基于物联网的桥式起重机的剩余寿命评估系统外文翻译资料

基于物联网的桥式起重机的剩余寿命评估系统

GAO Wenhaia, LI Mingfangb, CAO Shuguic, and LIU Denghuid

河北科技大学经济管理学院，石家庄050018

【关键词】:物联网、曲线回归预测、剩余疲劳寿命、桥式起重机等关键词。

【摘 要】：鉴于起重机工作条件的高度随机性和不确定性，将桥式起重机作为研究对象。首先，根据物联网技术，记录负荷容量和工作周期数，形成疲劳应力谱。其次，根据矿工疲劳损伤积累理论和雨流算法，得到等效应力幅值。第三，利用曲线回归模型表征裂纹扩展与等效应力幅值之间的关系，并预测当前裂纹尺寸。最后，将裂纹尺寸的预测值应用到断裂力学公式中，并估算了桥式起重机的剩余疲劳寿命。实例表明，将物联网技术和回归预测技术应用于数据采集和裂纹尺寸预测是简单实用的;它不仅能够快速准确地估计剩余的疲劳寿命，而且能够克服断裂力学中要求初始裂纹尺寸的缺点。

引言

起重机是大型技术装备工业的专用设备。广泛应用于物流、电力、建筑、机械制造等行业。起重机安全操作与人的生命财产安全有关。事故会造成严重的经济损失和更严重的社会影响。近年来，起重机事故呈高发趋势。2007年有84例起重机事故，占特种设备事故总数的32.8%[1]。因此，各级政府和商检机构都十分重视起重机的生命评估。桥式起重机的金属结构是典型的焊接结构。焊接结构有许多缺陷，如炉渣、咬边和细小裂纹。因此，疲劳破坏如开裂或断裂，是桥式起重机金属结构失效的主要原因[2-3]。根据断裂力学理论，金属结构的疲劳过程包括裂纹萌生、裂纹扩展和不稳定断裂三个阶段[4]。焊接缺陷等疲劳源的存在，使裂纹萌生期短。因此，疲劳寿命主要取决于裂纹扩展阶段[5]。利用断裂力学理论研究了焊接结构的疲劳裂纹扩展机理，并对其馀疲劳寿命进行了估计。断裂力学采用初始裂纹尺寸来计算疲劳寿命。现有研究大多以0.5-2.0mm为初始裂纹尺寸，表示裂纹的初始状态。基于断裂力学公式计算的疲劳寿命，代表了整体的疲劳寿命，而非剩余寿命。由于工作条件的高度随机性和不确定性，裂纹的生长速率并不总是静态的，这将导致剩余疲劳寿命的估计误差。随着工作条件的变化，估计误差会增加。因此，采用目前的裂纹尺寸，而不是初始裂纹尺寸，进入断裂力学公式来估计疲劳寿命，将大大降低估计误差。由于工作条件的限制，对于裂纹测量需要专业的工具，很难动态地测量关键部件的裂纹尺寸。因此，本文提出了在定期检查时测量和记录裂纹尺寸的方法。同时，为了准确掌握起重机的受力情况，利用物联网采集和记录负荷能力和工作周期数。然后利用曲线回归技术对裂纹扩展与受力状态的关系进行了表征，并预测了裂纹的大小。将预测的裂纹尺寸应用到断裂力学公式中，可以准确地估计剩余疲劳寿命。

由于工作条件的限制和高度随机性，传统的测试方法难以准确地记录起重机的受力和裂纹尺寸。基于物联网技术和回归预测、评估系统剩余生命的桥式起重机建造(图1)。系统包括三个子系统:载荷谱采集子系统基于物联网,裂纹尺寸预测子系统基于曲线回归和剩余疲劳寿命评估子系统基于断裂力学。

图1:桥式起重机剩余寿命评估系统

1.基于物联网的负载谱采集子系统

对疲劳寿命的估计，对疲劳失效引起的灾难性事故进行了预警，并保证了安全运行，需要得到疲劳点的应力谱。起重机的应力载荷一直在变化，这就意味着对实际载荷的测量工作量很大。此外，由于工作条件的限制，实现大量的负载谱测试是困难的。物联网将被用来记录起重负荷和次数。在统计处理后形成的载荷谱将被转换为疲劳应力谱。

负载载荷谱采集子系统包括四个模块:数据采集模块、数据存储模块、数据传输模块、压力和载荷谱和谱分析模块(图2),加载数据采集模块,包括负载信号采集sub-module和信号调节sub-module,用于捕获负载信号转换成计算机能识别的语言。数据存储模块用于记录和存储操作参数。数据传输模块用于将参数传递到数据分析模块。载荷谱和应力谱分析模块用于接收、处理和分析数据，并将载荷谱转换为疲劳应力谱。

图2:基于物联网的负载谱采集子系统

2.裂纹尺寸预测子系统基于曲线回归

基于裂纹的初始裂纹，断裂力学根据疲劳裂纹扩展速率与应力强度的关系来估计疲劳寿命。疲劳剩余寿命意味着裂纹的整个生长寿命，从最初的裂纹开始以疲劳失效结束。它与从评估时刻开始的评估系统中剩余的生命是不同的。以目前的裂纹尺寸为初始裂纹，估计剩余寿命为起重机的实际剩余寿命。

由于工作条件和专业仪器的限制，在定期检查时可以测量裂纹尺寸。同时，在此检查周期中分析负载力。然后，根据曲线回归分析了裂纹尺寸与力幅之间的关系，并预测了裂纹的大小。最后，将裂纹扩展到断裂力学公式中，并对剩余疲劳寿命进行估计。

裂纹尺寸预测系统由三部分组成:从疲劳应力谱中提取应力幅值及其工作周期;基于矿工疲劳损伤积累计算等效应力幅值;基于曲线回归预测当前裂纹尺寸。

2.1雨流算法

降雨流算法是一种常用的统计计数方法，它主张塑性是疲劳损伤的必要条件。塑性表现为应力-应变的滞后循环。假设一个较大的应力-应变循环所造成的破坏不受小载荷周期影响，那么从整个载荷循环中可以提取出较小的滞回循环载荷，而计数结果与材料的“记忆”特性一致[3,9]。

2.2矿工的线性疲劳损伤积累及其等效方法

根据矿商的线性疲劳损伤积累理论，在给定应力水平下，损伤与应力循环之间存在线性累积关系，当损伤积累达到临界水平时，疲劳失效就会发生[10]。给定一个sigma;应力幅值,造成的损害每个应力周期是1/Ni,并且累计损伤ni后，应力周期是Di=ni/Ni。那么，在任何时候的累计损失都是. 代表循环应力幅值的是sigma;。Ni代表应力幅值下的疲劳寿命。k表示应力幅值的总阶段数(一般分为8个阶段)。

大量的实验研究表明，在恒定振幅下，可变振幅下的裂纹扩展和疲劳寿命基本相同。因此，可以用等效恒幅来代替可变振幅。在此基础上，利用疲劳损伤积累进行了等效变换。这个公式是m表示材料常数，假设值为m=3.214[9]。矿工疲劳损伤积累可以将变振幅转换成等效应力幅值，简化了计算。

2.3曲线回归预测

大量的结构制造事故表明，断裂是由初始裂纹产生的。当裂纹尺寸达到一定阈值时，结构断裂发生[9-11]。裂纹扩展寿命决定了起重机的疲劳寿命。断裂力学指出，疲劳裂纹的生长速率和结构应力强度是高度相关的[10,11]。应力强度是指所有的应力幅值及其周期，可以用等效应力幅值代替等效应力幅值。因此，目前的裂纹尺寸应与等效应力幅值相关。

在起重机的定期检查中测量和记录裂纹尺寸(l)，并得到了一系列裂纹尺寸的历史数据。分析和处理后的应力(载荷、数量的周期),得到了等效应力振幅(resigma;)。预测裂纹大小和等效应力幅值的关系曲线回归的基础上,得到了两个变量之间的回归表达式。根据等效应力幅值，根据回归表达式估计当前裂纹尺寸。

3.基于断裂力学的剩余寿命估计子系统

组件与初始裂纹的断裂力学研究裂纹扩展的规律和裂缝在不同的工作条件,并估计裂纹的传播生活基于裂纹大小和其扩张速度。裂纹扩展速度可以用巴黎公式描述的线性弹性断裂力学[12](公式1)。dl/dN代表裂缝扩张速度,N表示压力的周期数,∆K代表压力振幅,C和m代表了材料常数,可以通过实验测量。

dl/dN=C(∆K)m （1）

计算应力强度因子K是求解式(1)的关键，一般可将K表示为裂纹形状和裂纹尺寸的函数。桥式起重机的金属结构是由钢板焊接而成的箱状结构，可以看作是在无限板上产生的中心裂纹。断裂力学中此类问题的应力强度因子的表达式可以作为公式(2)[9,12]。F代表与裂纹形状有关的校正因子,裂纹的位置,和加载模式,sigma;表示应力幅值。

K=Fsigma; （2）

将式(2)代入式(1)，得到当前裂纹尺寸(t l)扩展到临界裂纹(f l)的应力循环数。剩余的疲劳寿命回归可以表现为公式(3)。

（3）

4结论

(1)根据工作条件的限制，提出了在物联网基础上收集起重机应力载荷及其循环的方法。与传统的测试、仿真等数据采集方法相比，采集的数据更加准确、完整，操作方便。

(2)本文采用曲线回归模型对裂纹尺寸与应力幅值之间的关系进行了表征，并预测了裂纹尺寸。它克服了工作条件的限制，可以动态地预测当前的裂纹尺寸。

(3)它是简单实用的应用物联网技术和回归预测的数据收集和裂纹尺寸预测,不仅可以估计剩余疲劳寿命迅速准确,但也是能够克服的缺点需要断裂力学中的初始裂纹大小。

致谢

这项工作得到了中国国家重点技术研发项目(No. 2012BAH20B00)的资金支持。

参考文献

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材料设计、加工和应用程序

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评估系统剩余生命的基于物联网的桥式起重机

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DOI引用

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基于状态空间法的桥式起重机吊升机构动态特性研究

An Liu1,a,Wei He1, b,*,Zhekun Li1,c,Li Cheng1,d

昆明理工大学机械与电气工程学院，中国昆明650500

【关键词】:状态空间方法;动态特性;桥式起重机;起重机构

【摘 要】：总结了桥式起重机起升机构的动态特性研究。根据桥式起重机起升机构的实际工作情况，建立了四自由度弹性振动模型。它考虑了输入转矩、钢丝绳刚度等的影响。本文采用状态空间法求解基于Matlab/Simulink软件的数值和仿真。它包含了吊装位移和速度曲线，以及桥梁结构的波动曲线。仿真结果表明该模型的正确性，为各种提升机构动态特性的动态特性研究奠定了理论基础。

引言

吊装机构是桥式起重机的主要机构。各部件之间的强冲击和作用力对安全操作具有重要的影响。动态解决方案对起重机的整体性能起着关键的作用。

根据机械振动理论，建立起起重机起升机构的自由度动力学模型，并获得起动和制动的钢丝绳弹性拉力[1-4]。赵俊杰[5]从桥机提升过程特性出发，建立了系统动力学微分方程，并分析了提升动载荷系数的影响因素。袁绍坤[6]建立了起重机吊装系统建模，基于对鼓应力分布的进一步研究，推导出了绕组的动态模型，并提出了系统状态空间方程方法的建立。此外，还对桥式起重机的振动和多自由度振动仿真进行了研究[7]。然而，对吊装和桥梁耦合形式的分析较少考虑实际

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