起重机刚度监测方法及其应用和系统与流程

本发明涉及起重机检测，尤其涉及起重机刚度监测方法及其应用和系统。

背景技术：

1、随着桥门式起重机的应用越来越广泛，起重机使用也越来越规范。其中，静刚度和动刚度是保证起重机安全工作的重要技术指标。动刚度是衡量起重机结构抗振能力的主要指标之一。随着起重机工作速度越来越快，对起重机动刚度提出了越来越高的要求，起重机的振动分析越来越重要，起重机长时间的衰减振动，即使在静应力和刚度保持在许用范围之内的情况下，起重机大梁工作性能也可能变坏。起重机动刚度过低，则振幅过大，会增加结构动应力，动刚度过高，则振动加速度过大，并对起升机构产生过大冲击。而起重机动刚度是要求控制冲击动载荷的振幅及振动的衰减时间，因此，动刚度是衡量起重机结构抗震能力的主要指标。

2、传统测量起重机动刚度的检测方法是电阻应变片和应变式加速度传感器测量方法，这些测量方法均需要在主梁悬臂根部粘贴应变片或者加速度传感器，应变片与动态应变仪连接，输出信号通过动态数据采集分析系统，按照采集数据计算起重机大梁振动频率。

3、近年来，随着电子技术的快速发展，数字近景摄影测量技术以及数字仿真技术得到了快速发展，通过有限元分析对起重机的工作情况进行仿真、分析已经成为当下热门的研究课题，而由于有限元分析的精度取决于需要对有限元模型的不断调优，而由于起重机在不同的工作场地、不同的设计要求中，其可能存在较多的不同，而这使得有限元分析模型在转用上存在难度，而随着数字式影像传感器的应用，在工业场景开辟了许多应用，如质量检测，过程测量等。影像获取的优化以及图像传感器像素提升以及各种图像算法的改进，使得图像测量精度获得极大提高，图像可测量精度小至微米大至数米量级，而其突出的优点在于远距离、非接触、高精度。

4、由于起重机大梁自振频率一般都不高，而数字图像采样速度越来越快，目前高速cmos相机可以采集每秒数千帧图像，这就使得通过采集起重机大梁振动图像判断大梁自振频率和振动幅度成为可能；因此，如何能够将有限元分析模型与数字监测技术进行结合，那么将会为起重机的刚度监测提供更为便利灵活积极现实意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施可靠、应用灵活且结果参考性佳的起重机刚度监测方法及其应用和系统。

2、为了实现上述的技术目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种起重机刚度监测方法，用于桥式起重机横梁的刚度监测，其包括：

4、s01、获取桥式起重机的部件信息，按预设条件对桥式起重机的各部件进行参数定义，建立初始有限元模型，然后代入关于桥式起重机横梁的预设刚度试验数据集至初始有限元模型中进行求解和模拟分析，以进行结果验证和分析，再根据验证、分析结果对初始有限元模型进行调优，获得用于桥式起重机横梁刚度监测的有限元模型；

5、s02、响应桥式起重机的工作启动信息，按预设条件对桥式起重机横梁上的载重小车和载重小车上布设的起吊组件，以及起吊组件所起吊的载荷进行参数监测，生成工作监测信息；

6、s03、根据工作监测信息，按预设条件记录桥式起重机的横梁在不同时间下，对应工作监测信息的响应参数，生成响应信息，同时，通过至少一个经标定的视觉传感设备以预设方向角对桥式起重机的横梁进行数据采集，以获得在不同时间下，横梁对应工作监测信息的姿态信息；

7、s04、通过有限元模型对工作监测信息和响应信息进行分析，以获得桥式起重机在对应工作监测信息下的第一刚度信息；

8、按预设条件对姿态信息进行处理，以确定桥式起重机在不同时间点下的姿态信息，然后根据姿态信息和工作监测信息，按预设方法获得桥式起重机在对应工作监测信息下的第二刚度信息；

9、s05、按预设条件输出第一刚度信息和/或第二刚度信息。

10、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案s01包括：

11、s011、获取桥式起重机的部件信息，确定桥式起重机各部件的结构尺寸、断面形状和部件材质，通过cad软件建立精确符合预设要求且对应桥式起重机的几何模型，其中，几何模型至少包括桥式起重机的横梁、支撑横梁两端的支撑架，以及载重小车、连接在载重小车上的起吊机构；

12、s012、根据桥式起重机的部件材质对几何模型中的各部件进行材质属性定义，所述材质属性至少包括弹性模量、泊松比、密度、屈服强度中的一项以上；

13、s013、在几何模型中确定各部件的载荷作用点、支承点和连接区域，然后对几何模型进行网格划分，生成有限元网络；

14、s014、对几何模型进行边界条件约束和对各部件的自重进行定义，以限制载重小车的滑动接触、移动范围、起吊机构的起吊载荷、以及各部件的固定点，完成初始有限元模型的建立；

15、s015、代入关于桥式起重机横梁的预设刚度试验数据集至初始有限元模型中进行求解和模拟分析，以进行结果验证和分析，再根据验证、分析结果对初始有限元模型进行调优，以使初始有限元模型所的结果符合预设精度要求，获得用于桥式起重机横梁刚度监测的有限元模型。

16、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案s015在模拟分析中，还建立关于载重小车在桥式起重机的横梁上进行移动的运动方程，以表示载重小车在不同状态时，桥式起重机的横梁对应的动力学行为，其包括：

17、将横梁定义为两端在两个支点上简支的梁，将设于横梁上且可沿横梁长度方向移动的载重小车定义为移动负载，建立载重小车在横梁上移动的运动微分方程，其公式如下：

18、

19、其中，m为横梁的等效质量，是横梁质点的加速度，其表示横梁受到动态载荷作用时，质点的加速度，c是阻尼相关系数，其表示桥式起重机的系统阻尼力，是横梁质点的速度，其表示横梁受到动态载荷作用时，质点的速度，k是横梁的弹性系数，其与横梁的静刚度直接相关，u(t)是横梁受力后的位移，p(t)是随时间变化的外力，其表示为由载重小车在横梁上移动而引起的动态载荷；

20、另外，在静刚度状态下时，载重小车为静止状态，p(t)为常数或零；

21、在动刚度状态下时，载重小车为移动状态，其引起的载荷呈动态形式，使得p(t)为变化量。

22、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案s02包括：

23、响应桥式起重机的工作启动信息，对桥式起重机的控制器所发出的控制指令进行监测，同时，实时监测桥式起重机横梁上的载重小车和载重小车上布设的起吊组件的工作参数，同时，还监测起吊组件所起吊的载荷进行工作参数，生成工作监测信息；

24、其中，所述工作监测信息包括桥式起重机横梁上的载重小车在横梁上的位置、移动速度、加速度中的一项以上，载重小车上布设的起吊组件的起吊速度、加速度、起吊高度中的一项以上，以及起吊组件所起吊的载荷。

25、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案s03包括可并行的如下步骤：

26、a03、根据工作监测信息，按预设条件记录桥式起重机的横梁在不同时间下，对应工作监测信息的响应参数，生成响应信息；

27、b03、根据工作监测信息，通过至少一个经标定的视觉传感设备以预设方向角对桥式起重机的横梁进行数据采集，以获得在不同时间下，横梁对应工作监测信息的姿态信息；

28、其中，所述桥式起重机的横梁上间隔部署有多个应变式加速度传感器和多个应变式位移传感器，所述应变式加速度传感器、应变式位移传感器分别用于采集横梁在载重小车在横梁上移动或静止时，横梁上布设应变式加速度传感器、应变式位移传感器的所在位置对应的振动信息或位移信息；

29、另外，所述的视觉传感设备为影像摄取单元或激光雷达单元，所述视觉传感设备部署在桥式起重机的工作场地中，其视觉摄取端朝向桥式起重机的横梁且将横梁均囊括在视觉摄取范围内。

30、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案a03包括：

31、a031、获取工作监测信息，当其指向载重小车和/或起吊组件处于工作状态时，通过桥式起重机的横梁上部署的应变式加速度传感器、应变式位移传感器进行实时采集桥式起重机的横梁对载重小车和/或起吊组件处于工作状态时的响应参数，生成响应信息，所述响应参数包括在应变式加速度传感器、应变式位移传感器部署位置的横梁区域受力而发生的振动或位移的参数；

32、a032、根据工作监测信息，确定载重小车、起吊组件在不同时间区间下的工作状态，且对其进行工作状态标注；

33、a033、按时间序列，将响应信息与工作监测信息及其对应的工作状态标注进行关联。

34、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案b03包括：

35、b031、获取工作监测信息，当其指向载重小车和/或起吊组件处于工作状态时，通过至少一个经标定的视觉传感设备以预设方向角对桥式起重机的横梁进行数据采集，以获得在不同时间下，横梁对应工作监测信息的姿态信息，其中采集频率不低于50次/秒；

36、其中，所述的视觉传感设备为影像摄取单元，其标定方法包括：

37、c01、在桥式起重机的工作场地中部署多个视觉传感设备，令桥式起重机的横梁均位于多个视觉传感设备的视觉摄取范围内，且至少一视觉传感设备与横梁处于同一高度，其视觉摄取方向垂直于横梁，同时，记录多个视觉传感设备在工作场地中的位置信息；

38、c02、在起吊组件为无悬吊转运物的情况下，通过载重小车将其平移至横梁对应的其中一支撑架所在位置；然后在桥式起重机的横梁上选择至少一个参照特征，且记录参照特征在横梁上的实际位置，再令至少一个视觉传感设备的视觉摄取范围中部与参照特征对应，继而再对视觉传感设备进行视觉摄取清晰度调整和影像摄取，获得影像数据；

39、c03、根据影像数据，确定参照特征在影像数据中的位置、尺寸，然后结合视觉传感设备的位置信息以及参照特征在横梁上的实际位置，确定视觉传感设备与参照特征之间的角度关系和尺寸比例关系，完成视觉传感设备的标定。

40、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案s04包括可并行的如下步骤：

41、a04、通过有限元模型对按时间序列关联的工作监测信息和响应信息进行分析，以获得桥式起重机在对应工作监测信息下的第一刚度信息；

42、b04、按预设条件对姿态信息进行处理，以确定桥式起重机在不同时间点下的姿态信息，然后根据姿态信息和工作监测信息，按预设方法获得桥式起重机在对应工作监测信息下的第二刚度信息；

43、其中，b04具体包括：

44、b041、获取姿态信息，根据视觉传感设备的采集频率，将姿态信息分割成以时间序列排布的若干姿态图像帧；

45、b042、对姿态图像帧中的桥式起重机的横梁进行轮廓定位，获得桥式起重机的横梁在姿态图像帧对应时间点的轮廓信息；

46、b043、获取工作监测信息，根据工作监测信息确定载重小车、起吊组件在不同时间区间下的工作状态，且对其进行工作状态标注，并将其关联到工作监测信息的时间序列中，以确定姿态信息中，对应为静刚度的时间区间和动刚度的时间区间；

47、b044、

48、(1)静刚度数据确定

49、根据静刚度对应的时间区间，结合工作监测信息，确定载重小车在横梁上的位置信息，以及起吊组件的载荷，然后在静刚度对应的时间区间中提取至少一帧以上姿态图像帧对应的横梁的轮廓信息，将其与预置的载重小车在横梁上的相同位置下，且起吊组件为空载时的轮廓信息进行对比计算，获得横梁上对应位置在承受载荷后的位移形变量，以确定横梁在对应工作监测信息下的静刚度数据；

50、(2)动刚度数据确定

51、根据动刚度对应的时间区间，结合工作监测信息，确定载重小车在横梁上的位置信息、速度及加速度，以及起吊组件的载荷，然后在动刚度对应的时间区间中提取多帧姿态图像帧对应的横梁的轮廓信息，多帧姿态图像帧覆盖横梁受动载荷而发生往复振动的不同轮廓信息，然后从中提取至少一个振动周期的姿态图像帧，根据一个振动周期中首尾姿态图像帧的时间差，确定横梁受对应工作监测信息下的动态荷而发生的振动周期数据或振动频率数据，然后进一步从多帧姿态图像帧对应的轮廓信息中，确定出横梁受动态荷而发生的最大振幅，将其与振动周期数据或振动频率数据汇集后，作为动刚度数据；

52、b045、将b044所确定的静刚度数据和/或动刚度数据作为第二刚度数据输出；

53、s05包括：获取第一刚度信息、第二刚度信息，当第一刚度信息和第二刚度信息偏离小于预设值时，以第一刚度信息作为主参考信息输出，当第一刚度信息和第二刚度信息偏离大于等于预设值时，将第一刚度信息和第二刚度信息一并输出，且分别标记其分析来源。

54、基于上述，本发明还提供一种起重机安全监测方法，其应用有上述所述的起重机刚度监测方法。

55、基于上述，本发明还提供一种起重机刚度监测系统，其加载有上述所述的起重机刚度监测方法，其包括：

56、模型构建单元，用于获取桥式起重机的部件信息，按预设条件对桥式起重机的各部件进行参数定义，建立初始有限元模型，然后代入关于桥式起重机横梁的预设刚度试验数据集至初始有限元模型中进行求解和模拟分析，以进行结果验证和分析，再根据验证、分析结果对初始有限元模型进行调优，获得用于桥式起重机横梁刚度监测的有限元模型；

57、工作监测单元，用于响应桥式起重机的工作启动信息，按预设条件对桥式起重机横梁上的载重小车和载重小车上布设的起吊组件，以及起吊组件所起吊的载荷进行参数监测，生成工作监测信息；

58、信息采集单元，包括应变式加速度传感器、应变式位移传感器和视觉传感设备，所述变式加速度传感器、应变式位移传感器均为多个且部署在横梁上，所述信息采集单元用于根据工作监测信息，按预设条件通过应变式加速度传感器、应变式位移传感器记录桥式起重机的横梁在不同时间下，对应工作监测信息的响应参数，生成响应信息；所述视觉传感设备为多个且均部署在起重机的工作场地中，所述信息采集单元还用于根据工作监测信息，通过至少一个经标定的视觉传感设备以预设方向角对桥式起重机的横梁进行数据采集，以获得在不同时间下，横梁对应工作监测信息的姿态信息；

59、模型调用单元，通过有限元模型对工作监测信息和响应信息进行分析，以获得桥式起重机在对应工作监测信息下的第一刚度信息；

60、数据处理单元，按预设条件对姿态信息进行处理，以确定桥式起重机在不同时间点下的姿态信息，然后根据姿态信息和工作监测信息，按预设方法获得桥式起重机在对应工作监测信息下的第二刚度信息；

61、数据输出单元，按预设条件输出第一刚度信息和/或第二刚度信息。

62、采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案所构建的有限元分析模型作为桥式起重机工作分析的重要部分，通过对其进行定义后，输入桥式起重机的工作参数和部件的信息参数等参数后，能够为桥式起重机的工作情况进行评估，以令管理人员或操作人员获知桥式起重机横梁的刚度情况，而由于在桥式起重机长期工作后，有限元模型对桥式起重机的零部件的记录参数相对较为固定，而对其进行参数调优时，又需要耗费大量时间和数据进行验证，因此，本方案进一步引入了视觉传感设备作为补充，通过视觉传感设备的刚度评估信息，为有限元模型的刚度评估信息提供对照，在二者具有较大差异时，再通过人工方式或其他方式进行判断评估二者之间的可靠度，当有限元模型的可靠性下降时，则可以对其进行启动调优；以实现有限元模型的可靠性维持；同时，采用视觉传感设备结合预设计算处理方法进行估测横梁的刚度情况，其不仅无需在横梁上部署复杂的传感器件，而且成本低，适用性广。