的响应应力σ_iout，则第i个振动疲劳危险点的响应应力计算公式为：

σ_iout＝H_ia(f)，

计算得到第i个测点响应应力σ_iout后，结合Dirlik算法和材料S-N曲线，计算出在ΔT时间内第i个振动疲劳危险点(205)的疲劳损伤值ΔD_i，把不同ΔT时间的疲劳损伤值叠加起来，得到第i个测点在工作总时间T内总的振动疲劳损伤值D_i为：

D_i＝∑ΔD_i，

当D_i＜1时，表示第i个测点未发生振动疲劳损伤破坏；

当D_i＝1时，表示第i个测点的振动疲劳损失累积到发生疲劳破坏，需要对该零部件进行更换。

4.根据权利要求3所述的一种起重机底盘关键零部件振动疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤4)中，振动疲劳损伤值D_i通过选取安全系数m，m不小于1，来对振动疲劳危险点(205)的振动疲劳寿命进行监测：

当

时，说明第i个测点未发生振动疲劳开裂，零部件结构可靠性，可正常使用；

当

时，第i个测点的振动疲劳损伤值接近疲劳开裂损伤临界点D_i＝1，存在开裂的风险，需要对该零部件进行更换。

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