一种起重机械车轮轴断轴预测系统及其预测方法与流程

本发明涉及一种起重机械车轮轴断轴预测系统，具体涉及一种基于车轮轴扭转角度监测的起重机械车轮轴断轴预测评估系统及其预测算法，属于工程监测与安全控制领域。

背景技术：

起重机械在工程建设上的应用越发广泛，经过技术的不断引进和创新，工程起重机产品在外观、其中性能、可靠性等方面都有较大幅度的提高。同时随着大批高起点、水平先进的工程起重机产品不断推向市场，大大提高了我国工程起重机在国际同行中的地位。中大吨位产品技术日臻成熟，并越发被国际市场认可，国家也越来越重视起重机械的安全问题。起重机械的运转离不开车轮轴的使用，车轮轴是起重机械机构运行的重要传力部件。恰恰如此起重机在长期使用过程中，车轮轴的损坏也是最严重的。目前在起重设备中，还无法快速有效的解决车轮轴损坏的提前监测问题，所以我们需要对车轮轴的使用安全性进行实时监控，在发生危险情况时能够提前预知，并且给工作人员充足的时间去解决故障问题减小安全隐患。否则工作人员只能通过肉眼和经验去感知车轮轴的使用年限和效率，给起重机械带来很大的安全隐患。

技术实现要素：

一种起重机械车轮轴断轴预测系统及其预测方法，该系统主要通过在车轮轴5的车轮侧安装一个旋转编码器，用以采集车轮轴5的车轮3一侧的旋转角度数据，称为车轮侧编码器2；在车轮轴5的动力侧安装一个旋转编码器，用以采集车轮轴5在电动机4或减速机6一侧的旋转角度数据，称为动力侧编码器1。

起重机的车轮轴5在长时间的使用过程中，会出现一定程度的扭转损害和疲劳损害，车轮轴5的有效强度计算截面积会随之减小。因此当起重机的车轮轴5出现疲劳损坏时，车轮轴5在承受相同扭矩的时候，其两端所发生的扭转角度会出现一定的增大现象，当扭转角度增大到超过一定阈值时，车轮轴5的断轴风险会急剧增大，需要提醒相关人员注意。对于已知起重机车轮轴5启动扭矩、车轮轴5长度和车轮轴5材料属性的情况下，车轮轴5动力侧和车轮3侧两截面之间的相对扭转角公式如下：

其中：t—扭矩；l—转轴长度；g—材料的相对模量；g·ip—抗扭刚度。

其中，圆截面轴的极惯性矩ip计算公式为：

当起重机启动时，采集系统实时采集两个旋转编码器的旋转角度数值，通过计算得到车轮侧编码器2与动力侧编码器1的旋转角度的差值，从而得到车轮轴在启动时扭转的角度值

针对被测起重机的车轮轴尺寸和材料特性，通过有限元建模分析，得到被测车轮轴5在开始旋转时，车轮轴5的车轮侧截面与动力侧截面产生的旋转角度合理差值。将该值乘上安全系数之后，可作为该车轮轴5的旋转角度差值的危险阈值。将系统检测到的车轮轴5实际扭转角度值与危险阈值进行比较，当实测扭转角度值大于危险阈值时，系统判定车轮轴5处于断轴危险状态下，系统会发出警报提醒用户注意。

优选地，当起重机械为新出厂设备时，我们认为此时的车轮轴5处于结构强度最优阶段，车轮轴5的扭转角度危险阈值可以通过起重机实际运行测得。

优选地，当起重机械的电气或机械属性发生变化，导致启动扭矩变化时，需重新对车轮轴5扭转角度的危险阈值进行计算和标定。

要解决的技术问题：

针对目前起重机械车轮轴5断轴情况频发，且车轮轴5运行强度大，疲劳损伤难以控制的情况。目前本领域缺少相应的自动化监测系统，只有通过记录车轮轴5的使用时间和工作强度来推算车轮轴5是否处于安全状态，具有较大的风险，容易发生误判断，无法预见车轮轴5的损伤，导致严重的生产安全事故。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种设计简单、合理并且能有效检测起重机械车轮轴5的安全状态，能够做到实时监测并提醒用户，且不影响起重机械正常使用的起重机械车轮轴5断轴预测系统及其预测方法，其主要步骤包括如下。

传感器安装步骤：通过在车轮轴5的车轮3侧安装一个旋转编码器2，与车轮3同步旋转，用以采集车轮轴5的车轮3一侧的旋转角度数据，称为车轮侧编码器2；在车轮轴5的动力侧安装一个旋转编码器，与车轮轴5的动力侧同步旋转，用以采集车轮轴5在电动机或减速机一侧的旋转角度数据，称为动力侧编码器1；

数据采集步骤：数据采集系统7通过电缆连接，可以采集得到车轮侧编码器2和动力侧编码器1传输来的旋转角度数据；

数据分析步骤：当数据采集系统7检测到动力侧编码器1发生旋转时，开始同时采集动力侧编码器1和车轮侧编码器2的旋转角度。当动力侧编码器1旋转一定角度后，车轮轴5的扭转从动力侧传递到车轮侧，此时，起重机的车轮开始旋转，车轮侧编码器2开始有旋转角度数值输出。计算此时动力侧的旋转角度与车轮侧的旋转角度的差，即可得到车轮轴5在启动时发生的扭转角度值

判断步骤：将系统检测到的车轮轴5实际扭转角度值与危险阈值进行比较，当实测扭转角度值大于危险阈值时，系统判定车轮轴5处于断轴危险状态下，系统会发出警报提醒用户注意，若否，则返回至数据分析步骤。

优选地，当起重机械为新出厂设备时，我们认为此时的车轮轴5处于结构强度最优阶段，车轮轴5的扭转角度危险阈值可以通过起重机实际运行测得。

优选地，当起重机械的电气或机械属性发生变化，导致启动扭矩变化时，需重新对车轮轴5扭转角度的危险阈值进行计算和标定。

本发明具有以下有益效果：

本发明根据实际工程的需求，提供了一种起重机械车轮轴断轴预测系统及其预测方法，可以实现对起重机械的车轮轴5的安全程度进行分析计算，实现车轮轴断轴预警的实时监测，能够有效防止车轮轴在使用过程中出现突然断裂的情况，保障设备使用和生产线安全，避免造成人员和财产损伤，利于提高起重机械设备的使用安全性。有利于从根本上改变我国现行的“定期维修”和“事后维修”体制，以逐步实现整体结构的实时安全评估。

附图说明

图1为本发明的系统安装布置图，图中：1：动力侧编码器；2：车轮侧编码器；3：车轮；4：发动机；5：车轮轴；6：减速机；7数据采集系统。

图2为本发明的工作流程图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域不同技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：结合图1，本发明在起重机械车轮轴5的车轮侧安装一个旋转编码器，用以采集车轮轴5的车轮3一侧的旋转角度数据，称为车轮侧编码器2；在车轮轴5的动力侧安装一个旋转编码器，用以采集车轮轴5在电动机4或减速机6一侧的旋转角度数据，称为动力侧编码器1。

在本实施例中，测量旋转角度的车轮侧编码器2和动力侧编码器1均选用增量型旋转编码器。增量型旋转编码器是一种旋转时能产生脉冲信号的检测原件，其脉冲信号的产生数量与旋转编码器的旋转圈数和旋转编码器的单圈分辨率有关，增量型旋转编码器的单圈分辨率确定后，即可通过采集到的脉冲数来换算确定旋转编码器的旋转角度。

结合图1和图2，本发明的工作流程如下，

步骤一：当起重机械开始运行时，起重机械的电动机4等动力系统开始运转，动力系统带动起重机的车轮轴5一起转动，此时本系统开始运行，采集旋转编码器的旋转角度。由于车轮轴5是由钢铁等材料制成，存在一定的扭转弹性，因此此时动力侧编码器1开始旋转，而车轮侧编码器2还未开始旋转。

步骤二：所述的起重机的动力系统开始运行一段时间后，由于车轮轴5的弹性作用，起重机的车轮3开始发生旋转，带动车轮3侧的旋转编码器开始转动。此时数据采集系统7记录动力侧编码器1已旋转的角度值f1，车轮侧编码器2已旋转角度值c1。

步骤三：数据采集系统7计算出车轮轴5两端编码器采集到的车轮轴所发生的扭转角度

步骤四：将系统检测到的车轮轴5扭转角度与危险阈值进行比较，当扭转角度值大于危险阈值时，系统判定车轮轴5处于断轴危险状态下，系统会发出警报提醒用户注意，若否，则在起重机械再次运行时继续执行上述检测步骤。

通过以上步骤即可完成起重机械车轮轴的断轴预测。