CN114910122A - 一种结构件裂纹征兆的探测系统、探测方法及挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构件裂纹征兆探测系统、探测方法及挖掘机，所述探测系统包括：数据采集模块，用于获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；数据处理模块，根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况；该探测系统能够在裂纹发生之前检测到征兆，实现失效前精准维护和检修，降低生命周期成本和设备停机时间。

Description

一种结构件裂纹征兆的探测系统、探测方法及挖掘机

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体为一种结构件裂纹征兆的探测系统、探测方法及挖掘机。

背景技术

煤矿、铁矿、铜矿等矿产资源是全球产业活动的基础，而开采上述资源的矿山现场则需要保证365天24小时稳定运转。挖掘机械作为矿山开采的核心装备，结构件的可靠性至关重要，现有的登车梯技术存在的问题是：

传统的方法由于难以通过各种挖掘机械详细的运行状态预测将会发生的问题，服务人员只能定期进行维护、检修、零部件更换，而挖掘机械的动臂、斗杆所承担的负荷受操作方法性影响大、裂纹容易被灰尘等覆盖不容易被发现，如果更换不及时，可能会造成大的损伤，严重降低设备的出勤率。而对于矿山企业和服务人员来说，检修和查明故障原因所花费的时间和费用成为不小的负担。

发明内容

本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种结构件裂纹征兆的探测系统、探测方法及挖掘机，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

本发明的一个目的在于提出一种结构件裂纹征兆的探测系统，包括：

数据采集模块，用于获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；

数据处理模块，根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况。

在该技术方案中，通过采集设备作业时的车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息，并进行结构件的负荷积累的计算，结合疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据，在裂纹发生之前检测到征兆，实现失效前精准维护和检修，降低生命周期成本和设备停机时间。

另外，根据本发明的一种结构件裂纹征兆的探测系统，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，所述数据采集模块包括：

姿态传感器单元，配置为用于采集挖掘机上、下车相对转角信息，以及动臂和斗杆的姿态信息；

变形传感器单元，配置为用于实时采集关注区域的结构件应力信息；

油压传感器单元，配置为根据采集动臂油缸、斗杆油缸和回转马达的油压信息解析结构件工作载荷信息。

在本发明的一个示例中，所述数据处理模块包括：

应力解析与负荷积累计算单元，配置为基于车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息进行全姿态、全局坐标系下关重点的多向力谱计算，以解析各结构件的应力状态与负荷积累；

疲劳开裂仿真数据库单元，配置为基于板材与焊缝的基本疲劳性能数据和作业参数，采用疲劳分析软件仿真计算得到结构件预测寿命数据并形成数据库；

历史结构件开裂数据库单元，配置为统计归纳该挖掘机机型的结构件过往开裂位置信息和方向信息并形成数据库；

数据分析与信息处理单元，配置为基于应力解析与负荷积累计算单元、疲劳开裂仿真数据库单元和历史结构件开裂数据库单元对结构件的负荷积累进行分析；

损伤积累计算单元，配置为对结构件的损伤积累进行计算。

在本发明的一个示例中，还包括：校验模块，

配置为用于校准该探测系统的各个模块的初始状态以保证正常运行。

在本发明的一个示例中，还包括：运行数据记录与显示模块，

配置为可视化设备运行状态和结构件裂纹位置，并存储记录运行数据和操作数据。

在本发明的一个示例中，还包括：故障调查与人员培训模块，

配置为用于分析故障发生的原因和提供解决故障的措施，以及指导人员改善操作方法。

在本发明的一个示例中，还包括：裂纹预警模块，

配置为当结构件的损伤积累至损伤阈值时，产生报警及检修信息。

本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的结构件裂纹征兆的探测系统的探测方法，包括如下步骤：

S10：获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；

S20：根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况。

在本发明的一个示例中，所述步骤S20包括：

基于车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息进行全姿态、全局坐标系下关重点的多向力谱计算，以解析各结构件的应力状态与负荷积累；

基于板材与焊缝的基本疲劳性能数据和作业参数，采用疲劳分析软件仿真计算得到结构件预测寿命数据并形成数据库；

统计归纳该挖掘机机型的结构件过往开裂位置信息和方向信息并形成数据库；

基于上述三步骤对结构件的负荷积累进行分析；

对结构件的损伤积累进行计算。

本发明再一个目的在于提出一种挖掘机，包括如上述所述的结构件裂纹征兆的探测系统。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的结构件裂纹征兆的探测系统的结构框图；

图2为根据本发明实施例的结构件裂纹征兆的探测系统的结构原理图；

图3为根据本发明实施例的结构件裂纹征兆探测方法的流程图。

附图标记列表：

探测系统100；

数据采集模块10；

姿态传感器单元11；

变形传感器单元12；

油压传感器单元13；

数据处理模块20；

应力解析与负荷积累计算单元21；

数据分析与信息处理单元22；

损伤积累计算单元23；

疲劳开裂仿真数据库单元24；

历史结构件开裂数据库单元25；

校验模块30；

运行数据记录与显示模块40；

设备运行可视化单元41；

数据记录单元42；

显示单元43；

故障调查与人员培训模块50；

裂纹预警模块60。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

根据本发明的一种结构件裂纹征兆的探测系统100，如图1和图2所示，包括：

数据采集模块10，用于获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；

数据处理模块20，根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况。

通过采集设备作业时的车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息，并进行结构件的负荷积累的计算，结合疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据，计算结构件的损伤积累，在裂纹发生之前检测到征兆，实现失效前精准维护和检修，降低生命周期成本和设备停机时间。

在本发明的一个示例中，所述数据采集模块10包括：

姿态传感器单元11，配置为用于采集挖掘机上、下车相对转角信息，以及动臂和斗杆的姿态信息；姿态传感器单元11由角度传感器、陀螺仪、惯性质量单元中的至少一种多个组合而成，安装在相应的测量位置以用于测量挖掘机械上、下车相对转角以及动臂、斗杆的姿态；

变形传感器单元12，配置为用于实时采集关注区域的结构件应力信息；也就是说，变形传感器单元12由多个应变片组合而成，将应变片安装在相应的测量位置，通过应变片的形变量来测量结构件的应力信息；

油压传感器单元13，配置为根据采集动臂油缸、斗杆油缸和回转马达的油压信息解析结构件工作载荷信息；

也就是说，通过上述的姿态传感器单元11、变形传感器单元12和油压传感器单元13能够采集挖掘机的车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息以便于后期对裂纹征兆的分析。

在本发明的一个示例中，所述数据处理模块20包括：

应力解析与负荷积累计算单元21，配置为基于车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息进行全姿态、全局坐标系下关重点的多向力谱计算，以解析各结构件的应力状态与负荷积累；

疲劳开裂仿真数据库单元24，配置为基于板材与焊缝的基本疲劳性能数据和作业参数，采用疲劳分析软件仿真计算得到结构件预测寿命数据并形成数据库；

历史结构件开裂数据库单元25，配置为统计归纳该挖掘机机型的结构件过往开裂位置信息和方向信息并形成数据库；

数据分析与信息处理单元22，配置为基于应力解析与负荷积累计算单元 21、疲劳开裂仿真数据库单元24和历史结构件开裂数据库单元25对结构件的负荷积累进行分析；

损伤积累计算单元23，配置为对结构件的损伤积累进行计算。

首先由应力解析与负荷积累计算单元21计算结构件的负荷积累，然后由数据分析与信息处理单元22基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据对结构件的负荷积累进行分析，并通过损伤积累计算单元23计算损伤情况。

在本发明的一个示例中，还包括：校验模块30，

配置为用于校准该探测系统100的各个模块的初始状态以保证正常运行；

所述校验模块30主要由校准与性能检测单元组成，以用于校准系统各部分的初始状态及正常运行。

在本发明的一个示例中，还包括：运行数据记录与显示模块40，

配置为可视化设备运行状态和结构件裂纹位置，并存储记录运行数据和操作数据；

所述运行数据记录与显示模块40由设备运行可视化单元41、数据记录单元42及显示单元43组成，以用于呈现设备运行情况及存储备查备用；

所述数据记录单元42由本地存储和云端存储构成，以用于记录设备的运行数据和操作数据。

在本发明的一个示例中，还包括：故障调查与人员培训模块50，

配置为用于分析故障发生的原因和提供解决故障的措施，以及指导人员改善操作方法；

所述故障调查与人员培训模块50，主要由故障调查与人员培训单元组成，以用于设备发生故障时分析原因与解决措施，以及告知人员如何改善操作方法。

在本发明的一个示例中，还包括：裂纹预警模块60，

配置为当结构件的损伤积累至损伤阈值时，产生报警及检修信息；

所述裂纹预警模块60，由裂纹预警单元、报警单元、检修维护信息单元组成；

所述报警单元、检修维护信息单元的信息在显示单元43上显示；

当结构件的损伤积累至损伤阈值时，由裂纹预警单元产生预警信号，并传输至报警单元和检修维护信息单元，将所述报警单元、检修维护信息单元的信息在显示单元43上显示。

本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的结构件裂纹征兆的探测系统100的探测方法，如图3所示，包括如下步骤：

S10：获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；

S20：根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况；

该方法通过采集设备作业时的车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息，并进行结构件的负荷积累的计算，结合疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据，计算结构件的损伤积累，在裂纹发生之前检测到征兆，实现失效前精准维护和检修，降低生命周期成本和设备停机时间。

在本发明的一个示例中，所述步骤S20包括：

基于车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息进行全姿态、全局坐标系下关重点的多向力谱计算，以解析各结构件的应力状态与负荷积累；

基于板材与焊缝的基本疲劳性能数据和作业参数，采用疲劳分析软件仿真计算得到结构件预测寿命数据并形成数据库；

统计归纳该挖掘机机型的结构件过往开裂位置信息和方向信息并形成数据库；

基于上述三步骤对结构件的负荷积累进行分析；

对结构件的损伤积累进行计算。

首先由计算单元计算结构件的负荷积累，然后由基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据对结构件的负荷积累进行分析，并计算损伤情况。

本发明再一个目的在于提出一种挖掘机，包括如上述所述的结构件裂纹征兆的探测系统100；

由上述可见，本发明提出的一种挖掘机，通过采集设备作业实时数据并进行数据分析与信息处理，在裂纹发生之前检测到征兆，发出裂纹预警并可视化显示其位置，实现失效前的精准维护和检修，降低生命周期成本和机器停机时间，同时所记录的作业数据可供故障调查、人员培训使用。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的一种结构件裂纹征兆的探测系统100、探测方法及挖掘机的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (10)

1.一种结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，包括：

数据采集模块(10)，用于获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；

数据处理模块(20)，根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况。

2.根据权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，

所述数据采集模块(10)包括：

姿态传感器单元(11)，配置为用于采集挖掘机上、下车相对转角信息，以及动臂和斗杆的姿态信息；

变形传感器单元(12)，配置为用于实时采集关注区域的结构件应力信息；

油压传感器单元(13)，配置为根据采集动臂油缸、斗杆油缸和回转马达的油压信息解析结构件工作载荷信息。

3.根据权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，

所述数据处理模块(20)包括：

应力解析与负荷积累计算单元(21)，配置为基于车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息进行全姿态、全局坐标系下关重点的多向力谱计算，以解析各结构件的应力状态与负荷积累；

疲劳开裂仿真数据库单元(24)，配置为基于板材与焊缝的基本疲劳性能数据和作业参数，采用疲劳分析软件仿真计算得到结构件预测寿命数据并形成数据库；

历史结构件开裂数据库单元(25)，配置为统计归纳该挖掘机机型的结构件过往开裂位置信息和方向信息并形成数据库；

数据分析与信息处理单元(22)，配置为基于应力解析与负荷积累计算单元(21)、疲劳开裂仿真数据库单元(24)和历史结构件开裂数据库单元(25)对结构件的负荷积累进行分析；

损伤积累计算单元(23)，配置为对结构件的损伤积累进行计算。

4.根据权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，

还包括：校验模块(30)，

配置为用于校准该探测系统的各个模块的初始状态以保证正常运行。

5.根据权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，

还包括：运行数据记录与显示模块(40)，

配置为可视化设备运行状态和结构件裂纹位置，并存储记录运行数据和操作数据。

6.根据权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，

还包括：故障调查与人员培训模块(50)，

配置为用于分析故障发生的原因和提供解决故障的措施，以及指导人员改善操作方法。

7.根据权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统，其特征在于，

还包括：裂纹预警模块(60)，

配置为当结构件的损伤积累至损伤阈值时，产生报警及检修信息。

8.一种如权利要求1所述的结构件裂纹征兆探测系统的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：获取车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息；

S20：根据车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息计算结构件的负荷积累，并基于疲劳开裂仿真数据和历史开裂数据计算结构件的损伤积累情况。

9.根据权利要求8所述的结构件裂纹征兆探测方法，其特征在于，

所述步骤S20包括：

基于车身姿态信息、结构件应力信息和结构件工作载荷信息进行全姿态、全局坐标系下关重点的多向力谱计算，以解析各结构件的应力状态与负荷积累；

基于板材与焊缝的基本疲劳性能数据和作业参数，采用疲劳分析软件仿真计算得到结构件预测寿命数据并形成数据库；

统计归纳该挖掘机机型的结构件过往开裂位置信息和方向信息并形成数据库；

基于上述三步骤对结构件的负荷积累进行分析；

对结构件的损伤积累进行计算。

10.一种挖掘机，其特征在于，包括如权利要求1至权利要求7中任意一项所述的结构件裂纹征兆探测系统。

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