基于应变测量的塔吊疲劳监测系统研究与设计

摘要

随着国家城市化的不断发展，塔式起重机在工程现场上随处可见。塔吊使用的工况复杂，往往由于操作不当、过载工作等因素，造成塔吊事故时常发生。国内塔吊监测系统主要依据起升载荷监测数据判断塔吊工作状态，基于应力监测塔吊状态的技术还不够成熟。本文结合综合测试技术、信号处理技术、以太网技术，进行了基于应变测量的塔吊疲劳监测系统的研究与设计，目的在于通过测量塔身所受到的应力来计算塔吊金属的疲劳损伤。
　　首先，论文研究了国内外塔吊的监测方法，选用应力应变监测法来预算塔身金属疲劳损伤。在应力应变监测手段上，分析现有监测方法的优缺点，选用电阻应变测量方法进行应力应变数据采集。其次，研究了电阻应变测量基本理论和疲劳损伤计算的基本理论。然后，分析系统功能要求，以模块化的思想进行系统的硬件设计和软件开发。实现应变数据采集和应力谱计算，为疲劳监测系统提供数据。在硬件上，设计了应变信号调理电路、应变信号采集电路和WiFi无线数据传输电路。在WiFi无线传输方面，改进LwIP协议传输过程中拥塞窗口和通告窗口的大小、拥塞避免机制，提高无线传输速率。在软件上，设计了软硬件之间的通信协议和基于MATLAB开发的疲劳损伤计算软件。最后，搭建塔吊模型，对系统各功能进行测试。通过对比LwIP协议栈改进前后的传输速率测试，证明改进后传输速率明显提高;通过静态应变测试和动态应变测试，证明应变采集电路具有高精度;通过多组疲劳损伤模拟实验，对系统进行整体测试，实现预期效果。
　　本文结尾部分对全文研究工作进行总结，并提出下一步研究内容和系统改进方案。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 塔吊状态监测国内外研究现状

1．2．1 塔吊状态监测方法

1．2．2 塔吊应力监测方法及其发展情况

1．2．3 塔吊疲劳状态分析研究现状

1．3 塔吊监测系统中存在的问题

1．4 本文研究内容

第二章 塔吊疲劳监测系统的基本理论

2．1 电阻应变测量的基本理论

2．1．1 应变片

2．1．2 应变电测法的理论

2．2 应变数据处理方法

2．2．1 塔吊静态应变分析

2．2．2 塔吊动态应变分析

2．2．3 塔吊载荷累计频谱分析

2．3 疲劳损伤计算基本理论

2．3．1 疲劳的定义

2．3．2 S-N曲线和平均应力修正

2．3．3 线性疲劳累计理论

2．3．4 塔吊疲劳损伤计算方法

2．4 本章小结

第三章 塔吊疲劳监测系统方案设计

3．1 系统总体方案设计

3．2 塔吊应变测试点布置

3．3．1 无线传输方案选择

3．3．2 TCP／IP协议分层模型

3．3．3 TCP／IP协议数据传输过程与数据帧格式

3．3．4 LwlP协议的应用与改进

3．4 塔吊应变数据存储与显示

3．4．1 应变数据的存储

3．4．2 应变数据的显示

3．5 本章小结

第四章 塔吊疲劳监测系统设计

4．1 硬件电路设计

4．1．1 应变电桥模块

4．1．2 信号调理模块

4．1．3 信号采集模块

4．1．4 硬件控制模块

4．1．5 数据传输模块

4．1．6 数据显示与存储模块

4．1．7 系统电源模块

4．2 基于底层硬件的软件设计

4．2．1 底层硬件驱动程序设计

4．2．2 工业串口屏开发

4．2．3 ARM软件总体设计

4．3 上位机软件设计

4．3．1 软硬件通信协议设计

4．3．2 应力谱获取程序设计

4．3．3 疲劳损伤计算程序设计

4．3．4 系统上位机界面设计

4．4 本章小结

第五章 系统测试与结果分析

5．1 硬件电路测试

5．1．1 系统电源模块测试

5．1．2 信号调理模块测试

5．1．3 无线传输模块测试

5．1．4 硬件电路性能测试

5．1．5 信号采集模块精度测试

5．2 系统上位机软件功能测试

5．3 系统整体测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 未来展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢