CN114791513A - 一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法 - Google Patents

一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法 Download PDF

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Abstract

一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法，系统：传感器及采集单元主要由加速度及表面应变传感器、无线加速度及应变采集模块、云计算平台、显示及移动监测终端组成；加速度及表面应变传感器均安装在立井凿井井架上，云计算平台分别与无线加速度及无线应变采集模块、显示监测终端和移动监测终端连接。方法：建立立井凿井井架三维有限元模型；求解立井凿井井架工作荷载分级作用下结构受力和振动特征参数数据库；根据受力监测结果和实际凿井工况对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行实时评估；实时评估结果按照设定安全等级在监测终端显示或预警；该系统及方法可实现对立井凿井井架受力状态和承载性能的实时远程监测、评估和预警。

Description

一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法
技术领域
本发明属于凿井工程结构受力监测与可靠性评价技术领域，具体是一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法。
背景技术
立井凿井井架是重要的凿井施工设备悬吊和提升作业平台，由于立井井筒凿井施工工艺的要求，立井凿井井架工作荷载复杂，且具有较强的不确定性。近几年，随着凿井施工井筒直径和深度的增加，立井凿井井架几何尺寸、工作荷载不断增大，且由于多次循环使用、材料性能退化、超载等造成的结构损伤，使立井凿井井架极限承载能力、工作安全性和可靠性问题凸显。目前针对立井凿井井架结构受力及承载性能评估仍缺少规范、远程的监测方法和手段，且传统监测方法缺少对立井凿井井架结构受力及承载性能的智能感知和动态评估。因此，亟需提供一种能够对立井凿井井架结构受力及承载性能进行实时监控、动态评估的系统及方法，以有效保障立井凿井井架在使用过程中的安全性和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法，该系统能实时监测立井凿井井架主体结构受力和天轮平台、翻矸平台等不同高程位置的振动数据，并基于云计算平台实现对立井凿井井架结构受力状态和承载性能的实时监测、远程评价和预警。该方法可及时避免危险的凿井施工作业，有效保障立井凿井井架施工作业安全，对提高立井凿井施工装备信息化水平具有重要实用价值。
本发明提供一种立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统，包括立井凿井井架、传感器及采集单元，所述立井凿井井架呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱、连接在相邻角柱上端之间的天轮平台梁、连接在相邻角柱中部之间的中间平台杆、连接在相邻角柱下部之间的翻矸平台杆、相间隔设置且相对的两根天轮平台梁固定连接的两根顶梁、连接同侧中间平台杆端部和天轮平台梁中部的斜杆、连接相邻角柱的下端和中间平台杆中部的人字形支撑、连接同侧中间平台杆端部和人字形支撑中部的斜支撑组成；上端的四根天轮平台梁和两根顶梁形成天轮平台；中部的四根中间平台杆形成中间平台；下部的四根翻矸平台杆形成翻矸平台；
所述传感器及采集单元主要由加速度传感器、表面应变传感器、无线加速度采集模块、无线应变采集模块、云计算平台、显示监测终端和移动监测终端组成；所述加速度传感器的数量至少为3个，分别安装在一根天轮平台梁上、一根中间平台杆上、一根翻矸平台杆上，用于实时采集加速度信号；所述表面应变传感器的数量至少为16个，分别安装在两根顶梁上、相邻的两根天轮平台梁上、相邻的两根中间平台杆上、相邻的两根翻矸平台杆上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱的中部、翻矸平台以下的四根角柱的中部，用于实时采集应变信号；所述无线加速度采集模块安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个加速度传感器连接，并通过无线的方式与云计算平台连接，用于实时接收加速度信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台；所述无线应变采集模块安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个表面应变传感器连接，并通过无线的方式与云计算平台连接，用于实时采集应变信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台；所述云计算平台用于对所接收的加速度信号和应变信号进行存储与分析，并根据分析结果对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行远程评估、给出预警状态，并将评估结果和预警状态发送给显示监测终端和移动监测终端；所述显示监测终端设置在监控中心，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给监控中心的监控人员；所述移动监测终端佩戴在管理人员身上，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给管理人员。
进一步，为了方便专利技术人员对监测数据进行存档备档，同时，为了方便适时调整和更新系统评估方法和决策策略，检验系统功能和工作状态，还包括人工决策支持输入模块，所述人工决策支持输入模块与云计算平台连接，用于提供人工决策的输入接口，以便于将人工的操作指令发送给云计算平台。
进一步，为了确保监测数据可靠的传输，所述无线加速度采集模块通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个加速度传感器连接；所述无线应变采集模块通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个表面应变传感器连接。
本发明中，通过在一根天轮平台梁上、一根中间平台杆上和一根翻矸平台杆上各布置一个加速度传感器，可以有效的监测天轮平台、中间平台和翻矸平台处的振动参数，进而可以便于通过振动参数数据库快速的匹配出当前立井凿井井架的承载性能；通过在两根顶梁上、相邻的两根天轮平台梁上、相邻的两根中间平台杆上、相邻的两根翻矸平台杆上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱的中部、翻矸平台以下的四根角柱的中部各布置一个表面应变传感器，可以全面的获得当前立井凿井井架各处的受力状态，进而便于准确的获得当前立井凿井井架的受力状态。通过无线加速度采集模块的设置可以便捷的收集加速度监测数据，并可以通过无线的方式发送给云计算平台。通过无线应变采集模块的设置可以便捷的收集应力监测数据，并可以通过无线的方式发送给云计算平台。通过云计算平台的设置可以便于对监测数据进行存储和分析，并能根据分析结果对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行实时评估、根据评估结果给出预警状态。通过显示监测终端和移动监测终端的设置，可以方便监控人员和管理人员实时获得监测结果，以便于能及时的作出响应。
本发明还提供了一种立井凿井井架承载性能评价方法，包括收下步骤：
步骤一：立井凿井井架三维有限元模型建模；
S11:有限元建模；
根据立井凿井井架主体结构尺寸、构件规格、构件材料、杆件连接形式建立立井凿井井架主体结构的三维有限元模型；
S12:工作荷载确定；
根据实际的井筒内凿井施工设备布置情况，确定立井凿井井架上的工作荷载及工况组合，立井凿井井架工作荷载按静力等效原则以点荷载形式施加到对应的凿井井架结构构件上；
S13:工作荷载施加；
分级施加立井凿井井架工作荷载，每级荷载增量不超过荷载终值的10％；
S14:数据库构建；
在每级荷载作用下获得立井凿井井架结构各构件的最大应力比、变形量以及各阶振型和频率数据，建立工作荷载分级作用下立井凿井井架受力特性和振动参数数据库；
步骤二：立井凿井井架在线监测系统构建；
S21：杆件应变监测传感器布设；
在立井凿井井架实体结构构件上布置表面应变传感器和无线应变采集模块；立井凿井井架实体结构呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱、连接在相邻角柱上端之间的天轮平台梁、连接在相邻角柱中部之间的中间平台杆、连接在相邻角柱下部之间的翻矸平台杆、相间隔设置且相对的两根天轮平台梁固定连接的两根顶梁、连接同侧中间平台杆端部和天轮平台梁中部的斜杆、连接相邻角柱的下端和中间平台杆中部的人字形支撑、连接同侧中间平台杆端部和人字形支撑中部的斜支撑组成，上端的四根天轮平台梁形成天轮平台，中部的四根中间平台杆形成中间平台，下部的四根翻矸平台杆形成翻矸平台；
所述表面应变传感器按如下方式进行布置：分别安装在两根顶梁上、相邻的两根天轮平台梁上、相邻的两根中间平台杆上、相邻的两根翻矸平台杆上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱的中部、翻矸平台以下的四根角柱的中部各布置一个表面应变传感器；所述无线应变采集模块安装在立井凿井井架实体结构上；
S22:结构振动监测传感器布设；
所述加速度传感器按如下方式进行布置：在一根天轮平台梁上、一根中间平台杆上和一根翻矸平台杆上各布置一个加速度传感器；所述无线加速度采集模块安装在立井凿井井架实体结构上；
S23：在线监测系统构建；
利用屏蔽线缆建立无线加速度采集模块和各个加速度传感器的连接；利用屏蔽线缆建立无线应变采集模块和各个表面应变传感器的连接；同时，建立无线加速度采集模块、无线应变采集模块、显示监测终端、移动监测终端和云计算平台的远程通信交互连接；
步骤三：立井凿井井架结构受力状态和性能评价；
S31：监测数据采集；
先通过加速度传感器和表面应变传感器获得实时监测数据，并按设定时间间隔将监测数据上传到云计算平台；
S32：监测数据处理；
在云计算平台上，基于神经网络、深度学习算法对监测数据进行处理分析，包括异常数据剔除、数据完整性和可靠性验证；
S33:监测数据分析；
综合有限元模型凿井井架受力和振动参数数据库对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行评估和预警；
首先，根据公式(1)计算立井凿井井架极限荷载Fult；
Figure BDA0003610457330000051
式中，fi为立井凿井井架初始一阶固有频率，fj为立井凿井井架当前荷载工况下一阶固有频率，Fi为立井凿井井架初始载荷工况，Fj为立井凿井井架当前工况荷载；
其次，根据公式(2)计算立井凿井井架承载力可靠系数η；
Figure BDA0003610457330000052
式中，F为立井凿井井架断绳荷载工况荷载；
最后，对立井凿井井架受力安全等级划分：
S1：当η或构件最大应力比在允许应力比小于等于80％时，云计算平台确定凿井井架的受力状态为正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端和移动监测终端，显示监测终端和移动监测终端接收到监测结果数据后，通过显示绿色提示色的方式显示凿井井架受力状态为正常状态；
S2：当η或构件最大应力比在允许应力比大于80％且小于等于90％时，云计算平台确定凿井井架的受力状态为预警状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端和移动监测终端，显示监测终端和移动监测终端接收到监测结果数据后，通过显示黄色提示色的方式显示凿井井架受力状态为预警状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；
S3：当η或构件最大应力比在允许应力比大于90％且小于100％时，云计算平台确定凿井井架的受力状态为危险状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端和移动监测终端，显示监测终端和移动监测终端接收到监测结果数据后，通过显示橙色提示色的方式显示凿井井架受力状态为危险状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；
S4：当η或构件最大应力比在允许应力比大于等于100％时，云计算平台确定凿井井架的受力状态为非正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端和移动监测终端，显示监测终端和移动监测终端接收到监测结果数据后，通过显示红色提示色的方式显示凿井井架受力状态为非正常状态，以提醒监控人员和管理人员注意到非正常凿井井架的受力状态。
作为一种优选，在步骤三中，专业技术人员定期通过人工决策支持输入模块对云计算平台上监测程序、监测数据进行存档备案，并适时调整和更新系统评估方法，检验系统功能和工作状态。
作为一种优选，在步骤二中，每个加速度传感器均可监测x、y、z三个方向的振动信号，其中，x、y、z坐标原点位于凿井井架天轮平台中心正下方，x方向为凿井施工主提升方向，且为水平方向，y方向为垂直x方向的水平方向，z方向为垂直x方向和y方向的竖直方向。
为了简化计算量，在步骤三中，若立井凿井井架受力监测系统是在凿井井架无工作荷载条件下开始量测的，则公式(1)中立井凿井井架极限荷载关系可简化为公式(3)；
Figure BDA0003610457330000061
式中，f0为立井凿井井架结构一阶基本频率。
本发明基于云计算平台，以立井凿井井架有限元模型数据库和无线受力、振动自动监测系统为基础，提出了一种实时的立井凿井井架受力状态监测方法，可自动评估和预警立井凿井井架承载性能，及时避免危险的凿井施工作业，可有效保障立井凿井井架施工作业安全，对提高立井凿井施工装备信息化水平具有重要实用价值。
附图说明
图1是本发明中立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统的结构示意图；
图2是本发明中云计算平台与显示监测终端、移动监测终端和人工决策支持输入模块的通信示意图；
图3是本发明中立井凿井井架受力监测与承载性能评价方法的流程图。
图中：1、天轮平台梁，2、中间平台杆，3、翻矸平台杆，4、斜杆，5、角柱，6、加速度传感器，7、表面应变传感器，8、无线应变采集模块，9、无线加速度采集模块，10、云计算平台，11、显示监测终端，12、移动监测终端，13、人工决策支持输入模块，14、顶梁，15、人字形支撑，16、斜支撑。
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，一种立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统，包括立井凿井井架、传感器及采集单元，所述立井凿井井架呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱5、连接在相邻角柱5上端之间的天轮平台梁1、连接在相邻角柱5中部之间的中间平台杆2、连接在相邻角柱5下部之间的翻矸平台杆3、相间隔设置且相对的两根天轮平台梁1固定连接的两根顶梁14、连接同侧中间平台杆2端部和天轮平台梁1中部的斜杆4、连接相邻角柱5的下端和中间平台杆2中部的人字形支撑15、连接同侧中间平台杆2端部和人字形支撑15中部的斜支撑16组成；上端的四根天轮平台梁1和两根顶梁14形成天轮平台；中部的四根中间平台杆2形成中间平台；下部的四根翻矸平台杆3形成翻矸平台；
所述传感器及采集单元主要由加速度传感器6、表面应变传感器7、无线加速度采集模块9、无线应变采集模块8、云计算平台10、显示监测终端11和移动监测终端12组成；所述加速度传感器6的数量至少为3个，且分布在不同高度位置处，具体地，分别安装在一根天轮平台梁1上、一根中间平台杆2上、一根翻矸平台杆3上，用于实时采集加速度信号；加速度传感器6的精度及量程根据监测要求适配；所述表面应变传感器7的数量至少为16个，且布设于主要结构杆件上，具体地，分别安装在两根顶梁14上、相邻的两根天轮平台梁1上、相邻的两根中间平台杆2上、相邻的两根翻矸平台杆3上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱5的中部、翻矸平台以下的四根角柱5的中部，用于实时采集应变信号；表面应变传感器7的精度及量程根据监测要求适配；所述无线加速度采集模块9安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个加速度传感器6连接，并通过无线的方式与云计算平台10连接，用于实时接收加速度信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台10；所述无线应变采集模块8安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个表面应变传感器7连接，并通过无线的方式与云计算平台10连接，用于实时采集应变信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台10；所述云计算平台10用于对所接收的加速度信号和应变信号进行存储与分析，并根据分析结果对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行远程评估、给出预警状态，并将评估结果和预警状态发送给显示监测终端11和移动监测终端12；所述显示监测终端11设置在监控中心，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给监控中心的监控人员；所述移动监测终端12佩戴在管理人员身上，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给管理人员。
为了方便专利技术人员对监测数据进行存档备档，同时，为了方便适时调整和更新系统评估方法和决策策略，检验系统功能和工作状态，还包括人工决策支持输入模块13，所述人工决策支持输入模块13与云计算平台10连接，用于提供人工决策的输入接口，以便于将人工的操作指令发送给云计算平台10。
为了确保监测数据可靠的传输，所述无线加速度采集模块9通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个加速度传感器6连接；所述无线应变采集模块8通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个表面应变传感器7连接。
本发明中，通过在一根天轮平台梁上、一根中间平台杆上和一根翻矸平台杆上各布置一个加速度传感器，可以有效的监测天轮平台、中间平台和翻矸平台处的振动参数，进而可以便于通过振动参数数据库快速的匹配出当前立井凿井井架的承载性能；通过在两根顶梁上、相邻的两根天轮平台梁上、相邻的两根中间平台杆上、相邻的两根翻矸平台杆上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱的中部、翻矸平台以下的四根角柱的中部各布置一个表面应变传感器，可以全面的获得当前立井凿井井架各处的受力状态，进而便于准确的获得当前立井凿井井架的受力状态。通过无线加速度采集模块的设置可以便捷的收集加速度监测数据，并可以通过无线的方式发送给云计算平台。通过无线应变采集模块的设置可以便捷的收集应力监测数据，并可以通过无线的方式发送给云计算平台。通过云计算平台的设置可以便于对监测数据进行存储和分析，并能根据分析结果对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行实时评估、根据评估结果给出预警状态。通过显示监测终端和移动监测终端的设置，可以方便监控人员和管理人员实时获得监测结果，以便于能及时的作出响应。
如图3所示，本发明还提供了一种立井凿井井架承载性能评价方法，包括收下步骤：
步骤一：立井凿井井架三维有限元模型建模；
S11:有限元建模；
根据立井凿井井架主体结构尺寸、构件规格、构件材料、杆件连接形式建立立井凿井井架主体结构的三维有限元模型；
S12:工作荷载确定；
根据实际的井筒内凿井施工设备布置情况，确定立井凿井井架上的工作荷载及工况组合，立井凿井井架工作荷载按静力等效原则以点荷载形式施加到对应的凿井井架结构构件上；
S13:工作荷载施加；
分级施加立井凿井井架工作荷载，每级荷载增量不超过荷载终值的10％；
S14:数据库构建；
在每级荷载作用下获得立井凿井井架结构各构件的最大应力比、变形量以及各阶振型和频率数据，建立工作荷载分级作用下立井凿井井架受力特性和振动参数数据库；
步骤二：立井凿井井架在线监测系统构建；
S21：杆件应变监测传感器布设；
在立井凿井井架实体结构构件上布置表面应变传感器7和无线应变采集模块8；立井凿井井架实体结构呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱5、连接在相邻角柱5上端之间的天轮平台梁1、连接在相邻角柱5中部之间的中间平台杆2、连接在相邻角柱5下部之间的翻矸平台杆3、相间隔设置且相对的两根天轮平台梁1固定连接的两根顶梁14、连接同侧中间平台杆2端部和天轮平台梁1中部的斜杆4、连接相邻角柱5的下端和中间平台杆2中部的人字形支撑15、连接同侧中间平台杆2端部和人字形支撑15中部的斜支撑16组成，上端的四根天轮平台梁1形成天轮平台，中部的四根中间平台杆2形成中间平台，下部的四根翻矸平台杆3形成翻矸平台；
所述表面应变传感器7按如下方式进行布置：分别安装在两根顶梁14上、相邻的两根天轮平台梁1上、相邻的两根中间平台杆2上、相邻的两根翻矸平台杆3上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱5的中部、翻矸平台以下的四根角柱5的中部各布置一个表面应变传感器7；所述无线应变采集模块8安装在立井凿井井架实体结构上；
S22:结构振动监测传感器布设；
所述加速度传感器6按如下方式进行布置：在一根天轮平台梁1上、一根中间平台杆2上和一根翻矸平台杆3上各布置一个加速度传感器6；所述无线加速度采集模块9安装在立井凿井井架实体结构上；
S23：在线监测系统构建；
利用屏蔽线缆建立无线加速度采集模块9和各个加速度传感器6的连接；利用屏蔽线缆建立无线应变采集模块8和各个表面应变传感器7的连接；同时，建立无线加速度采集模块9、无线应变采集模块8、显示监测终端11、移动监测终端12和云计算平台10的远程通信交互连接；
步骤三：立井凿井井架结构受力状态和性能评价；
S31：监测数据采集；
先通过加速度传感器6和表面应变传感器7获得实时监测数据，并按设定时间间隔将监测数据上传到云计算平台10；
S32：监测数据处理；
在云计算平台10上，基于神经网络、深度学习算法对监测数据进行处理分析，包括异常数据剔除、数据完整性和可靠性验证；
S33:监测数据分析；
综合有限元模型凿井井架受力和振动参数数据库对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行评估和预警；
首先，根据公式(1)计算立井凿井井架极限荷载Fult；
Figure BDA0003610457330000101
式中，fi为立井凿井井架初始一阶固有频率，fj为立井凿井井架当前荷载工况下一阶固有频率，Fi为立井凿井井架初始载荷工况，Fj为立井凿井井架当前工况荷载；
其次，根据公式(2)计算立井凿井井架承载力可靠系数η；
Figure BDA0003610457330000102
式中，F为立井凿井井架断绳荷载工况荷载；
最后，对立井凿井井架受力安全等级划分：
S1：当η或构件最大应力比在允许应力比小于等于80％时，云计算平台10确定凿井井架的受力状态为正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端11和移动监测终端12，显示监测终端11和移动监测终端12接收到监测结果数据后，通过显示绿色提示色的方式显示凿井井架受力状态为正常状态；
S2：当η或构件最大应力比在允许应力比大于80％且小于等于90％时，云计算平台10确定凿井井架的受力状态为预警状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端11和移动监测终端12，显示监测终端11和移动监测终端12接收到监测结果数据后，通过显示黄色提示色的方式显示凿井井架受力状态为预警状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；
S3：当η或构件最大应力比在允许应力比大于90％且小于100％时，云计算平台10确定凿井井架的受力状态为危险状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端11和移动监测终端12，显示监测终端11和移动监测终端12接收到监测结果数据后，通过显示橙色提示色的方式显示凿井井架受力状态为危险状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；
S4：当η或构件最大应力比在允许应力比大于等于100％时，云计算平台10确定凿井井架的受力状态为非正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端11和移动监测终端12，显示监测终端11和移动监测终端12接收到监测结果数据后，通过显示红色提示色的方式显示凿井井架受力状态为非正常状态，以提醒监控人员和管理人员注意到非正常凿井井架的受力状态。
作为一种优选，在步骤三中，专业技术人员定期通过人工决策支持输入模块13对云计算平台10上监测程序、监测数据进行存档备案，并适时调整和更新系统评估方法，检验系统功能和工作状态。
作为一种优选，在步骤二中，每个加速度传感器6均可监测x、y、z三个方向的振动信号，其中，x、y、z坐标原点位于凿井井架天轮平台中心正下方，x方向为凿井施工主提升方向，且为水平方向，y方向为垂直x方向的水平方向，z方向为垂直x方向和y方向的竖直方向。
进一步，为了简化计算量，在步骤三中，若立井凿井井架受力监测系统是在凿井井架无工作荷载条件下开始量测的，则公式(1)中立井凿井井架极限荷载关系可简化为公式(3)；
Figure BDA0003610457330000111
式中，f0为立井凿井井架结构一阶基本频率。
本发明基于云计算平台，以立井凿井井架有限元模型数据库和无线受力、振动自动监测系统为基础，提出了一种实时的立井凿井井架受力状态监测方法，可自动评估和预警立井凿井井架承载性能，及时避免危险的凿井施工作业，可有效保障立井凿井井架施工作业安全，对提高立井凿井施工装备信息化水平具有重要实用价值。

Claims (7)

1.一种立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统，包括立井凿井井架，其特征在于，还包括传感器及采集单元，所述立井凿井井架呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱(5)、连接在相邻角柱(5)上端之间的天轮平台梁(1)、连接在相邻角柱(5)中部之间的中间平台杆(2)、连接在相邻角柱(5)下部之间的翻矸平台杆(3)、相间隔设置且相对的两根天轮平台梁(1)固定连接的两根顶梁(14)、连接同侧中间平台杆(2)端部和天轮平台梁(1)中部的斜杆(4)、连接相邻角柱(5)的下端和中间平台杆(2)中部的人字形支撑(15)、连接同侧中间平台杆(2)端部和人字形支撑(15)中部的斜支撑(16)组成；上端的四根天轮平台梁(1)和两根顶梁(14)形成天轮平台；中部的四根中间平台杆(2)形成中间平台；下部的四根翻矸平台杆(3)形成翻矸平台；
所述传感器及采集单元主要由加速度传感器(6)、表面应变传感器(7)、无线加速度采集模块(9)、无线应变采集模块(8)、云计算平台(10)、显示监测终端(11)和移动监测终端(12)组成；所述加速度传感器(6)的数量至少为3个，分别安装在一根天轮平台梁(1)上、一根中间平台杆(2)上、一根翻矸平台杆(3)上，用于实时采集加速度信号；所述表面应变传感器(7)的数量至少为16个，分别安装在两根顶梁(14)上、相邻的两根天轮平台梁(1)上、相邻的两根中间平台杆(2)上、相邻的两根翻矸平台杆(3)上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱(5)的中部、翻矸平台以下的四根角柱(5)的中部，用于实时采集应变信号；所述无线加速度采集模块(9)安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个加速度传感器(6)连接，并通过无线的方式与云计算平台(10)连接，用于实时接收加速度信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台(10)；所述无线应变采集模块(8)安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个表面应变传感器(7)连接，并通过无线的方式与云计算平台(10)连接，用于实时采集应变信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台(10)；所述云计算平台(10)用于对所接收的加速度信号和应变信号进行存储与分析，并根据分析结果对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行远程评估、给出预警状态，并将评估结果和预警状态发送给显示监测终端(11)和移动监测终端(12)；所述显示监测终端(11)设置在监控中心，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给监控中心的监控人员；所述移动监测终端(12)佩戴在管理人员身上，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给管理人员。
2.根据权利要求1所述的一种立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统，其特征在于，还包括人工决策支持输入模块(13)，所述人工决策支持输入模块(13)与云计算平台(10)连接，用于提供人工决策的输入接口，以便于将人工的操作指令发送给云计算平台(10)。
3.根据权利要求2所述的一种立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统，其特征在于，所述无线加速度采集模块(9)通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个加速度传感器(6)连接；所述无线应变采集模块(8)通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个表面应变传感器(7)连接。
4.一种立井凿井井架承载性能评价方法，其特征在于，包括收下步骤：
步骤一：立井凿井井架三维有限元模型建模；
S11:有限元建模；
根据立井凿井井架主体结构尺寸、构件规格、构件材料、杆件连接形式建立立井凿井井架主体结构的三维有限元模型；
S12:工作荷载确定；
根据实际的井筒内凿井施工设备布置情况，确定立井凿井井架上的工作荷载及工况组合，立井凿井井架工作荷载按静力等效原则以点荷载形式施加到对应的凿井井架结构构件上；
S13:工作荷载施加；
分级施加立井凿井井架工作荷载，每级荷载增量不超过荷载终值的10％；
S14:数据库构建；
在每级荷载作用下获得立井凿井井架结构各构件的最大应力比、变形量以及各阶振型和频率数据，建立工作荷载分级作用下立井凿井井架受力特性和振动参数数据库；
步骤二：立井凿井井架在线监测系统构建；
S21：杆件应变监测传感器布设；
在立井凿井井架实体结构构件上布置表面应变传感器(7)和无线应变采集模块(8)；立井凿井井架实体结构呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱(5)、连接在相邻角柱(5)上端之间的天轮平台梁(1)、连接在相邻角柱(5)中部之间的中间平台杆(2)、连接在相邻角柱(5)下部之间的翻矸平台杆(3)、相间隔设置且相对的两根天轮平台梁(1)固定连接的两根顶梁(14)、连接同侧中间平台杆(2)端部和天轮平台梁(1)中部的斜杆(4)、连接相邻角柱(5)的下端和中间平台杆(2)中部的人字形支撑(15)、连接同侧中间平台杆(2)端部和人字形支撑(15)中部的斜支撑(16)组成，上端的四根天轮平台梁(1)形成天轮平台，中部的四根中间平台杆(2)形成中间平台，下部的四根翻矸平台杆(3)形成翻矸平台；
所述表面应变传感器(7)按如下方式进行布置：分别安装在两根顶梁(14)上、相邻的两根天轮平台梁(1)上、相邻的两根中间平台杆(2)上、相邻的两根翻矸平台杆(3)上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱(5)的中部、翻矸平台以下的四根角柱(5)的中部各布置一个表面应变传感器(7)；所述无线应变采集模块(8)安装在立井凿井井架实体结构上；
S22:结构振动监测传感器布设；
所述加速度传感器(6)按如下方式进行布置：在一根天轮平台梁(1)上、一根中间平台杆(2)上和一根翻矸平台杆(3)上各布置一个加速度传感器(6)；所述无线加速度采集模块(9)安装在立井凿井井架实体结构上；
S23：在线监测系统构建；
利用屏蔽线缆建立无线加速度采集模块(9)和各个加速度传感器(6)的连接；利用屏蔽线缆建立无线应变采集模块(8)和各个表面应变传感器(7)的连接；同时，建立无线加速度采集模块(9)、无线应变采集模块(8)、显示监测终端(11)、移动监测终端(12)和云计算平台(10)的远程通信交互连接；
步骤三：立井凿井井架结构受力状态和性能评价；
S31：监测数据采集；
先通过加速度传感器(6)和表面应变传感器(7)获得实时监测数据，并按设定时间间隔将监测数据上传到云计算平台(10)；
S32：监测数据处理；
在云计算平台(10)上，基于神经网络、深度学习算法对监测数据进行处理分析，包括异常数据剔除、数据完整性和可靠性验证；
S33:监测数据分析；
综合有限元模型凿井井架受力和振动参数数据库对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行评估和预警；
首先，根据公式(1)计算立井凿井井架极限荷载Fult；
Figure FDA0003610457320000041
式中，fi为立井凿井井架初始一阶固有频率，fj为立井凿井井架当前荷载工况下一阶固有频率，Fi为立井凿井井架初始载荷工况，Fj为立井凿井井架当前工况荷载；
其次，根据公式(2)计算立井凿井井架承载力可靠系数η；
Figure FDA0003610457320000042
式中，F为立井凿井井架断绳荷载工况荷载；
最后，对立井凿井井架受力安全等级划分：
S1：当η或构件最大应力比在允许应力比小于等于80％时，云计算平台(10)确定凿井井架的受力状态为正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端(11)和移动监测终端(12)，显示监测终端(11)和移动监测终端(12)接收到监测结果数据后，通过显示绿色提示色的方式显示凿井井架受力状态为正常状态；
S2：当η或构件最大应力比在允许应力比大于80％且小于等于90％时，云计算平台(10)确定凿井井架的受力状态为预警状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端(11)和移动监测终端(12)，显示监测终端(11)和移动监测终端(12)接收到监测结果数据后，通过显示黄色提示色的方式显示凿井井架受力状态为预警状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；
S3：当η或构件最大应力比在允许应力比大于90％且小于100％时，云计算平台(10)确定凿井井架的受力状态为危险状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端(11)和移动监测终端(12)，显示监测终端(11)和移动监测终端(12)接收到监测结果数据后，通过显示橙色提示色的方式显示凿井井架受力状态为危险状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；
S4：当η或构件最大应力比在允许应力比大于等于100％时，云计算平台(10)确定凿井井架的受力状态为非正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端(11)和移动监测终端(12)，显示监测终端(11)和移动监测终端(12)接收到监测结果数据后，通过显示红色提示色的方式显示凿井井架受力状态为非正常状态，以提醒监控人员和管理人员注意到非正常凿井井架的受力状态。
5.根据权利要求4所述的一种立井凿井井架承载性能评价方法，其特征在于，在步骤三中，专业技术人员定期通过人工决策支持输入模块(13)对云计算平台(10)上监测程序、监测数据进行存档备案，并适时调整和更新系统评估方法，检验系统功能和工作状态。
6.根据权利要求5所述的一种立井凿井井架承载性能评价方法，其特征在于，在步骤二中，每个加速度传感器(6)均可监测x、y、z三个方向的振动信号，其中，x、y、z坐标原点位于凿井井架天轮平台中心正下方，x方向为凿井施工主提升方向，且为水平方向，y方向为垂直x方向的水平方向，z方向为垂直x方向和y方向的竖直方向。
7.根据权利要求6所述的一种立井凿井井架承载性能评价方法，其特征在于，在步骤三中，若立井凿井井架受力监测系统是在凿井井架无工作荷载条件下开始量测的，则公式(1)中立井凿井井架极限荷载关系可简化为公式(3)；
Figure FDA0003610457320000051
式中，f0为立井凿井井架结构一阶基本频率。
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