CN103874807B - 应力和/或累积损伤监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，所述土方工程设备选自挖掘机、卡车、电动绳铲、液压铲、钻机、轮式装载机和平地机，所述应力和/或累积损伤监测系统包括：多个应变仪（51-60），每个应变仪测量多个对应的应力检测位中的一个的应力；用于从所述多个应变仪采集实时应力数据的数据采集单元（41）；用于处理所述采集到的实时应力数据以计算一个或多个实际累积损伤和/或者实际即时应力的测量值的处理器和存储器；以及用于提供所述测量值与相应的参考值的比较信息的至少一个输出设备（37）。

Description

应力和/或累积损伤监测系统

技术领域

本发明涉及土方工程设备，特别涉及一种实时应力和/或累积损伤检测系统。

背景技术

在采矿业，一直在努力降低开采矿石或表土的成本。在成本计算中存在这样的衡量：使土壤或矿石采集设备以最大负荷工作和使采矿设备超负荷工作或疲劳状态工作时造成的损害的比较。矿业设备制造商通常通过给出保守的操作说明以试图保持非常低的故障率来保护自己，然而矿井经营者的兴趣在于在矿石采集和将采集每吨矿石的代价降低到最小程度时对设备的损害之间找到最经济的平衡。

制造商和第三方供应商提供了一些监测系统，这些监测系统在具有一定代表性的结构部件上设置应变仪，以提供拉铲挖土机的负载及对应的应力信息。利用这些系统，可记录由应变仪测得的应力的时间表，从而生成应力随时间段的变化报告，使得可以对不同的经营者在不同的经营状况下在一个时间段本监测点相对另一监测点产生相对多的压力/损伤的信息进行相关比较。虽然有用，这些相对信息并不能就设备有多接近断裂或在设备疲劳运转过程中造成了多大的损害提供相关建议。没有这些信息，监控系统对帮助矿井经营者和设备操作者达成其有成本效益的最大化生产，同时达成对设备的最小损害的目的作用非常有限。

根据本领域公知常识的当前状况，可以实时地、有效地指示装置是否工作在设计限值内，接近断裂的真实程度或真实的累积损伤率的监测系统并不存在。现有系统提供的相对测量会导致误差，其结果是造成频繁的假报警和假警告。

因此，需要提供一种改进的、可提供这样信息的监测系统。

通过长期的经验和研究的积累，发明人实现了通过如这里描述的仔细观察和结构分析得到应变仪的位置、校准和解释，提供了一种可出人意料地、实时地向操作者和矿井管理提供可靠的直接建议的监控系统。

发明内容

根据本发明一个广泛的方面，提供一种与土方工程设备有关的应力和/或累积损伤检测系统，其中土方工程设备可选自挖掘机、卡车、电动绳铲、液压铲、钻机、轮式装载机和平地机，所述应力和/或累积损伤检测系统包括：

多个应变仪，每个应变仪测量多个对应的应力检测位中的一个的应力；

用于接收从所述多个应变仪采集实时应力数据的数据采集单元；

用于处理采集到的实时应力数据以计算一个或多个实际累积损伤和/或实际即时应力的测量值的处理器和存储器；以及

至少一个输出设备，用于提供所述测量值与相应的参考值的比较信息。

在一实施例中，本系统应用于挖掘机，应力检测位中的至少一个设置在挖掘机的动臂或斗杆上。应力检测位包括一些在动臂和斗杆上的、能够用于最准确地预报动臂和斗杆在一系列操作模式下的应力或累积损伤的位置。应力检测位还包括一些预测会在操作过程中断裂的位置。所述至少一个输出设备包括用于将数据传送至管理人员的办公室或其他远程地点的设备，使得所述信息可从测量器被获取，所述操作状态能够被用于维修计划、员工培训、采矿计划或其他管理任务。累积损伤的测量值与其对应的参考值的对比信息通过所述至少一个输出设备呈现，从而建议或激发动臂、斗杆和主要架构所需的检查级别。累积损伤可用于定义或调整和应力检测位有关的参考值，以在早期检测出裂缝从而减少计划外停工。

在一实施例中，本系统进一步包括载荷测量仪、位置测量仪和方向测量仪中的至少一个，以用于测量由执行器导致的应力，或用于测量执行器位置或执行器方向，其中，

数据采集单元也从载荷、位置或方向测量仪采集实时载荷、位置或方向数据；

处理器和存储器也处理所述采集到的实时载荷、位置或方向，以确定设备的操作状态，以及

所述至少一个输出设备也根据确定好的操作状态提供信息。本系统应用于挖掘机时，应力检测位中的至少一个设置在挖掘机的动臂或斗杆上，并且所述操作状态包括动臂和斗杆的位置信息。根据所述确定好的操作状态提供的信息包括关于如何降低即时应力或累积损伤的测量值的程序化建议。原始数据被记录，并可被用于分析以清楚地判断事故中产生高应力或损伤的根本原因。

在一实施例中，测量值与相应的参考值的比较信息以即时应力测量值或相对于参考值的归一化的累积损伤测量值的方式呈现。

在一实施例中，应力的参考值为最大的容许应力。

在一实施例中，累积损伤的参考值是基于预设目标疲劳率计算得到的。

在一实施例中，用隐含寿命或维护周期来表达所述累积损伤的测量值和参考值的比较。

在一实施例中，当所测的其中一个即时应力超过或接近相应的参考值时，位于所述至少一个输出设备上的警报被激活。

在一实施例中，本系统应用于卡车，所述应力检测位至少有一个设置在卡车的车架上。当所测的其中一个即时应力超过或接近相应的参考值时，位于所述至少一个输出设备上的警报被激活。

在一实施例中，本系统应用于带可旋转桅杆的钻机。应力检测位包括一个或多个用于在操作员试图提升桅杆而桅杆定位销还插在位置上，或者当操作员前后急拉桅杆卷扬机液压缸以解除一定位卡销时进行检测的关键位置。

在一实施例中，本系统应用于液压挖掘机。

在一实施例中，本系统应用于带动臂和铲斗柄的电动绳铲，所述应力检测位包括动臂上的一个或多个位置。在动臂上的应力检测位可能包括可用于推断发生在铲斗柄上的侧向弯曲应力的一个或多个位置。

附图说明

图1为本发明一实施例所应用和描述的挖掘机的示意图。

图2为本发明一实施例的模块图。

图3为一日立EX3600挖掘机的动臂和斗杆的侧视示意图，其中示出了传感器的位置。

图4为本实施例所描述的挖掘机的屏幕显示装置。

图5a和图5b为本发明另一实施例所应用的卡特彼勒CAT793C或D卡车的车架的示意图，其中示出了可能发生断裂的区域。

图5c和图5d为图5a和图5b中的卡特彼勒CAT793C或D卡车的车架的示意图，其中示出了本实施例中采用的传感器的位置。

图6a和图6b为本发明又一实施例所应用的卡特彼勒CAT797B或C卡车的车架的示意图，其中示出了可能发生断裂的区域。

图6c和图6d为图6a和图6b中的卡特彼勒CAT797B或C卡车的车架的示意图，其中示出了本实施例中采用的传感器的位置。

图7a和图7b为靠近转向轴的电动绳铲的动臂的不同侧面的立体图，其中示出了传感器的位置；图7c为示出了其他传感器位置的电铲的动臂的底部视图。

图8为图7a、7b和7c的动臂的内部组件的视图，其中示出了用于推定铲斗柄由于侧向弯曲受到的压力的传感器位置。

图9为钻机的部分视图，示出了靠近桅杆的枢轴点的部分。

具体实施方式

下面将描述本发明的非限制性实施例。

实施例1-日立EX3600挖掘机

首先请参考图1，将要描述的本实施例应用于日立EX3600挖掘机。日立EX3600挖掘机包括铲斗10，斗杆11和动臂12。动臂12可旋转连接到挖掘机车体，并且被液压活塞装置15驱动。斗杆11可旋转连接在动臂12上，并且被液压活塞装置14驱动。同样地，铲斗10可旋转连接到斗杆11，并且被液压活塞装置13驱动。挖掘机车体包括设置在发动机舱22上的驾驶室21。

请同时参考图2和图3，在动臂和斗杆上分布有多个传感器30，传感器30包括压电应变仪、应力传感器和倾斜仪。应变仪52-60设置在应力检测位上，这些应力检测位是经过详细的分析（随后会进行详细描述）确定的，是用于准确估计动臂和斗杆在一系列操作模式中所承受的应力或累积损伤的最关键位置。

为了对本发明进行最佳利用，确定这些位置需要特别用心，因为这些位置的准确程度对于用于优化挖掘机的操作的、由系统实时提供的累积疲劳和/或瞬时应力的绝对测量的有效性具有很大影响。图3示出了由发明人为日立EX3600确定的关键位置，是几对应力检测位，在第三维度的左侧或右侧用短黑线表示出来。例如，应变仪51和52分别位于图中底板上，靠近动臂的左边缘和右边缘。与之相反，应变仪53和54分别位于图中动臂上部的左侧板和右侧板。位置51至54是有效的，因为它们是经过实地的、详细的分析和观察后预测到的，在普通操作模式下，这些位置点是最大应力点和裂断点。成对使用时这些应力检测位是有效的，例如分别设置在左侧和右侧的应变仪51和52，由于一对应变仪的两个个体之间的读数差异，连同应变仪55-58的不同读数，查出扭转力矩或横向弯曲，这些数据可用于提醒操作者出现载荷不均匀或冲撞，或倾斜负荷，或进一步预测其他非检测位置接近断裂的程度。位置55至58是有用的，因为详细的分析表明这些位置，虽然不至于出故障，但在预测动臂和斗杆在其他位置的应力状态是关键的，而动臂和斗杆在其他位置可能由于特定的负载情况而断裂。位置59和60联合位置55至58在预测斗杆的应力状态时是有效的。

应该认识到，每当制造者修改模型后，这些位置都会改变，因此需要对每个模型的变化进行详细分析来确认正确的位置。

请再次参考图2，传感器导线束36连接到计算设备，该计算设备40包括数据采集单元41、处理器和存储器42以及无线通信控制器43。计算设备是由标准的现成系统和/或者自定义设计的单板系统组成，简单地置于发动机舱22并由挖掘机系统提供电力，同时也包含可充电锂电池电源，以防止过多重启，例如在轮班过程中挖掘机被关闭后的重启。可触屏幕形式的输入/输出设备37位于驾驶室21，供司机使用，或者是使用在驾驶室21可看到的第三方屏幕。输出和远程编程控制由连接无线矿井数据网络45的无线通信控制器43提供，以实现和矿井管理装置46的远程数据通信。

传感器30生成电压信号，该电压信号以电流信号的形式在电流回路电路32传送，该电压信号终止于液压系统分路阀箱的共点34。

应力传感器

本实施例中用于测量液压回路的液压的应力传感器通常置于液压管路聚集的集合管附近。液压管路上的应力传感器通常在挖掘机制造时就已安置，可以选择性使用。应力数据是用于监测施加在铲斗、动臂和斗杆的扩张力和收缩力，驱使车体旋转的力，以及施加在履带上的向前/向后推动力。提供给动臂、斗杆和铲斗的净力以及向左向右的净摇摆力的计算方法如下：

净力=（扩张力-收缩力）x支撑孔面积

净摇摆力=（向右摇摆力-向左摇摆力）x支撑孔面积

应力传感器的测量范围是±10，000磅。

倾斜仪

倾斜仪71测量动臂12的倾角，倾斜仪72测量斗杆11的倾角。另一个倾斜仪73可以放置于铲斗10（铲斗未在图3示出）上，用于测量铲斗10的倾角，尽管这个参数的有用性很小。

应变仪的说明以及装配和加工

应变仪的测量范围大约是±500MPa（±2500μs），其信号调节单元的动态范围为±1000MPa（±5000μs），该信号调节单元包含抗混叠滤波器和数字滤波器，可以准确测量的频率范围高达200Hz，具有16位分辨率。决定传感器有效位置、类型以及校准系数的通道配置被指定和存储在数据库和配置文件中。由于应变仪用于计算绝对应力，所以在组装它们时需要特别为其提供适当的防水装备以使信号衰减最小化。漂移也是可以被自动检测到的，并且系统平衡和校准参数会定期更新——当挖掘机处于空闲状态时，铲斗以特定状态搁在地面，通过将应变仪校准到零，可检测到应变仪的漂移。传感器的漂移会影响强度标准，因为它给动态应变测量引入了明显的额外应力（额外的）。但传感器的漂移对于计算累积损伤的雨流算法分析没有影响。

综合传感器读数以获取信息

利用倾斜仪的读数，用三角法计算出动臂和斗杆的瞬时位置，结合液压传感器的读数，系统可推断出挖掘机的实时工作状态蓝图。当倾斜仪检测出动臂和斗杆完全伸展时，在特定的应力检测位的重要的高应力工作状态被确定。在这些应变仪中某个应变仪测出来的高应力状态与检测到的动臂和斗杆完全伸展的工作状态是完全一致的，因此处理器能够根据操作状态给操作员提供实时信息，例如，通过发出提醒或者做出适当的纠正措施，使得在不报警的情况下继续挖掘工作，最低程度降低累积损伤或不影响采矿计划。适当的纠正措施可以是，例如，当在进行双阶梯操作过程中导致了损伤并超过了应力的设定极限时，会提示司机改变操作配置，移动挖掘机使其靠近工作面，改变操作员提供给动臂执行器13和斗杆执行器14的动力。处理器和存储器42都被设定为除了输出简单的高压和/或累积疲劳警报外，还可以对一些如这样的典型状况进行响应，提供适当的、实时的建议。

数据采集和校准

电流回路传感器导线束36在多通道数据采集单元41终止，数据采集单元41被设定为每秒进行20次取样采集（达到200Hz可能会有效）。处理器使用原始数据来计算绝对应力值和累积损伤，其中还利用了一系列的校准常数、基于疲劳类别细节的一些预设值、系统在预设配置下的固定负载、以及根据系统软件需要所进行的定期校准所得的一些更新数据。这些原始数据也被保存起来作为“黑盒”资源来分析和研究各种状况，或当出现断裂时使用。因为通过所有传感器的组合可以得到任何时刻挖掘机的操作状态，所以重新显示这些原始数据能够清楚地找出导致过高应力或损伤事件的根本原因。

即时应力的测量以及与参考值的比较

如上所述，应变仪有着防水保护并且应变仪的漂移会有定期纠正。检测位置的实际应力是所测应力乘以由该检测位置上的金属（通常是钢）厚度和品位决定的杨氏模量计算得到的。这些信息如果制造商能够提供则从制造商获取，如果制造商无法提供，则由各部件的直接测量值来确定。

与应力检测位有关的最大允许张应力或最大允许压应力（或强度）的参照值可以通过下述方法计算得出：将预测的设备将断裂的位置的应力乘以一个安全系数，这个应力是应变仪自身所在位置（例如应变仪51至54所在位置）的应力或者是那些未测量但通过有限元分析（FEA）法预测的最薄弱的位置的应力。

在校准系统时，为了数据呈现的目的，处理器使用有限元分析计算归一化压应力和张应力，作为测量到的应力与最大允许张应力的比例或百分比，其中有考虑到固定配置下特定位置的恒载应力。

累积疲劳的计算以及与参照值的对比

通过一种普遍接受的疲劳分析方法，雨流分析法来估计累积损伤和疲劳寿命，用到了每个应变仪输出的数据。数字滤波法被用来过滤低于预设值（例如2MPa）的数据，以切断应力循环（拉长随后跟着收缩）。由监测液压的传感器和/或者倾斜仪决定一个挖掘周期（挖掘、回转、卸料和返回）的开始和结束，同时整个挖掘周期的累积疲劳也被计算出。每个周期的或是一个特定的时间段内的累积损伤，以及各部件（假设挖掘机可以持续工作在类似的负载周期）的预测疲劳寿命都被呈现给操作者，并且储存在存储器中供维修人员和工程师查看。本系统还结合车队管理系统的一些第三方供应模块，以提供每卡车负载周期的累积损伤。累积损伤（D）可由以下公式计算：

；

其中，n_i是（数字滤波的）应力范围为σ_i的应力周期的数量；

K=损伤因子；

m=损伤幂。

K和m的值通常是由工程技术标准指定的（m通常是3），但是当客观环境与基本假设不相符时也可能根据实际经验进行改变。

一个挖掘周期的预测损伤转换为每小时损伤来记录。

特定位置在服务时间的工作寿命（L）可被定义为：

。

预测疲劳可由以下方式进行归一化表达：

归一化疲劳=限制在服务时间的疲劳寿命（LL）/L。

基于用户的需求（生产力与机器部件的寿命期值），每个关键位置都定制有疲劳寿命的阈限值（LL）的参考值。如果归一化疲劳超过了100%，这表明疲劳比预期要快，这时系统会给司机发出警告/警报，并且超过阈值限制的传感器数量会被记录在概要信息中。

累积损伤可以用来设定检测特定部件例如动臂和斗杆的触发器，由此可以在裂纹达到临界尺寸前的早期阶段检测到裂纹的出现，从而防止工作被迫中断。例如，当累积损伤达到一个预设的阈值时，系统会触发一个操作警报，以引导对斗杆的特定位置进行检测。警报是基于已经存在的微小尺寸裂纹的增长率的预测而发出的。如果在裂纹出现的早期阶段检测出裂纹，机器就可以在维修工作到位前安全地运行一段时间，在这段时间，累积损伤被实时监测并被显示给操作者。

归一化测量数据的显示

在图4示出的是驾驶室的电脑屏幕37的输出设备的典型显示器70。显示器可以是一个独立的显示屏幕，也可以与第三方供应商或制造商的显示系统结合，其他信息显示在中央区域71。

面板72显示有一系列操作员触摸屏按钮，比如用于输入操作者ID、延迟代码（当挖掘机停止时）、以及操作者设定的挖掘模式的按钮。另外，这些信息也可以通过以太网、通信设备或是TCP/IP从第三方获得。传感器的校准可以通过触摸屏进行。在屏幕的下方有着一系列的条用来显示如上所述归一化的测量绝对值。面板74显示的是各个传感器的瞬时应力的归一化量值，面板75显示的是通过软件预测的先前挖掘周期的累积疲劳。有效载荷（铲斗中负载的重量）也可以通过多种方法计算得出。每当一归一化量值达到100%时，警示用彩色条纹83将会显示警告颜色，此时警钟可能会响。挖掘工作段中的最大应力以及轮班时的最大累积损伤也用虚线显示出来。

应力检测位的识别

本发明的最佳实施依赖于应力检测位的精确识别，因为如果识别不准确，则获取的应力和累积损伤数据将无法与有效限值进行比较。应力检测位应该包括动臂和斗杆的最关键位置，这些最关键的位置可用于准确预估动臂和斗杆在不同的操作模式下所承受的应力和累积损伤。本实施例中挖掘机的操作模式包括摆脱被卡状态模式、双阶梯模式、硬盖岩去除模式、弯曲或扭转模式。

在挖掘循环周期的任何时间，这些最关键位置都被要求可靠地确定挖掘机的工作情况，并且每个型号的挖掘机的最关键位置会不同，在具体问题具体分析的基础上，通过详细分析以确定这些变化的最关键位置。

计算机结构建模是确定最佳的应力检测位的一个重要工具。动臂、斗杆和铲斗的三维数字模型是通过直接测量各部件得到的，包括材料类型和厚度，或者是通过制造商提供的图纸和焊接参数得到的。然后该模型被用于对挖掘机使用中的一系列工作状态进行有限元分析（FEA），上述工作状态包括双阶梯、摆脱被卡状态、扭转/弯曲、地下挖掘等，使用一系列动臂和斗杆的延伸角度和位置。用于分析的载荷情况来自不同矿井点的几台挖掘机输出的大量测量数据。通过这些分析，几个作为动臂和斗杆上的敏感位置区域的关键位置可被确认，进而可以准确地测量用于预估动臂和斗杆在操作过程中所承受的应力/累积损伤所需的应力。某些应变仪位置对强度很关键，而其他应变仪位置对疲劳更重要。此外，某些应变仪位置是真实预测断裂的关键点，其他应变仪位置将是对预报发生在另一非检测位的不利应力或疲劳的关键点。设置于动臂和斗杆左右两边的应变仪与引起旋扭和弯曲的操作状态高度相关，旋扭和弯曲典型地是由于铲斗上的不均匀载荷或应力所引起的，这导致了左右两边传感器输出应力的很大不同。

通过用于确认系统准确性的有限元分析模型模仿现场观察到的真实断裂的操作经验。这些操作经验还用于直接确定某些应变仪位置。有限元分析法可以帮助准确地确定需设置应变仪的最佳位置，应变仪的最佳放置位置的误差范围为50-100mm。

实施例2—卡车

下面将介绍本发明两种实施例所应用的卡特彼勒CAT793C或D240公吨卡车和CAT797B或C360公吨卡车。

在现有的可用的卡车疲劳系统中，疲劳寿命是以所有工况（车架沿对角线侧倾+车头扬起或跌落+左右摇晃）的测量，如支柱应力的测量为基础的，并且预测的是整个车架的疲劳寿命，而不是特定区域的疲劳寿命。事实上，不同位置的疲劳寿命有着显著的不同，这是由应力幅度、应力循环次数以及焊接连接的疲劳类别细节所决定的。在特定工况下，例如车架沿对角线侧倾、车头扬起或跌落、左右摇晃以及上下颠簸，车架上的不同位置会有或多或少的损伤。用一条与车架的所有位置对应的曲线是非常保守或从某种角度来说是不保守的。

请同时参考图5a和图5b，从两个不同的角度展示了CAT793C或793D卡车的车架。经过观察，上层结构100、主轨垂直焊缝107、尾部铸件与主轨的焊缝108以及主轨与万向轴管的焊缝109这些区域是通常可看到裂纹的地方。另外，下列位置也有断裂的风险（断裂风险较低）：支撑前柱101、后横梁102、主轨103、万向轴管104、后横管105、尾部铸件106、前横梁110、保险杆111、前纵梁112、转向支承113、前支柱支架114、提升支承115、后悬架支承116以及用于杠杆控制的销孔117。

请参考图5c和5d，其中示出了CAT793C或793D卡车的车架上的应力检测位151至162。

请参考图6a和6b，从两个不同的角度展示了CAT797B或797C卡车的车架。通常在前横梁260、主轨与铸件的焊缝261、主轨与尾部铸件的焊缝263以及上层结构264这些部位最容易观察到裂纹。另外，下列位置也存在断裂的风险（断裂风险较低）：前支柱支架265、提升支承269、转向支承268、前纵梁267、保险杆266、支撑前柱270、后横梁279、主轨278、后横管277、后悬架支承276、尾部铸件275、万向轴管273、支撑后部272、以及铸件的焊缝271和图中未示的连杆。

请参考图6c和图6d，可以看到应变仪在CAT797B或797C卡车的车架上的应力检测位151至162。另外还有两个位于连杆（未图示）上的应变仪。

应力检测位

应变仪设置的位置是指上面描述的两个示例的卡车模型的应力检测位。这些位置是通过详细的有限元分析确定的，在进行有限元分析时利用了在大量测试过程中监测到的车轮支柱应力、速度以及加速度/负加速度，这些数据可用于准确估算卡车车架在一系列工况（车架沿对角线侧倾、车头扬起或跌落、左右摇晃以及上下颠簸、装载/卸货）中所承受的应力和/或者累积损伤。这些最关键位置都被要求可靠地确定车架从装载（均匀载荷/不均匀载荷）至倾倒负载以及在不同运料道路（驶离矿井、运输道路、在运输道路转弯、不平整运输道路、驶进卸料场）上所遭到的高损伤。不同类型的卡车的最关键位置都不同，需要在具体问题具体分析的基础上进行详细的分析来确定。计算机构建模型是确定最佳的应力检测位的一个重要工具。车架的三维有限元模型是通过直接测量各部件得到的，包括材料类型和厚度，或者是通过制造商提供的图纸和焊接参数得到的。然后该模型被用于对卡车车架行驶中的各种工况进行有限元分析（FEA），上述工况包括车架沿对角线侧倾、左右摇晃和/或者车头扬起或跌落、不同路面条件以及装载和卸载。用于分析用的载荷情况来自不同矿井点的几台卡车输出的大量测量数据。通过这些分析，几个作为车架上的敏感位置区域的关键位置可被确认，进而可以准确地测量用于预估车架在操作过程中所承受的应力/累积损伤所需的应力。某些应变仪位置对强度很关键，而其他应变仪对疲劳更重要。然而对于卡车来说，疲劳是主要因素。关键位置取决于车架的设计。

某些应变仪的位置靠近真实预测断裂的关键点，其他应变仪位置是对预报发生在另一非检测位的不利应力或疲劳的关键点。以Cat793C或者793D的车架为例，在特定位置的应变仪，如万向轴管与主轨的连接处109是一个断裂点，其受车架沿对角线侧倾的严重影响，而上层结构（100）则更多是受到车头扬起或跌落的影响。对于797系列卡车车架的主轨铸件焊缝处应变仪302、304、305、313来说，累积损伤受车架沿对角线侧倾和车头扬起或跌落的很大影响。对于这两种卡车模型，卸载时传感器可以放置于主轨上用于确认卸载时车尾被负载拽向地面的状态。

通过用于确认系统准确性的有限元分析模型模仿现场观察到的真实断裂的操作经验。这些操作经验还用于直接确定某些应变仪位置。有限元分析法可以帮助准确地确定需设置应变仪的最佳位置，应变仪的最佳放置位置的误差范围为30-50mm。

车轮支柱应力和提升油缸应力

车轮支柱应力提供车轮提供的支撑力以及车架在车架沿对角线侧倾、左右摇晃和车头扬起或跌落的工况下的初级评估。静止时支柱应力的变化可用于确定装载工况，就如目前制造商所做的。而提升油缸应力是用于确定卸载起始和终止的工况。

应变仪的说明，其装配和加工：

与上面挖掘机实施例中描述的类似的，应变仪被置于各种模式—装载/卸载、车架沿对角线侧倾、车头扬起或跌落和左右摇晃下最易断裂的位置。应变仪的测量范围大约是±500MPa（±2500μs），其信号调节单元的动态范围为为±1000MPa（±5000μs），该信号调节单元包含抗混叠滤波器和数字滤波器，可以准确测量的频率范围高达500Hz，具有16位分辨率。决定传感器有效位置、类型以及校准系数的通道配置被指定和存储在数据库和配置文件中。由于应变仪用于计算绝对应力，所以需要特别为其提供适当的防水装备以使信号衰减最小化。漂移也是可以被自动检测到的，并且系统平衡和校准参数会定期更新——当卡车无负载地静止在水平面时，通过将应变仪校准为零，可检测到应变仪的漂移。传感器的漂移会影响强度标准，因为传感器的漂移会给动态应变测量引入明显的额外应力（额外的）。但传感器的漂移对于计算累积损伤的雨流算法分析没有影响。

载荷测量仪

本系统还包括用于识别工况的载荷测量仪。车架沿对角线侧倾、左右摇晃和车头扬起或跌落的工况的确认是通过将车轮支柱应力以下列方式结合的。

车架沿对角线侧倾=PFR+PRL-（PFL+PRR）

车头扬起或跌落=PFR+PFL-（PRR+PRL）

左右摇晃=PFR+PRR-（PFL+PRL）

其中，

PFR=前部右手边的支柱应力（压力）

PFL=前部左手边的支柱应力（压力）

PRR=后部右手边的支柱应力（压力）

PRL=后部左手边的支柱应力（压力）

位置测量仪和加速度测量仪

GPS：卡车的速度和位置由全球定位系统（GPS）接收器监测。加速度由加速度传感器测量。

数据采集和校准

卡车实施例中数据采集硬件和数据处理与挖掘机实施例中的也类似。

数据采集单元被设定为每秒进行1250次（达到500Hz可能会有效）取样采集。处理器使用原始数据来计算绝对应力值和累积疲劳，利用一系列的校准系数、基于疲劳类别细节的一些预设值、系统预设静止无负载状态下的固定载荷、以及根据需要系统软件需要所进行的定期校准所得的一些更新数据。这些原始数据也被保存起来用于研究各种状况，或当出现断裂时使用。这些原始数据的重现可以清楚地找出任一事故中导致过高应力和错误操作的根本原因。

所测位置的实际应力是通过所测应力乘以由该检测位置上钢的级别决定的杨氏模量计算得到的。与应力检测位有关的最大允许张应力或压应力（或“强度”）的参照值可以通过下述方法计算得出：将预测的设备无法承受的应力或使设备能够正常操作的应力的最大值，或者是应变仪自身所在位置的应力，再或者是那些未测量但通过有限元分析法预测的最薄弱位置的应力，乘以一个安全系数。

为了数据呈现的目的，本系统使用有限元分析计算归一化压应力和张应力，作为测量到的应力与最大允许应力的比例或百分比，其中有考虑到处于静止无负载水平状态下的某些特定位置的恒载应力。

归一化测量数据的显示及建议

在运输过程中：当归一化应力的瞬时值超过100%，以及/或者当特定运输距离的累积损伤超过所设阈值时，显示器会发出警告。运材道路条件和载荷情况的综合效应也被考虑到。这些信息能被输出给第三方显示系统（Modular、卡特彼勒（Caterpillar）、LeicaJigJaw），以呈现给操作员。另外，当有警告发出时，这些数据和警告级别以及在运材路的具体位置还能够一起传送给中心调度系统。建议减速的次数将取决于所检测到的位置以及主要工况——车架沿对角线侧倾、车头扬起或跌落或左右摇晃，该次数可由公式来决定，该公式是基于卡车在路上的操作经验以及/或者模拟减速时应力可能受到的影响得出的。

在装载过程中：当车架装载的货物不均匀或者是载货的卡车在不平整的路面（其中一个车轮没有得到支撑）导致了车架沿对角线侧倾，从而使得阈值限制超过了100%，系统将立即通过第三方显示器向操作员发出警告，因此操作员可以调整卡车以减轻车架沿对角线侧倾程度。累积损伤的计算包括整个装载过程，即从卡车开始装货到卡车开始驶离。

在卸载过程中：当卸载过程中阈值限制超过了100%，系统将立即通过第三方显示器向操作员发出警告。传感器（应变仪）将判断是否是由于卸载时车尾被负载拽向地面（卸载时车斗被拉到地面的糟糕局面）造成的高应力，并且能够通过第三方显示器给操作员发出警告。累积损伤的计算包括整个卸载过程，即从支柱抬升车斗到车斗复位到车架上。

实施例3——电动绳铲

对于电动绳铲而言，监测系统的关键目标通常是令其动臂和铲斗柄的损伤最小化。然而监测铲斗柄是不可能的，因为铲斗柄是在动臂承座部件内滑动的。因此，在柄上安置传感器是相当困难的。通过在动臂的关键部位安置传感器，用以获得动臂所经历的疲劳值，从而克服这一困难。然后利用所得疲劳值，从FEA模型中推断在铲斗柄上所发生的损伤。使用铲斗搅拌泥土时，铲斗柄大多数的故障主要源自于其侧向弯曲。在工作（铲斗插入泥土中发生摇摆）中，铲斗柄的侧向弯曲显著导致了最常见的断裂型。

正如前面所述的挖掘机和卡车的例子，工作中，当峰值应力或者疲劳损伤在达到不同工况下电铲所能承受的极限值时，应用于电铲上的监测系统会警示操作员。

原始设备制造商（OEM）考虑到电动绳铲在挖掘过程中有摆动会损伤铲斗柄，所以在最近引进控制系统的升级中，不允许电动绳铲在挖掘过程中有摆动。铲斗柄的结构可以承受一定的侧向弯曲，但如果超过设计极限，将会遭受重大损伤。OEM的方法不允许任何的侧向弯曲，这限制了电铲的性能，同时也会对生产产生重大的影响。

现参照图7a，7b，7c和8，图中示出了P&H4100XPB电铲动臂上的推荐传感器位置，具体位置的确定是通过FEA建模所得。熟悉该模型的技术人员可以看懂那些图表，因为它们与动臂支撑铲斗柄的位置，以及铲斗柄和电动绳铲的其他部位在动臂上滑动的位置相关。

通过在关键位置405、406、407和408上安置传感器，系统可以在挖掘时提供指引，以允许挖掘时（产生倾斜负荷而导致铲斗柄的侧弯）发生一定程度的摇摆，但要在设计限制内操作，一旦峰值应力或者疲劳损伤超出铲斗柄的限制阈值便会报警。

应设置一个具有固定值的间隙。通过经常测量动臂与铲斗柄之间的间隙宽度，并将其输入系统，以改变系统的警告标准，确保手柄在设计限制内操作。详细的FEA分析已经建立了这些参数之间的关联。使用关键传感器位置405、406、407和408，使得系统能够协助机器在基于所设置的间隙和报警阈值的设计限制内进行操作。由于侧向弯曲和扭转而在铲斗柄内以及在万向轴管与铲斗柄的连接处所产生的高应力能显著降低。

当在轨道附近和/或由于铲勺撞击地面，在挖掘开始时会产生震动。这会对动臂和旋转框架结构造成显著的损害。关键传感器位置411和412能够测量动臂所经历的震动。系统能够量化该损伤度，且具有指定阈值限制的报警能够将这些事件通知操作员和管理人员。

在挖掘开始时，传感器401,402,403和404将对由于铲勺撞击地面而在转向轴区域产生的震动进行监测。

举起动臂，使用铲斗将机器顶起，假设动臂具有高应力，但没有被量化。设置有告警阈值限制的传感器位置相互组合能够用以监测和量化动臂所遭到的损伤。

除了应力测量之外的额外测量对于操作状态的决策有可能是有用的，其中，对电铲而言，这些额外测量包括对应所有动作的电机输出、操作员的参考参数、升降绳索长度以及铲斗操作手柄位置。

如果设置不是最优化，升级控制系统至数字控制系统或在数字控制系统中使用交流电机，会在整个电铲的结构中引入高震动。这些会导致钢丝绳索寿命显著降低，动臂和旋转框架开裂的可能性明显增加。利用上面所提到的系统的关键传感器和电气化输出，控制系统的设置包括所有动作的基准整形函数（斜坡函数和滤波函数），使其最优化，使得机器所经历的震动最小化和产能最大化。

系统能够协助操作员改变挖掘路径以使得生产率最大化，同时使得对动臂、铲斗柄和旋转框架的疲劳损伤最小化。

本系统可以扩展到监测旋转框架以电铲车体的关键区域。

实施例4-钻机

参考图9，其中示出了瑞德尔（Reedrill）SKSS型钻机的一部分，从中可以看出桅杆510的底部与垂直方向的夹角为30°。桅杆510以轴520为圆心在固定支架530上旋转，该旋转是通过连接到接合点550的桅杆抬升气缸（图未示）的工作实现的，而且桅杆510可锁定于垂直位置或者是相对垂直方向的各种角度，相对垂直方向的各种角度是通过将销插入桅杆锁销插板540实现的。对于应力传感器的关键位置为靠近轴的501和502，桅杆对角线上的503和504（504不可见，设置于与503相对的一侧），桅杆主弦杆上的505和506，以及固定支架的A型架的后腿上的507和508。

对于钻机来说，除了应力外的额外的测试参数包括下拉应力、用于提升/降低钻机钻臂的液压支柱应力、旋转扭矩、桅杆角度和锁定位置（锁销是否插入或取出）、以及用于识别钻机运输条件的应力。

钻机的主要断裂模式为：卷扬机液压缸附近的桅杆主弦杆开裂；A型架的后腿开裂；以及桅杆枢轴螺栓断裂。

主要断裂模式的一个常见原因是当桅杆卷扬机液压缸工作以抬起桅杆的时候，桅杆销仍然插在插板上从而使得在上述区域出现了高张力。在挖掘后当销被卡住时，操作员还可能会前后急拉卷扬机以松开被卡住的销。

当发生上述情况时，系统可发出警报以防止操作员进行上述操作，并且可估计这些部件所承受的累积损伤。

在现有技术的系统中，不会向操作员指示销是否插入与否，也不会指示当前后急拉卷扬机以释放销时产生的累积损伤。本发明系统可以量化累积损伤，也可以当累积损伤超出预设阈值限制时触发这些区域的检查，使得这些组件的开裂在早期就被检查出以防止灾难性故障。

当进行钻孔和运输等操作时的累积损伤也可以量化，但是相比上述原因导致的累积损伤，它们都是普遍偏低的。

本发明的有益效果

如上所述，本发明第一次实现了对于矿井经营者最感兴趣的参数的实时评估——当前经营的价值是多少、操作员的操作对设备造成多大的损坏以及对生产和维护成本的影响又有多少？

在说明书上面部分所述的挖掘机和卡车实施例中，能够实现的详细功能如下：

最小化动臂和斗杆的应力/累积损伤，因此减少灾难性故障的风险；

最大化生产同时在一个安全的工作环境下操作；

通过在操作员驾驶室的实时显示给予操作工指引/帮助；

根据机器的运行状态为操作提供反馈；

监控操作过程中的累积损伤；

记录操作过程中测量的综合信息并保存于数据库当中以用于结构完整性管理、维护规划和操作员培训；

基于卡车运输过程中由于车架沿对角线侧倾、左右摇晃、以及车头扬起或跌落，或者是这些情况的组合造成的累积损伤而给出降低卡车速度的反馈。装载过程中当车架应力限制由于车架沿对角线侧倾而被超出时，或者倾倒载荷过程中发生了车尾被负载拽向地面事件时，提供反馈。

记录达到500Hz的原始数据用于详细的附带调查和断裂事件的根源分析（RCA）。

针对电动绳铲和钻机的进一步的优点已经在实施例3和4的描述中进行了概述。

在涉及挖掘机的重要分析上已经展示出在研发本发明的过程中所经历的构思和试验的过程——双阶梯操作被制造商误认为造成加速损坏的原因，也更不应该将其归咎于设备故障的原因或者受到全面禁用。有限元分析表明，虽然双阶梯操作是高应力的操作过程，但是还有很多操作过程，如：地下挖掘，也会产生高损伤。本发明的监测系统能够合理的操作设备和实时反馈实际损伤，使得操作者在范围广泛的模式内可安全地使用设备。

本领域的技术人员也将认识到在不脱离本发明的范围内可以对本发明进行多种变型。

例如，虽然上述详细的有限元分析有助于最好地实施本发明，但是可确认这些位置的任何可行的方法也在本发明最大的范围内。

进一步的，虽然实施例提供的是关于液压挖掘机、卡车、电动绳铲和钻机，但是其他类似的土方设备，如液压铲、轮式装载机和平地机在应用本发明也可以得到类似的有益效果。而且可以理解的是，虽然细节可以变化，但是本发明的核心是通过工程参数的详细的应用以及应变仪位置的知情选择来实现应力和/或积累疲劳的实际值的测量。

在关于液压铲的实例中，除了在挖掘机中测量的关键位置和其他参数（支柱应力和倾斜计配置）之外，铲斗释放应力也要进行测量。关键传感器位置的设置和挖掘机相似。

在之后的权利要求以及本发明之前的描述中，除非上下文需要，否则，由于语言表达或必要的含义，文字“comprise（包括）”或其变形，比如“comprises（包括）”或“comprising（包括）”用于表达包容的意义，即为了详细说明所述提及的特征的存在而不是本发明的各种实施例的全部特征。

但是应当理解的是，本文提及的任何在先技术公开，这种提及并非是承认所述这些公开构成本领域公知常识的一部分，在澳大利亚或者其他任何国家。

本发明提述的一个前身已经在先商业化，是本发明在拉铲挖掘机上的一个早期的变体，在澳大利亚没有授权通过使用或记录出版的方式公开披露。

Claims (32)

1.一种用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，所述土方工程设备选自挖掘机、卡车、电动绳铲、液压铲、钻机、轮式装载机和平地机，其特征在于，所述应力和/或累积损伤监测系统包括：

多个应变仪，每个应变仪测量多个对应的应力检测位中的一个的应力；

用于从所述多个应变仪采集实时应力数据的数据采集单元；

用于处理所述采集到的实时应力数据以计算一个或多个实际累积损伤和/或者实际即时应力的测量值的处理器和存储器；

至少一个输出设备，用于提供所述测量值与相应的参考值的比较信息；以及

载荷测量仪、位置测量仪和方向测量仪中的至少一个，以用于测量由执行器导致的应力，或用于测量执行器位置或执行器方向；

其中，所述数据采集单元也从载荷测量仪、位置测量仪或方向测量仪采集实时载荷、位置或方向数据；

所述处理器和存储器也处理所述采集到的实时载荷、位置或方向数据，以确定设备的操作状态；以及

所述至少一个输出设备也根据所述确定好的操作状态提供信息。

2.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其应用于挖掘机，其特征在于，所述应力检测位中的至少一个设置在挖掘机的动臂或斗杆上。

3.根据权利要求2所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括动臂和斗杆上的、能够用于最准确地预报动臂和斗杆在一系列操作模式下的应力或累积损伤的位置。

4.根据权利要求2所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括一些预测会在操作过程中断裂的位置。

5.根据权利要求2所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括对于预报动臂或斗杆上另一部分的断裂或累积损伤最有用的位置。

6.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述测量值与相应的参考值的比较信息以相对于参考值的即时应力测量值或归一化的累积损伤测量值的方式呈现。

7.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力的参考值为最大的容许应力。

8.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述累积损伤的参考值是基于预设目标疲劳率或疲劳寿命计算得到的。

9.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，用隐含寿命或维护周期来表达所述累积损伤的测量值和参考值的比较。

10.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，当所测的其中一个即时应力超过或接近相应的参考值时，位于所述至少一个输出设备上的警报被激活。

11.根据权利要求1所述的用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，其应用于挖掘机，其特征在于，所述应力检测位中的至少一个设置在挖掘机的动臂或斗杆上，并且所述操作状态包括动臂和斗杆的位置信息。

12.根据权利要求11所述的用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述根据所述确定好的操作状态提供的信息包括关于如何降低即时应力或累积损伤的测量值的程序化建议。

13.根据权利要求11所述的用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述数据采集单元采集的原始数据被记录，并可被用于分析以清楚地判断事故中产生高应力或损伤的根本原因。

14.根据权利要求2所述的用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述至少一个输出设备是一个设置在挖掘机的驾驶室的显示器。

15.根据权利要求2所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述至少一个输出设备包括用于将数据传送至管理人员的办公室或其他远程地点的设备，使得所述信息可从测量器被获取，所述应力和/或累积损伤监测系统的操作状态能够被用于维修计划、员工培训、采矿计划或其他管理任务。

16.根据权利要求15所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述累积损伤的测量值与其对应的参考值的对比信息通过所述至少一个输出设备呈现，从而建议或激发动臂、斗杆和主要架构所需的检查级别。

17.根据权利要求15所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述累积损伤用于定义检查触发器，以在早期检测出裂缝从而减少计划外停工。

18.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其应用于卡车，其特征在于，所述应力检测位中的至少一个设置在卡车的车架上。

19.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括车架上的、能够用于最准确地预报车架在一系列操作模式下的应力或累积损伤的位置。

20.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括一些预测在操作中会断裂的位置。

21.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括对于预报车架上另一部分的断裂或累积损伤的最有用的位置。

22.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，当所测的其中一个即时应力超过或接近相应的参考值时，位于所述至少一个输出设备上的警报被激活。

23.根据权利要求22所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述警报包括对卡车司机的反馈，从而在运输过程中当所选定的一个或多个阈值限制被超过时，建议司机将速度降低指定的数值。

24.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述载荷测量仪包括车轮支柱应力测量仪，所述确定设备的操作状态的步骤包括判断卡车是否处于车架沿对角线侧倾、车头扬起或跌落、或者左右摇晃的状态。

25.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述实时测量仪包括一个全球定位设备，以提供卡车的位置信息，当卡车在运输道路上的同一位置上，所选定的一个或多个阈值限制频繁地被超过时，系统向管理人员提供反馈。

26.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应变仪中的一个放置于卡车的车斗，当操作状态是倾倒负载时，该应变仪在系统中用于检测车尾被负载拽向地面的状况。

27.根据权利要求18所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述至少一个输出设备包括用于将数据传送至管理人员的办公室或其他远程地点的设备，使得所述信息可从测量器被获取，所述应力和/或累积损伤监测系统的操作状态能够被用于维修计划、员工培训、采矿计划或其他管理任务；以及

所述累积损伤的测量值与其对应的参考值的对比信息通过所述至少一个输出设备呈现，从而建议或激发卡车车架所需的检查级别。

28.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其应用于钻机，所述钻机具有一可转动的桅杆。

29.根据权利要求28所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述应力检测位包括用于在操作员试图提升桅杆而桅杆定位销还插在位置上，或者当操作员前后急拉桅杆卷扬机液压缸以解除一定位卡销时进行检测的一个或多个关键位置。

30.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其应用于液压挖掘机。

31.根据权利要求1所述的应力和/或累积损伤监测系统，其应用于电动绳铲，所述电动绳铲包括动臂和铲斗柄，其特征在于，所述应力检测位包括动臂上的一个或多个位置。

32.根据权利要求31所述的应力和/或累积损伤监测系统，其特征在于，所述动臂上的应力检测位包括可用于推断发生在铲斗柄上的侧向弯曲应力的一个或多个位置。