桥式起重机运行数据快速处理方法

穆广金，高崇仁，何洋洋，付大伟

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)



桥式起重机运行数据快速处理方法

穆广金，高崇仁，何洋洋，付大伟

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

摘要：提出一种利用起重机运行数据快速获取其应力时间历程数据的方法。通过已有的起重机运行数据，利用结构力学推导出的结构内力计算公式编制成计算机程序，对其进行快速处理，以获取桥式起重机应力时间历程数据。将公式计算结果与ANSYS分析结果对比，验证软件的可行性。该方法很好的解决了桥式起重机工况载荷数据缺乏的问题。

关键词：桥式起重机；载荷谱；结构力学；VB编程

起重机的载荷谱是对起重机进行疲劳强度分析可靠性设计及寿命评估的重要依据，且编制载荷谱时依据的数据量越大，越能够反映其实际工作状态。传统的获取应力数据的方式多为贴应变片现场实测的办法[1]。首先通过有限元分析确定起重机金属结构上的危险截面及危险点，然后在危险点或者测试点上贴应变片，直接测得该点的应力时间历程数据，再结合有限元分析得出的自重载荷，统计得出危险点的载荷谱。这种方法虽然可以直接得到载荷谱，但是由于应变片寿命有限，且测点数量有限，不便于长期采集起重机应力数据，无法获得起重机金属结构全面的应力时间历程数据，在对非测点处进行疲劳分析时往往需要进行模拟仿真来获取更多的数据。这无疑为起重机的疲劳强度及寿命评估提高了成本。

由于起重机安全的重要性，我国在2012年提出了起重机安全监控管理系统标准[2]。该系统能够通过各类传感器实时地监控并记录起重机的运行状态，以保证起重机的安全运行。标准规定了该系统要求监控的各类参数，其中包括了的起重量、起升高度/下降深度、运行行程、工作时间等参数，这些参数完整的反映了起重机的工作状态。由于该系统能够连续不间断地记录起重机的这些参数，如果能够利用这些数据得到起重机应力时间历程数据，进而获取起重机的载荷谱，将能够解决起重机寿命评估及可靠性分析缺乏数据的问题。

文献[3]提出了一种利用桥式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，在该专利中提出通过软件编程实现，将起重机数据记录仪采集到的起重机运行数据处理成应力时间历程数据。但是并没有对该软件的具体实现做出说明。

下面就如何编程实现快速处理桥式起重机运行数据进行具体探讨。

1编程语言及数据存储

该软件采用VisualBasic6.0(以下简称VB6.0)编写，数据的存储则用Access数据库技术实现。

VB6.0对Access数据库的操作非常简单易学，不需要多少代码，可以方便的对数据进行查询、显示、存取、计算等操作。VB最基本的核心即是窗体[4]，用其开发窗体应用程序具有开发周期短、效率高、易于维护与升级的特点。

Access是由微软公司开发的一款关系数据库管理系统，是Office系列软件的一部分，具有独立的操作界面，同样具有简单易学的特点。将原始数据及计算结果存储在Access数据库中，用户可以独立于软件进行数据查询等操作。

2应力计算方法

根据标准要求，在运行周期内系统的采样周期不应大于100ms，数据存储时间不应少于30个连续工作日。因此根据监控系统采集到的运行数据量非常庞大，因此要求算法不能过于复杂，同时能够满足精度要求。

对起重机进行受力分析通常有两种方法，一种是有限元方法，利用计算机软件建立起重机的实体模型，并进行有限元分析。其计算精度取决于建模方式，正确的建模方式可以获得精确的应力分布结果。但是由于每次只能对一种工况进行分析，费时长，并不适用于处理大量的起重机运行数据。另一种是建立起重机的结构力学简化模型，利用结构力学推导公式计算起重机的受力情况。这种方法比较简单可靠，是各类起重机设计时通用的方法。虽然简化模型与实际情况存在一定的偏差，但误差在合理范围内，而且计算公式形式简单，适合于编制应用程序进行大量的循环计算。

桥式起重机的受力分析一般分为垂直平面和水平面两部分分别进行分析。

垂直平面内将起重机简化为简支梁进行计算，结果与实际情况差别不大。此公式较为简单，不再列出。

水平面内将起重机按照刚架结构计算，不同的起重机其结构不同，计算公式也不同，目前已有单梁及双梁桥式起重机内力计算公式[5]。由于公式较长篇幅有限，下面只列出单梁起重机内力计算公式。

对于水平面内的桥式起重机，按照刚架结构计算，根据其工况不同，外部约束情况不同。起动工况计算简图为：

图1　起动工况计算简图

制动工况计算简图为：

图2　制动工况计算简图

文献[6]已给出在一个轮压作用下轮压作用位置截面的内力，对其稍加改进，即得在两个轮压作用下任意位置截面内力：

起动工况：

(1)

(2)

轴向力：

其中：

Mp=Mp1+Mp2

FH=mqaH

I1—主梁对于y轴的惯性矩

I2—端梁对于y轴的惯性矩

aH—大车水平加速度

FH—主梁水平惯性力产生的均布载荷

PH1,PH2—电动葫芦水平方向轮压

制动工况时的弯矩及剪力与起动工况计算公式相同，只是系数r1变为：

轴向力：

(3)

以某台跨度22.5m起重量10t单梁桥式起重机为例，采用此软件计算结果与ANSYS分析结果比较，结果如下表所示：

表1　主梁弯矩计算结果对比

可以看出，两种方法计算结果相差不大，用此方法来获取编制载荷谱需要的应力数据是可行的。

计算出各截面内力后，即可根据起重机的截面参数及评估点位置计算出评估点的切应力、正应力及主应力，计算公式不再具体列出。

3软件总体设计

针对上述分析，建立桥式起重机的计算模型需要知道其结构类型，主端梁尺寸，各个梁的截面尺寸及加劲肋布置情况、司机室及电气设备自重以及小车结构尺寸和自重等。由于参数较多，仅靠文字说明难以让用户理解，因此采用窗体界面输入，可以直观的表达各个参数的含义。所有参数均存储在数据库中，便于用户在使用时直接调取，不需要重复输入，提高使用效率。

输入模块主要分为四个部分进行：

1.结构参数：主要用于输入起重机结构类型，结构尺寸，小车参数等。

2.截面参数：可以输入不同类型的截面尺寸及加劲肋布置方案，并将截面属性指定为主/端梁截面或者要分析的截面。

3.评估点数据：用于输入求解截面的位置及各个截面上评估点坐标，可以指定多个求解截面及评估点。

4.运行数据：用于指定存储运行数据的文件。

图3　数据库ER图

图4　结构参数输入界面

为了能够实现求解桥式起重机任意位置截面内力，求解截面位置及求解点位置由用户指定，且可以指定任意多个。

当用户指定计算多个截面多个评估点时，首先计算各个截面内力，针对不同截面建立不同的表，将计算结果存入其中。全部截面内力计算完毕后，再分别计算各个截面上各个评估点的应力。

图5　数据流程图

计算完各个截面的内力后，再分别计算各个截面上评估点的应力，最后所得计算结果存储在截面数据表中。

图6　内力计算流程图

4结论

主要从软件的编程语言、计算公式及总体设计等几个方面介绍了软件的设计方法。通过上述方法开发的桥式起重机运行数据快速处理软件，能够解决起重机载荷数据缺乏的问题，可以为起重机寿命评估及可靠性分析提供大量的数据。该软件具有友好的人机交互界面，用户通过窗口输入起重机各类参数，具有直观简单的特点。所有的数据均存储在ACCESS数据库中，用户可以独立于该软件对数据进行另行的处理使用，同时也便于软件的后续升级及维护。

参考文献：

[1]王爱红，徐格宁.桥式起重机随机应力谱获取及疲劳剩余寿命估算[J].机械工程学报，2012，48(18)：192-198.

[2]GB/T28264-2012.起重机械安全监控管理系统[S].

[3]高崇仁，王守信，韩玉习，等.利用桥式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法：中国，ZL200910227828.X[P〗.2009-12-15.

[4]段兴.VisualBasic6.0数据库实用程序设计100例[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[5]徐克晋，曹俊杰.水平载荷作用下双梁桥架内力分析[J].太原重型机械学院学报，1992，13(2)：9-48.

[6]徐格宁.机械装备金属结构[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7]郭皓，高崇仁.桥机跨中满载起吊货物时的瞬态动力学分析[J].太原科技大学学报，2015，36(2)：143-146.

ResearchonQuickProcessingMethodsofOperatingDataofBridgeCrane

MUGuang-jin，GAOChong-ren，HEYang-yang，FUDa-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

作者简介：穆广金(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为起重机械疲劳分析。

文章编号：1673-2057(2016)04-0313-05

中图分类号：TH2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.013