穆廣金，高崇仁，何洋洋，付大偉

(太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

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橋式起重機運行數(shù)據(jù)快速處理方法

穆廣金，高崇仁，何洋洋，付大偉

(太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：提出一種利用起重機運行數(shù)據(jù)快速獲取其應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)的方法。通過已有的起重機運行數(shù)據(jù)，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)推導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算公式編制成計算機程序，對其進行快速處理，以獲取橋式起重機應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)。將公式計算結(jié)果與ANSYS分析結(jié)果對比，驗證軟件的可行性。該方法很好的解決了橋式起重機工況載荷數(shù)據(jù)缺乏的問題。

關(guān)鍵詞：橋式起重機；載荷譜；結(jié)構(gòu)力學(xué)；VB編程

起重機的載荷譜是對起重機進行疲勞強度分析可靠性設(shè)計及壽命評估的重要依據(jù)，且編制載荷譜時依據(jù)的數(shù)據(jù)量越大，越能夠反映其實際工作狀態(tài)。傳統(tǒng)的獲取應(yīng)力數(shù)據(jù)的方式多為貼應(yīng)變片現(xiàn)場實測的辦法[1]。首先通過有限元分析確定起重機金屬結(jié)構(gòu)上的危險截面及危險點，然后在危險點或者測試點上貼應(yīng)變片，直接測得該點的應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)，再結(jié)合有限元分析得出的自重載荷，統(tǒng)計得出危險點的載荷譜。這種方法雖然可以直接得到載荷譜，但是由于應(yīng)變片壽命有限，且測點數(shù)量有限，不便于長期采集起重機應(yīng)力數(shù)據(jù)，無法獲得起重機金屬結(jié)構(gòu)全面的應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)，在對非測點處進行疲勞分析時往往需要進行模擬仿真來獲取更多的數(shù)據(jù)。這無疑為起重機的疲勞強度及壽命評估提高了成本。

由于起重機安全的重要性，我國在2012年提出了起重機安全監(jiān)控管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[2]。該系統(tǒng)能夠通過各類傳感器實時地監(jiān)控并記錄起重機的運行狀態(tài)，以保證起重機的安全運行。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了該系統(tǒng)要求監(jiān)控的各類參數(shù)，其中包括了的起重量、起升高度/下降深度、運行行程、工作時間等參數(shù)，這些參數(shù)完整的反映了起重機的工作狀態(tài)。由于該系統(tǒng)能夠連續(xù)不間斷地記錄起重機的這些參數(shù)，如果能夠利用這些數(shù)據(jù)得到起重機應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)，進而獲取起重機的載荷譜，將能夠解決起重機壽命評估及可靠性分析缺乏數(shù)據(jù)的問題。

文獻(xiàn)[3]提出了一種利用橋式起重機運行數(shù)據(jù)獲取評估點應(yīng)力時域值的方法，在該專利中提出通過軟件編程實現(xiàn)，將起重機數(shù)據(jù)記錄儀采集到的起重機運行數(shù)據(jù)處理成應(yīng)力時間歷程數(shù)據(jù)。但是并沒有對該軟件的具體實現(xiàn)做出說明。

下面就如何編程實現(xiàn)快速處理橋式起重機運行數(shù)據(jù)進行具體探討。

1編程語言及數(shù)據(jù)存儲

該軟件采用VisualBasic6.0(以下簡稱VB6.0)編寫，數(shù)據(jù)的存儲則用Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)。

VB6.0對Access數(shù)據(jù)庫的操作非常簡單易學(xué)，不需要多少代碼，可以方便的對數(shù)據(jù)進行查詢、顯示、存取、計算等操作。VB最基本的核心即是窗體[4]，用其開發(fā)窗體應(yīng)用程序具有開發(fā)周期短、效率高、易于維護與升級的特點。

Access是由微軟公司開發(fā)的一款關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是Office系列軟件的一部分，具有獨立的操作界面，同樣具有簡單易學(xué)的特點。將原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，用戶可以獨立于軟件進行數(shù)據(jù)查詢等操作。

2應(yīng)力計算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在運行周期內(nèi)系統(tǒng)的采樣周期不應(yīng)大于100ms，數(shù)據(jù)存儲時間不應(yīng)少于30個連續(xù)工作日。因此根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的運行數(shù)據(jù)量非常龐大，因此要求算法不能過于復(fù)雜，同時能夠滿足精度要求。

對起重機進行受力分析通常有兩種方法，一種是有限元方法，利用計算機軟件建立起重機的實體模型，并進行有限元分析。其計算精度取決于建模方式，正確的建模方式可以獲得精確的應(yīng)力分布結(jié)果。但是由于每次只能對一種工況進行分析，費時長，并不適用于處理大量的起重機運行數(shù)據(jù)。另一種是建立起重機的結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化模型，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)推導(dǎo)公式計算起重機的受力情況。這種方法比較簡單可靠，是各類起重機設(shè)計時通用的方法。雖然簡化模型與實際情況存在一定的偏差，但誤差在合理范圍內(nèi)，而且計算公式形式簡單，適合于編制應(yīng)用程序進行大量的循環(huán)計算。

橋式起重機的受力分析一般分為垂直平面和水平面兩部分分別進行分析。

垂直平面內(nèi)將起重機簡化為簡支梁進行計算，結(jié)果與實際情況差別不大。此公式較為簡單，不再列出。

水平面內(nèi)將起重機按照剛架結(jié)構(gòu)計算，不同的起重機其結(jié)構(gòu)不同，計算公式也不同，目前已有單梁及雙梁橋式起重機內(nèi)力計算公式[5]。由于公式較長篇幅有限，下面只列出單梁起重機內(nèi)力計算公式。

對于水平面內(nèi)的橋式起重機，按照剛架結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)其工況不同，外部約束情況不同。起動工況計算簡圖為：

圖1　起動工況計算簡圖

制動工況計算簡圖為：

圖2　制動工況計算簡圖

文獻(xiàn)[6]已給出在一個輪壓作用下輪壓作用位置截面的內(nèi)力，對其稍加改進，即得在兩個輪壓作用下任意位置截面內(nèi)力：

起動工況：

(1)

(2)

軸向力：

其中：

Mp=Mp1+Mp2

FH=mqaH

I1—主梁對于y軸的慣性矩

I2—端梁對于y軸的慣性矩

aH—大車水平加速度

FH—主梁水平慣性力產(chǎn)生的均布載荷

PH1,PH2—電動葫蘆水平方向輪壓

制動工況時的彎矩及剪力與起動工況計算公式相同，只是系數(shù)r1變?yōu)椋?/p>

軸向力：

(3)

以某臺跨度22.5m起重量10t單梁橋式起重機為例，采用此軟件計算結(jié)果與ANSYS分析結(jié)果比較，結(jié)果如下表所示：

表1　主梁彎矩計算結(jié)果對比

可以看出，兩種方法計算結(jié)果相差不大，用此方法來獲取編制載荷譜需要的應(yīng)力數(shù)據(jù)是可行的。

計算出各截面內(nèi)力后，即可根據(jù)起重機的截面參數(shù)及評估點位置計算出評估點的切應(yīng)力、正應(yīng)力及主應(yīng)力，計算公式不再具體列出。

3軟件總體設(shè)計

針對上述分析，建立橋式起重機的計算模型需要知道其結(jié)構(gòu)類型，主端梁尺寸，各個梁的截面尺寸及加勁肋布置情況、司機室及電氣設(shè)備自重以及小車結(jié)構(gòu)尺寸和自重等。由于參數(shù)較多，僅靠文字說明難以讓用戶理解，因此采用窗體界面輸入，可以直觀的表達(dá)各個參數(shù)的含義。所有參數(shù)均存儲在數(shù)據(jù)庫中，便于用戶在使用時直接調(diào)取，不需要重復(fù)輸入，提高使用效率。

輸入模塊主要分為四個部分進行：

1.結(jié)構(gòu)參數(shù)：主要用于輸入起重機結(jié)構(gòu)類型，結(jié)構(gòu)尺寸，小車參數(shù)等。

2.截面參數(shù)：可以輸入不同類型的截面尺寸及加勁肋布置方案，并將截面屬性指定為主/端梁截面或者要分析的截面。

3.評估點數(shù)據(jù)：用于輸入求解截面的位置及各個截面上評估點坐標(biāo)，可以指定多個求解截面及評估點。

4.運行數(shù)據(jù)：用于指定存儲運行數(shù)據(jù)的文件。

圖3　數(shù)據(jù)庫ER圖

圖4　結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入界面

為了能夠?qū)崿F(xiàn)求解橋式起重機任意位置截面內(nèi)力，求解截面位置及求解點位置由用戶指定，且可以指定任意多個。

當(dāng)用戶指定計算多個截面多個評估點時，首先計算各個截面內(nèi)力，針對不同截面建立不同的表，將計算結(jié)果存入其中。全部截面內(nèi)力計算完畢后，再分別計算各個截面上各個評估點的應(yīng)力。

圖5　數(shù)據(jù)流程圖

計算完各個截面的內(nèi)力后，再分別計算各個截面上評估點的應(yīng)力，最后所得計算結(jié)果存儲在截面數(shù)據(jù)表中。

圖6　內(nèi)力計算流程圖

4結(jié)論

主要從軟件的編程語言、計算公式及總體設(shè)計等幾個方面介紹了軟件的設(shè)計方法。通過上述方法開發(fā)的橋式起重機運行數(shù)據(jù)快速處理軟件，能夠解決起重機載荷數(shù)據(jù)缺乏的問題，可以為起重機壽命評估及可靠性分析提供大量的數(shù)據(jù)。該軟件具有友好的人機交互界面，用戶通過窗口輸入起重機各類參數(shù)，具有直觀簡單的特點。所有的數(shù)據(jù)均存儲在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，用戶可以獨立于該軟件對數(shù)據(jù)進行另行的處理使用，同時也便于軟件的后續(xù)升級及維護。

參考文獻(xiàn)：

[1]王愛紅，徐格寧.橋式起重機隨機應(yīng)力譜獲取及疲勞剩余壽命估算[J].機械工程學(xué)報，2012，48(18)：192-198.

[2]GB/T28264-2012.起重機械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)[S].

[3]高崇仁，王守信，韓玉習(xí)，等.利用橋式起重機運行數(shù)據(jù)獲取評估點應(yīng)力時域值的方法：中國，ZL200910227828.X[P〗.2009-12-15.

[4]段興.VisualBasic6.0數(shù)據(jù)庫實用程序設(shè)計100例[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[5]徐克晉，曹俊杰.水平載荷作用下雙梁橋架內(nèi)力分析[J].太原重型機械學(xué)院學(xué)報，1992，13(2)：9-48.

[6]徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[7]郭皓，高崇仁.橋機跨中滿載起吊貨物時的瞬態(tài)動力學(xué)分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2015，36(2)：143-146.

ResearchonQuickProcessingMethodsofOperatingDataofBridgeCrane

MUGuang-jin，GAOChong-ren，HEYang-yang，F(xiàn)UDa-wei

(SchoolofMechanicalEngineering，TaiyuanUniversityofScienceandTechnology，Taiyuan030024，China)

Abstract：A method that can continuously obtain the operating data of bridge crane is presented.By using the existentoperating data of bridge crane，the structure internal force calculation formula，which is deduced from the structure mechanics，is compiled into computer program，and the operating data is processed into stress-time data fast.The comparison of the results of formula calculation with those of ANSYS validated the feasibility of the software.This method can be used to solve the problem of load data shortage of bridge crane.

Key words：bridge crane，load spectrum，structure mechanics，VB programing

收稿日期：2015-10-10

作者簡介：穆廣金(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為起重機械疲勞分析。

文章編號：1673-2057(2016)04-0313-05

中圖分類號：TH2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.013