基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統的製作方法

2023-10-17 15:12:09 2

專利名稱：基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械應力測試領域，具體涉及一種基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統。
背景技術：
鋼絲繩主要用於牽引架空絞線、固定杆塔、起吊構架設備等工作，其廣泛應用於設備安裝、起吊、拆卸、調試等工作中，使用頻繁，所處環境惡劣，承受負荷複雜。鋼絲繩作為起重機械最主要的零部件之一，也是起重作業中最為常用的吊索具。對鋼絲繩的實時檢測變成至關重要，鋼絲繩的檢測是一項複雜的工作，往往難以做到正確的損傷判斷，對存在的安全隱患難以及時發現；嚴重時，鋼絲繩一旦斷裂將危及人身和設備安全。工程用長距離鋼絲繩一向被視為「高危構件」，其承載的穩定可靠性將直接關係到工程作業人員及設備的安危，可以說鋼絲繩的安全可靠狀態備受各級管理部門的高度重視。目前所有各種鋼絲繩的檢驗依據，如國際標準IS04309-81等。但這些依據僅對外部斷絲和磨損等破壞形式較為有效，對鋼絲繩最為常見的疲勞損傷破壞形式則無法監測。目前，對鋼絲繩的疲勞監測主要集中在橋梁的拉索方面。橋梁拉索兩端固定，邊界條件不會發生，且其所受到的衝擊力相對有限，可以方便地採用振動法、壓力環等設備進行疲勞監測。但起重機械的鋼絲繩的長度和邊界條件將隨重物的起吊和下降而發生變化。同時，衝擊力作用的時間短但對鋼絲繩疲勞破壞的影響較大，故對監測系統的動態實時性提出了很高的要求。前期申請的實用新型專利 《基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞在線監測系統》對五點彎曲測試的方法和監測做了詳細的說明，但沒有對監測到的數據進行科學評估，因此，發明基於無線傳輸的鋼絲繩受力評估系統，建立鋼絲繩疲勞實時評估理論方法並將其軟體化，從而對起重機械鋼絲繩疲勞破壞的不安全因素及時預警以便提前採取應對措施，防止出現重大的安全事故，具有深遠的現實意義和廣闊的應用前景。

發明內容
本發明要解決的技術問題是為了實現鋼絲繩實時疲勞評估，提供一種基於五點彎曲測試且採用無線傳輸的鋼絲繩疲勞評估系統。為了解決上述技術問題，本發明提供一種基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統，包括布置在現場的測量單元和採集單元，測量單元中的應變片與採集單元中的應變採集儀電連接，還包括布置在遠端的評估單元和預警單元，評估單元、預警單元和採集單元中的無線發射盒之間通過無線網絡進行數據傳輸；所述評估單元包括遠端計算機和預存於計算機的雨流計數法和miner線性累積損傷理論評估軟體；所述預警單元內設有鋼絲繩疲勞閥值，鋼絲繩的疲勞程度超過預設的閥值時，預警單元發出預警提示。上述技術方案可實現對鋼絲繩在線的疲勞評估，測量單元和採集單元測量採集到的鋼絲繩疲勞強度實時數據通過無線網絡傳遞給評估單元，評估單元經計算得到鋼絲繩的疲勞強度，通過與預設的強度進行評估比較，將評估比較的結果傳遞給預警單元，當得到的結果超出預警單元預設值時，預警單元發出警告提示；無線網絡的採用避免了對起重設備的幹擾。採用上述技術方案的基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞具有如下特點1、能實時的檢測鋼絲繩的疲勞狀態，及時發現隱患，防止出現重大完全事故，由於鋼絲繩在作業中穿過五點完全測試鋼架，金屬基應變片及時的檢查到鋼絲繩的疲勞狀態，金屬基應變片將實時數據傳遞給應變採集儀，通過無線網絡實現遠程監控，通過遠程計算機的計算及時預警，為使用安全提供了保障；2、結構簡單，成本低廉，由於五點彎曲測試鋼架可採用常用的金屬材料焊接而成，保證五個支腳在一條直線即可；3、操作簡單，應變片直接可將數據傳遞給無線發射盒，再經無線網絡與遠程監控系統進行配合，操作人員只需在遠程監控系統前注意數據變化，超出可許範圍時，監控系統自動發出預警；4、實現了數據採集和信號發射一體化功能，現場採集箱的設置使數據採集盒信號發射一體化。作為本發明的進一步改進，所述預警提示為警鈴發出的聲音和系統發出的簡訊。 發出的警鈴聲可告知現場的工作人員鋼絲繩的工作狀態，系統發出的簡訊可發至監管人員的手機或者其他終端上，提醒監管人員檢查督察更換鋼絲繩，防止安全事故的發生。Miner線性累積損傷理論線性疲勞損傷累積理論是指在循環載荷作用下，疲勞損傷是可以線性地累加的， 各個應力之間相互獨立、互不相關，當累加的損傷達到某一數值時，試件或構件就發生疲勞破壞。1945年M. A. Miner根據材料吸收淨功的原理，提出了疲勞線性累積損傷的數學表達式。設材料在破壞時吸收的淨功為W，材料經Ii1次應力循環吸收的功為W1，材料經N1次應力循環後破壞，則有
W1 K1
_0]礦瓦同理，設W2為經n2次應力循環材料吸收的功，且材料經N2次應力循環後破壞，則有
W2 H2W=T2在材料破壞時有^+^+^+-+Wn = ^比較上述三式，可以得到
L J N1 N2 N3 Nn j-tN,式中ni為應力幅Δ σ i作用的次數；Ni為用Δ σ i作常幅應力循環試驗時的疲勞破壞次數，或由常幅疲勞強度曲線「 Δ σ「N」中相應於Δ σ ,時的疲勞壽命(循環次數)。Miner線性累積損傷理論認為變幅疲勞中各個應力幅Δ σ ,所造成的損傷可用 &/隊來定量表示，且可以線性疊加。因此，對任意結構在變幅應力循環作用下的損傷度D可定義為D = H
大量的試驗證明，疲勞破壞時D並不一定等於1，而是大於1或是小於1。例如，即使在簡單的兩應力級分級試驗中，也發現試件的壽命取決於加載的順序。常規疲勞試驗的試件在簡單的兩應力級分級試驗中，低-高應力試驗時的D值往往大於1，這可能是在低應力下材料產生低載「鍛鍊」效應，是裂紋的形成時間推遲。反之，高-低應力試驗時的D值往往小於1，這可能是在高應力下裂紋易於形成，致使後繼的低應力能使裂紋擴展。儘管如此，但Miner線性累積損傷理論形式簡單，使用方便，所以Miner線性累積損傷理論在工程界仍然被普遍採用。從公式D = 可知，只要得出各個應力幅Δ σ i的下鋼絲繩的實測循環次數ni，
以及通過疲勞荷載試驗獲取各個應力幅△ σ i的疲勞破壞次數Ni,就可計算得到鋼絲繩的損傷度。雨流計數法雨流計數法又可稱為「塔頂法」，是由英國的Matsuiski和Endo兩位工程師提出的，距今已有50多年。雨流計數法主要用於工程界，特別在疲勞壽命計算中運用非常廣泛。 由來請參看圖1，把應變-時間歷程數據記錄轉過90°，時間坐標軸豎直向下，數據記錄猶如一系列屋面，雨水順著屋面往下流，故稱為雨流計數法。在50年前人們主要以手工計算為主，但手工計算只能處理一些相對比較簡單(指數據量不大)的數據，對於數據較多的問題手工處理起來就不太容易了。隨著電子計算機的不斷發展，運算速度的不斷加快使這些煩瑣的計算大大簡化。這種方法的突出特點是根據所研究對象的應變-時間之間的非線性關係來進行計數，亦即把樣本記錄用雨流計數法定出一系列循環。雨流計數法有下列規則如圖3所示，1雨流在試驗記錄的起點和依此在每一個峰值的內邊開始，亦即從1，2，3，…等尖點開始。2雨流在流到峰值處(即屋簷)豎直下滴，一直流到對面有一個比開始時最大值 (或最小值)更正的最大值(或更負的最小值)為止。3當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時，就停止流動，並構成了一個循環。4根據雨滴流動的起點和終點，畫出各個循環，將所有循環逐一取出來，並記錄其峰谷值。5每一雨流的水平長度可以作為該循環的幅值。雨流計數法的主要功能是把經過峰谷值檢測和無效幅值去除後的實測載荷歷程數據以離散載荷循環的形式表示出來。在程序中的具體實現雨流計數法在程序中的實現方法將分為數據壓縮和循環數提取兩個步驟完成。數據壓縮數據壓縮就是把原始的實驗數據處理成便於計取循環數的數組，它包括峰谷值檢測和無效幅值去除。1峰谷值檢測是數據壓縮的基本內容之一，就是把數據中的峰谷值提取出來作為下一步數據處理的數組。在這一過程中，為避免在峰谷值提取時產生影響應先將相鄰的等值數壓，即把相同數值的保留一個，然後再提取峰谷值。設待處理數組為E (η)，所得數組為 F(n),i和j分別為兩個數組元素的編號(以下的流程圖中不再聲明)。在相鄰等值數壓縮中(如圖4)，菱形框的判斷條件是前後兩個元素是否不相等，若為真值留下這個數，否則將繼續下一個數的判斷，直到最後一個數為止。這樣當遇到相等數時，取下的是其中的第一個數值。如圖5所示，在峰谷值檢測時，判斷條件是相鄰數字的差的乘積是否大於零(即是否同號)，若為真值時就說E (i)同時大於(或小於)兩邊的數字，則E (i)就是峰(或谷)值； 否則繼續。2無效幅值去除就是將幅值很小的點去除。因為在很多疲勞壽命計算中這些幅值很小的循環可以忽略不計。無效幅值去除的物理模型很多，可以根據所處理數據的性質和所研究對象的循環波形特點來選取。這裡取用變程閥值公式變程閥值=(最大值-最小值)X Δ %變程閥值就是壓縮掉可忽略小循環的過濾器，最值是數組中的最大(或小)值，Δ 是變程閥值的精度，靠經驗給定，可根據不同數組性質和處理精度確定。去除無效幅值，在程序實現時只需加入一個判斷條件即可。經過本人的反覆驗證， 認為將其加在判斷完循環之後(即一次雨流計數中)最為合適。循環數提取通常情況下分一次雨流計數、對接和二次雨流計數三個步驟完成，對於不同的波形要根據實際情況來定，比如高均值偏態波形只需一次雨流計數就可完成。1 —次雨流計數是從壓縮處理過的數據中提取循環，並記錄其特性值，如峰值、 谷值、幅值等。我這裡使用的方法，是按雨流計數法規則加上個人的理解總結的一點規律一一稱之為「四點法」，而且在程序中實現起來也比較容易。如圖6所示，在數組中能提取出循環的形式也不過這兩種，若滿足a大於等於b並且b小於c時就可以認為提取一個循環(圖中構成三角形的部分，同時去除E[i]和E[i_l]兩點，否則記錄下E[i]這一點。 這樣對這個數組反覆判斷就可以取出所有的循環和記錄所剩的各點。這種判斷適用於四個點組成的各種情形，確保了循環提取的正確性，使程序的可靠性大大增加。具體的實現方法參見圖7提取循環的流程圖。流程圖中，開始的c = 0和下邊的c = b是對程序一點優化，「四點法」其實只用了三個點，這樣就把上一次計算過的|E(i-l)_E(i) I作為本次的 |E(i-l)-E(i-2| ；si 一個是否有循環的標誌，可在圖5的後邊加上一個si是否等於零的判斷，若等於零則說明一次雨流計數的循環全部提出，否則繼續執行圖5的全過程；s是記錄雨流計數提取循環的總個數。2對接(又稱波形封閉處理)是最終完成循環計數的必要手段，主要內容是對波形的首尾點進行取捨的簡化處理。一次雨流計數剩下的點構成的波形是一標準的發散-收斂型，這時按雨流計數法則無法再形成整循環，只能將其在最大或最小點處截開再進行首尾對接，對接時首尾點不一定能夠正好封閉，我們就按不同的波形來完成。一種對於高均值偏態波，可根據研究對象的特徵給數組加上首尾值，比如研究根據航空發動機轉速編制的載荷譜時，可在首尾加一個零點；另一種對於標準發散-收斂波形首尾的四個峰谷值，取其中的最大和最小值，剩下兩點去除，這樣產生的誤差與實際相差很小。在程序中實現時，只需在此處加一選擇，是加一零點還是取最值，接下來就是重新整理數組了。對接在程序裡實現起來就是將數組從截開的地方分成兩部分，將兩部分前後對調即可。3 二次雨流計數是將完成對接的波形繼續提取循環直到剩下三個點(即是數組中最值構成的整循環)為止。程序中實現也很簡單，只需將對接完成的數組放入一次雨流計數中就行了。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖1是本發明基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統數據流向圖；圖2是五點彎曲測試鋼架示意圖；圖3是雨流計數法原理圖；圖4是壓縮定值點流程圖；圖5是檢測谷峰值流程圖；圖6是循環判斷示意圖；圖7是提取循環流程具體實施例方式如圖3所示，本發明提供一種基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統，包括布置在現場的測量單元和採集單元，測量單元中的應變片3與採集單元中的應變採集儀6電連接，還包括布置在遠端的評估單元和預警單元，評估單元、預警單元和採集單元中的無線發射盒5之間通過無線網絡進行數據傳輸；所述評估單元包括遠端計算機和預存於計算機的雨流計數法和miner線性累積損傷理論評估軟體；所述預警單元內設有鋼絲繩疲勞閥值，鋼絲繩的疲勞程度超過預設的閥值時，預警單元中的警鈴發出聲音或者系統發出簡訊的形式給出預警提示。本發明的測試評估過程如下測量單元和採集單元測量採集到的鋼絲繩疲勞強度實時數據通過無線網絡傳遞給評估單元，評估單元經計算得到鋼絲繩的疲勞強度，通過與預設的強度進行評估比較，將評估比較的結果傳遞給預警單元，當得到的結果超出預警單元預設值時，預警單元發出警告提示。以上所述的僅是本發明的優選實施方式，應當指出對於本領域的技術人員來說， 在不脫離本發明結構的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些都不會影響本發明實施的效果和專利的實用性。
權利要求
1.基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統，包括布置在現場的測量單元和採集單元，測量單元中的應變片與採集單元中的應變採集儀電連接，其特徵在於還包括布置在遠端的評估單元和預警單元，評估單元、預警單元和採集單元中的無線發射盒之間通過無線網絡進行數據傳輸；所述評估單元包括遠端計算機和預存於計算機的雨流計數法和miner 線性累積損傷理論評估軟體；所述預警單元內設有鋼絲繩疲勞閥值，鋼絲繩的疲勞程度超過預設的閥值時，預警單元發出預警提示。
2.根據權利要求1所述的基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統，其特徵在於所述預警提示為警鈴發出的聲音和系統發出的簡訊。
全文摘要
本發明屬於機械應力測試領域，具體公開了一種基於五點彎曲測試的鋼絲繩疲勞評估系統，包括布置在現場的測量單元和採集單元，測量單元中的應變片與採集單元中的應變採集儀電連接，還包括布置在遠端的評估單元和預警單元，所述評估單元包括遠端計算機和預存於計算機的雨流計數法和miner線性累積損傷理論評估軟體；測量單元和採集單元測量採集到的鋼絲繩疲勞強度實時數據通過無線網絡傳遞給評估單元，評估單元經計算得到鋼絲繩的疲勞強度，通過與預設的強度進行評估比較，將評估比較的結果傳遞給預警單元，當得到的結果超出預警單元預設值時，預警單元發出警告提示，實現了對鋼絲繩的在線實時評估及預警。
文檔編號G01N3/32GK102564875SQ20121002024
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月29日 優先權日2012年1月29日
發明者劉綱, 楊溥, 高永 , 黃宗明 申請人:重慶大學