工程起重机的安全评估决策系统及其安全评估决策方法

摘要

本发明公开了工程起重机的安全评估决策系统及其安全评估决策方法，其中工程起重机的安全评估决策系统，包括外部数据检测模块、数据采集模块、控制模块、显示输入模块、接口模块和存储模块；所述外部数据检测模块安装在工程起重机上；所述外部数据检测模块和数据采集模块之间通过模拟量数据信号通讯联接；所述数据采集模块与控制模块之间通过以太网通讯连接；所述显示输入模块、接口模块和存储模块均与控制模块电连接。本发明通过外部数据检测模块采集的数据并结合工程起重机的受力模型，以及载荷-应力映射关系，计算并记录事先确定的关键结构点应力，成本低，实现了对工程起重机数据的实时分析和预警功能。

说明书

技术领域

本发明涉及工程起重机的安全评估决策系统及其安全评估决策方法。

背景技术

工程起重机包括多种类型的起重机，包括汽车起重机、履带起重机、 轮胎起重机、塔式起重机、随车起重机等多种类型，其显著的特点有 两个，一个是高度的机动性和移动性，另一个是具有一个或多个臂架 作业系统，完成对载荷的起吊和作业。工程起重机广泛应用于国民经 济建设过程中，由于载荷的长期作用，起重机的主要承载部件臂架系 统、转台、下车等主要的结构件会产生一定的损伤并可能发生疲劳破 坏，这个产生的原因一方面是由于结构件本身的原始焊接缺陷扩大导 致失效，另一方面可能是由于使用过程中的各种不确定因素导致材料 或者部件过载失效。一旦起重机的主要结构件如臂架系统失效，有可 能会产生严重的事故，因此，对于起重机的载荷进行记录并根据载荷 进行疲劳寿命的评估对起重机的安全使用具有重要的实用价值和经济 意义。

目前，针对起重机的载荷记录及剩余寿命评估预测采用的都是分离式 设备，即载荷记录采用一套硬件检测装置，而且采用的都是临时应变 片贴片技术进行检测，时效性很差。疲劳寿命评估预测采用的是单独 的计算机进行计算，无法实时对起重机的数据进行分析并预警，预测 精度低，难以有效实时预警，影响评估精度。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能够对工程起重机的结 构剩余寿命进行计算，并自动给出安全评估结论及维保建议的安全评 估决策系统。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：工程起重机的 安全评估决策系统，包括外部数据检测模块、数据采集模块、控制模 块、显示输入模块、接口模块和存储模块；所述外部数据检测模块安 装在工程起重机上；所述外部数据检测模块和数据采集模块之间通过 模拟量数据信号通讯联接；所述数据采集模块与控制模块之间通过以 太网通讯连接；所述显示输入模块、接口模块和存储模块均与控制模 块电连接。

所述外部数据检测模块包括用于采集工程起重机的变幅拉力信息的变 幅拉力传感器，用于采集工程起重机的臂架角度信息的臂架角度传感 器，以及用于采集工程起重机 的臂架长度信息的臂架长度传感器。

所述外部数据检测模块的臂架角度传感器的测量范围为0°至180°。

所述存储模块中存储有各种型号的工程起重机的力学模型数据库。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供工程起重机的安全评估决策 系统的安全评估决策方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：工程起重机的 安全评估决策系统的安全评估决策方法，包括以下步骤：

①变幅拉力传感器、臂架角度传感器、臂架长度传感器通过数据采集 模块分别将工程起重机的变幅拉力信息、臂架角度信息和臂架长度信 息传送至控制模块；

②检测人员由显示输入模块人工输入工程起重机型号至控制模块；

③控制模块根据工程起重机的型号从力学模型数据库中调用该型号的 工程起重机的受力模型，同时根据变幅拉力信息、臂架角度信息和臂 架长度信息，通过载荷-应力映射关系，计算并记录事先确定的关键结 构点应力；

④控制模块通过数据记录，计算得到一段时间内工程起重机的载荷谱 数据； 

⑤检测人员根据起重机的设计要求，对起重机的各个关键部位进行重 点监测，以工程起重机各个关键部位的受力分析来表征整体起重机的 安全指标；

⑥控制模块根据四种疲劳寿命评估方法对工程起重机需要进行疲劳寿 命评估的部位分别进行计算；所述四种疲劳寿命评估方法分别为基于 模糊损伤的名义应力法、局部应力应变法、基于有限元的断裂力学法 、以及基于前述三种方法融合的计算方法；

⑦四种方法计算完毕后，采用相应的疲劳累积损伤理论将损伤进行累 积，并最终计算出工程起重机需要评估部位的疲劳寿命；

⑧控制模块根据工程起重机设计规范要求的循环次数和载荷记录，计 算现役工程起重机安全作业等级，并给出合适的维护保养建议和安全 评估结论；所述评估结论包括报废处理或降级使用或维修使用或继续 安全使用。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：（1）本发明在 工程起重机上安装外部数据检测模块，通过外部数据检测模块采集的 数据并结合工程起重机的受力模型，以及载荷-应力映射关系，计算并 记录事先确定的关键结构点应力，成本低，实现了对工程起重机数据 的实时分析和预警功能。

（2）本发明的存储模块中存储有各种型号的工程起重机的力学模型数 据库，极大地减少了对起重机相关部位的直接应力检测，通过调用数 据库，可以通过起升或者变幅载荷，直接计算得到各个部位的载荷数 据，简化了通用的应力采集渠道。

（3）本发明提供了四种疲劳寿命评估方法，可以根据不同的工程起重 机和不同的作业工况，选择不同的计算方法进行对比分析，增加评估 结果的可靠性。

（4）本发明可以通过接口模块提供的多种接口与起重机原控制系统、 笔记本电脑、裂纹检测仪器、结构应力检测仪器连接后进行数据通讯 ，修正模型的部分参数，从而提高寿命评估预测精度。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结 合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的工程起重机的安全评估决策系统的结构框图。

附图中的标号为：

外部数据检测模块1、变幅拉力传感器11、臂架角度传感器12、臂架长 度传感器13、数据采集模块2、控制模块3、显示输入模块4、接口模块 5、存储模块6。

具体实施方式

（实施例1）

见图1，本实施例的工程起重机的安全评估决策系统，包括外部数据检 测模块1、数据采集模块2、控制模块3、显示输入模块4、接口模块5和 存储模块6。

外部数据检测模块1安装在工程起重机上。外部数据检测模块1包括用 于采集工程起重机的变幅拉力信息的变幅拉力传感器11，用于采集工 程起重机的臂架角度信息的臂架角度传感器12，以及用于采集工程起 重机的臂架长度信息的臂架长度传感器13。臂架角度传感器12的测量 范围为0°至180°。臂架长度传感器13测量范围可根据实际起重机臂 架长度确定。外部数据检测模块1和数据采集模块2之间通过模拟量数 据信号通讯联接。数据采集模块2与控制模块3之间通过以太网通讯连 接。显示输入模块4、接口模块5和存储模块6均与控制模块3电连接。 存储模块6中存储有各种型号的工程起重机的力学模型数据库。

本工程起重机的安全评估决策系统可以通过接口模块5提供的多种接口 与起重机原控制系统、笔记本电脑、裂纹检测仪器、结构应力检测仪 器连接后进行数据通讯，修正模型的部分参数，从而提高寿命评估预 测精度。

工程起重机的安全评估决策系统的计算方法，包括以下步骤：

①变幅拉力传感器11、臂架角度传感器12和臂架长度传感器13通过数 据采集模块 2分别将工程起重机的变幅拉力信息、臂架角度信息、臂架长度信息传 送至控制模块3；

②检测人员由显示输入模块4人工输入工程起重机型号至控制模块3；

③控制模块3根据工程起重机的型号从力学模型数据库中调用该型号的 工程起重机的受力模型，同时根据变幅拉力信息、臂架角度信息和臂 架长度信息，通过载荷-应力映射关系，计算并记录事先确定的关键结 构点应力；

④控制模块3通过数据记录，计算得到一段时间内工程起重机的载荷谱 数据； 

⑤检测人员根据起重机的设计要求，对起重机的各个关键部位进行重 点监测，以工程起重机各个关键部位的受力分析来表征整体起重机的 安全指标；

⑥控制模块3根据四种疲劳寿命评估方法对工程起重机需要进行疲劳寿 命评估的部位分别进行计算；所述四种疲劳寿命评估方法分别为基于 模糊损伤的名义应力法、局部应力应变法、基于有限元的断裂力学法 、以及基于前述三种方法融合的计算方法；

⑦四种方法计算完毕后，采用相应的疲劳累积损伤理论将损伤进行累 积，并最终计算出工程起重机需要评估部位的疲劳寿命；

⑧控制模块3根据工程起重机设计规范要求的循环次数和载荷记录，计 算现役工程起重机安全作业等级，并给出合适的维护保养建议和安全 评估结论；所述评估结论包括报废处理或降级使用或维修使用或继续 安全使用。

基于模糊损伤的名义应力法是根据结构件载荷谱求出结构危险部位的 名义应力谱，应用相应的S-N曲线和疲劳累积损伤法则计算结构疲劳寿 命的方法，在损伤度的权函数中引入了隶属度的概念，并根据不同的 载荷状况确定隶属度函数，从而计算模糊损伤值，并根据临界损伤值 和累积损伤最终计算载荷谱循环周期。

其基本计算公式为：$\lambda =\frac{D_{\mathrm{CR}}}{\mathrm{\Sigma D}\left(S_i\right)}=\frac{D_{\mathrm{CR}}}{(\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}\frac{\mu \left(S_i\right)\times n_i}{N_0}+\underset{i=m+1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{\mu \left(S_i\right)\times n_i}{N_i})}$。

式中λ为载荷谱循环周期。

D_CR为临界损伤，，其中D_max为最大损伤值，可取1.1，为疲劳损伤的隶 属函数，为θ的函数。

θ的取值如下：θ≥0.33时，μ(S)选取隶属程度较高的Γ分布；当θ ＜0.33时，μ(S)取隶属程度较小的抛物线分布；θ= /c₂为对疲劳有 影响的载荷分布情况；c₃、c₂、c₁为应力对应的频率。

∑D(S_i)为考虑疲劳极限附近损伤模糊性后计算的累积损伤值，D(S_i) 的计算公式 为：$D\left(S_i\right)=\left(\begin{array}{cc}\frac{\mu \left(S_i\right)\times n_i}{N_0},& S\le S_f\\ \frac{\mu \left(S_i\right)\times n_i}{N_i},& S>S_f\end{array}\right)$，其中μ(S_i)为疲劳损伤的隶属函数，n_i为按照各个应力级按频 率扩展成为10⁶得到的作用次数，N₀为疲劳极限时所对应的疲劳寿命， N_i为恒幅应力S_i作用下的疲劳寿命，S_i为各级别应力，S_f为构件的疲 劳极限。

局部应力应变法是在缺口应变分析和低周疲劳基础上发展起来的一种 疲劳寿命估算方法，特别适用于低周疲劳。

其基本计算公式为：

加载时：$\frac{{(\sigma -{\sigma }_r)}^2}{E}+2\left({\sigma -\sigma }_r\right){\left(\frac{{\sigma -\sigma }_r}{2K^{\prime }}\right)}^{\frac{1}{n^{\prime }}}=\frac{K_f^2{C}^2\Delta P^2}{E}$；

卸载时：$\frac{{({\sigma }_r-\sigma )}^2}{E}+2({\sigma }_r-\sigma ){\left(\frac{{\sigma }_r-\sigma }{2K^{\prime }}\right)}^{\frac{1}{n^{\prime }}}=\frac{K_f^2{C}^2\Delta P^2}{E}$。

其中σ_r为前一次反向终了时局部应力；σ为本次反向终了时的局部应 力；E为弹性模量；K′为循环强度系数；n′为循环应变硬化指数；K _f为疲劳缺口系数；C为比例系数；ΔP为载荷变化范围。

基于有限元的断裂力学法的基本计算公式为：

当α与裂纹长度有关时：$N={\int }_{a_0}^{a_c}\frac{\mathrm{da}}{C{\left(\mathrm{\Delta K}\right)}^m}={\int }_{a_0}^{a_c}\frac{\mathrm{da}}{C{\left(\mathrm{\alpha \sigma }\sqrt{\mathrm{\pi a}}\right)}^m}$ ；

当α为常数时：$N=\frac{a_c^{(1-\frac{m}{2})}-a_0^{(1-\frac{m}{2})}}{(1-\frac{m}{2})C{\pi }^{\frac{m}{2}}{\alpha }^m{\left(\mathrm{\Delta \sigma }\right)}^m}$ 。

其中m、C为材料常数；a₀为构件初始裂纹；a_c为临界裂纹。

，其中K_IC为平面应变断裂韧性参数。

，α为形状因子系数；σ为实际应力；a为裂纹长度；K为应力强度因 子。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不 用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。