估计提升构件中的疲劳的系统和方法与流程

本发明涉及估计提升构件中的疲劳的系统和方法。特别地，本发明涉及但不限于估计挖掘机臂中的疲劳的系统和方法。

背景技术：

本文对背景技术的参考不应当被解读为承认这样的技术构成澳大利亚或其他地方的公知常识。

当前，应变计被用于在挖掘机臂中的点处测量张力。来自应变计的测量转而允许计算挖掘机臂中的点处的应力和预期的疲劳寿命。

应变计通常通过粘合剂附接到挖掘机臂。然而，由于挖掘机环境相当严酷，所以应变计和其关联的缆线经常会出故障或从挖掘机离开原位。这可能会使安全问题出现，原因是没有测量和/或记录由挖掘机臂经历的应力。这还导致高估挖掘机臂中的点的疲劳寿命。

此外，由于应变计可以例如被改装到挖掘机臂，所以使应变计准确地发挥功能所需的特定安装定向造成使用应变计测量挖掘机臂内的应变的不方便。

发明目的

本发明的目的是提供一种估计提升构件中的疲劳的系统和方法，其克服或改善上述缺点或问题中的一个或多个，或者至少提供有用的替代方案。

根据下面的描述，本发明的其他优选目的将变得明了。

技术实现要素：

在一个形式中，尽管未必是仅有或最宽的形式，本发明在于一种估计提升构件中的疲劳的系统，所述系统包括：

第一传感器，其配置为测量与油缸(ram)相关的第一负荷，所述油缸连接到所述提升构件；以及

计算装置，所述计算装置配置为：

基于所述第一负荷确定致动器负荷；

基于所述致动器负荷确定第一力；

基于所述第一力估计疲劳寿命的单位(unit)；以及

基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值来估计提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数(fraction)。

优选地，所述提升构件包括挖掘机臂和铲斗。优选地，所述挖掘机臂包括吊杆和斗杆。优选地，所述油缸连接在所述吊杆和驾驶室平台之间。在替代形式中，所述油缸连接在所述吊杆和所述斗杆之间。在其他替代形式中，油缸构件连接在所述斗杆和所述铲斗之间。

优选地，与所述油缸相关的致动器负荷呈压力的形式。

优选地，所述系统包括第一相关传感器。优选地，所述第一相关传感器配置为测量与所述油缸关联的第一相关负荷。优选地，所述第一相关负荷呈压力的形式。

优选地，所述致动器负荷呈第一传感器测量的第一负荷和第一相关传感器测量的第一相关负荷之间的压力差的形式。替代地，所述致动器负荷呈第一负荷的形式。

优选地，与所述油缸相关的压力被传递到油缸的轴以提供对其的致动。优选地，所述油缸是液压油缸。

优选地，所述计算装置通过将第一常数应用到致动器负荷而基于致动器负荷估计第一力。优选地，所述第一常数呈致动器负荷在其上被传递的面积的形式。优选地，致动器负荷在其上被传递的面积是油缸中的活塞要对其提供致动的面积。

优选地，所述计算装置借助疲劳关系基于第一力估计疲劳寿命的单位。优选地，所述计算装置通过确定第一力的循环效果并将循环效果除以临界损坏因子来基于第一力估计疲劳寿命的单位。优选地，所述临界损坏因子呈由于第一力的估计的疲劳故障之前的循环的形式。

优选地，所述计算装置通过将疲劳寿命调整应用到疲劳寿命的单位来估计提升构件的一部分所消耗的疲劳寿命的分数。优选地，所述疲劳寿命调整值是基于所述第一力将疲劳寿命的单位调整到在提升构件的一部分中估计的疲劳寿命的单位的估计值。

优选地，所述疲劳寿命调整值调整用于计算疲劳寿命的单位的疲劳关系以便估计在提升构件的一部分中的疲劳寿命的单位。优选地，所述疲劳寿命调整值说明几何关系、材料特性、残留应力、装载方向和/或温度。

优选地，所述疲劳寿命调整值包括与对应的因子的关系。优选地，所述对应的因子是提升构件的一部分中的估计的应力与基于致动器负荷的力的比率。在其他形式中，所述计算装置通过将疲劳寿命调整值直接应用到所述力来估计提升构件的一部分所消耗的疲劳寿命的分数。优选地，在该其他形式中，所述疲劳寿命调整值呈所述对应的因子的形式。

优选地，所述计算装置配置为：

基于其他第一负荷和/或其他第一相关负荷确定其他致动器负荷；

基于所述其他致动器负荷确定其他力；

基于所述其他力估计疲劳寿命的单位；

基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值来估计所述提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数。

优选地，所述计算装置配置为将所述第一力和所述其他力限定为峰值力和谷值力的序列。一般，所述峰值力和谷值力包括不同力大小的力。优选地，所述峰值力呈张力的形式。优选地，所述谷值力呈压缩力的形式。

优选地，所述计算装置配置为计数力大小基本上相等的峰值力和谷值力的循环的数量和/或半循环的数量。

优选地，所述计算装置配置为：

将循环的数量和/或半循环的数量乘以它们的基本上相等的力大小以形成力-循环值；

将力-循环值除以它们的相应的临界损坏值以形成疲劳寿命的单位；以及

将疲劳寿命的单位求和并且应用疲劳寿命调整值以估计提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数。

优选地，由于相应的基本上相等的力大小中的每一个，所述相应的临界损坏因子呈估计的疲劳故障之前的循环的形式。

优选地，在将疲劳寿命的单位求和并且应用疲劳寿命调整值以估计提升构件的一部分所消耗的疲劳寿命的分数时，所述计算装置配置为排除低于持久极限的疲劳寿命的单位。优选地，所述持久极限呈值的形式，在所述值处提升构件的一部分就疲劳来说基本不受所述第一力和/或所述其他力的影响。

优选地，计算装置配置为在提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数达到临界累计损坏值时触发警报。

在另一形式中，本发明在于估计提升构件中的疲劳的方法，所述方法包括下列步骤：

确定与油缸相关的致动器负荷，所述油缸与所述提升构件相关联；

基于所述致动器负荷确定第一力；

基于所述第一力估计疲劳寿命的单位；以及

基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值来估计所述提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数。

优选地，确定与油缸相关的致动器负荷的步骤包括测量第一压力。优选地，确定与油缸相关的致动器负荷的步骤包括测量第一相关压力。优选地，确定与油缸相关的致动器负荷的步骤包括限定所述第一压力和所述第一相关压力之间的压力差。

优选地，基于致动器负荷估计第一力的步骤包括应用第一常数。优选地，所述第一常数呈致动器负荷在其上被传递的面积的形式。优选地，致动器负荷在其上被传递的面积是油缸中的活塞要对其提供致动的面积。

优选地，基于第一力估计疲劳寿命的单位的步骤包括应用疲劳关系。优选地，基于第一力估计疲劳寿命的单位的步骤包括确定第一力的循环效果并将循环效果除以临界损坏因子。优选地，所述临界损坏因子呈由于第一力的估计的疲劳之前的循环的形式。

优选地，基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值估计提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数的步骤包括将疲劳寿命调整应用到疲劳寿命的单位。优选地，所述疲劳寿命调整值是基于所述第一力将疲劳寿命的单位调整到在提升构件的一部分中估计的疲劳寿命的单位的估计值。

优选地，所述疲劳寿命调整值说明几何关系、材料特性、残留应力、装载方向和/或温度。优选地，所述疲劳寿命调整值调整用于计算疲劳寿命的单位的疲劳关系以便估计在提升构件的一部分中的疲劳寿命的单位。

优选地，所述疲劳寿命调整值包括与对应的因子的关系。优选地，所述对应的因子是提升构件的一部分中的估计的应力与基于致动器负荷的力的比率。在其他形式中，基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值估计提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数的步骤包括将疲劳寿命调整值直接应用到所述力。优选地，在该其他形式中，所述疲劳寿命调整值呈所述对应的因子的形式。

优选地，所述方法进一步包括下列步骤：

基于其他第一负荷和/或其他第一相关负荷确定其他致动器负荷；

基于所述其他致动器负荷确定其他力；

基于所述其他力估计疲劳寿命的单位；

基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值来估计所述提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数。

优选地，基于所述其他力估计疲劳寿命的单位的步骤包括将所述第一力和所述其他力限定为峰值力和谷值力的序列。一般，所述峰值力和谷值力包括不同力大小的力。优选地，所述峰值力呈张力的形式。优选地，所述谷值力呈压缩力的形式。

优选地，基于所述其他力估计疲劳寿命的单位的步骤包括计数力大小基本上相等的峰值力和谷值力的循环的数量和/或半循环的数量。

优选地，基于所述其他力估计疲劳寿命的单位的步骤包括：

将循环的数量和/或半循环的数量乘以它们的基本上相等的力大小以形成力-循环值；以及

将力-循环值除以它们的相应的临界损坏值以形成疲劳寿命的单位。

优选地，由于相应的基本上相等的力大小的每一个，所述相应的临界损坏因子呈估计的疲劳故障之前的循环的形式。

优选地，基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值估计提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数的步骤包括将疲劳寿命的单位求和并且应用疲劳寿命调整值。

优选地，所述方法进一步包括在提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数达到临界累计损坏值时触发警报的步骤。

根据下面的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得明了。

附图说明

仅通过举例的方式，下面将参考附图更全面地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示意了根据本发明的实施例的估计提升构件中的疲劳的系统；

图2示意了参考图1的估计提升构件中的疲劳的方法的流程图；以及

图3示意了图2中概括的估计提升构件中的疲劳的方法的一部分的流程图。

具体实施方式

图1示意了装配到呈挖掘机200形式的提升设备的根据本发明的实施例的估计提升构件中的疲劳的系统100。将可以理解系统100可以装配到包括反铲挖土机(backhoe)或吊车的其他提升设备。

挖掘机200包括驾驶室210、驾驶室平台220和呈挖掘机臂和铲斗230形式的提升构件。挖掘机臂包括各种构件，包括斗杆240和吊杆250。吊杆250枢转地连接到驾驶室平台220。吊杆250还枢转地连接到斗杆240，斗杆240枢转地连接到铲斗230。

挖掘机200包括与斗杆240相关联的油缸244。挖掘机200还包括与吊杆250相关联的油缸254。此外，油缸224位于驾驶室平台220和吊杆250之间。将可以理解，油缸224还与吊杆250相关联，并且类似地，油缸254与斗杆240相关联。

系统100包括呈压力传感器110a、110b形式的第一传感器和第一相关传感器。所述系统还包括计算装置120和警报。压力传感器110a、110b和警报与计算装置120通信。将可以理解，压力传感器110a、110b和警报可以与计算装置120有线或无线通信。

在该实施例中，压力传感器110a、110b通过液压软管(未示出)连接到油缸224以测量油缸224中活塞的两侧呈压力形式的第一负荷和第一相关负荷。本领域技术人员还将可以理解，压力传感器110a、110b可以分别连接到油缸254、244，以测量这些油缸的相关压力从而实施本发明。

计算装置120安装在驾驶室210中。计算装置120配置为从压力传感器110a、110b接收第一负荷和第一相关负荷(即，压力)并且确定致动器负荷。也就是说，在该实施例中，致动器负荷呈第一传感器110a测量的第一负荷和第一相关传感器110b测量的第一相关负荷之间的压力差的形式。本领域技术人员将可以理解，如果连接到第一相关传感器110b的液压软管中的压力保持基本恒定，则可以单独使用传感器110a测量致动器负荷。

计算装置120基于致动器负荷估计第一力。计算装置120通过将第一常数应用到致动器负荷来估计第一力。所述第一常数呈在油缸224中致动器负荷在其上被传递的面积的形式。该面积被当作油缸224的致动器负荷被施加到油缸224的活塞以提供对其致动的地方。

鉴于以上所述，还将可以理解，计算装置120配置为基于分别由第一传感器110a和第一相关传感器110b测量的其他第一负荷和/或其他第一相关负荷来确定其他致动负荷。据此，计算装置120配置为基于其他致动负荷在一段时间内确定其他力。本领域技术人员将可以理解，所述第一力和其他力一般具有不同的大小。计算装置120还在一段时间内记录所述第一力和其他力用于疲劳寿命的计算，这在下面概述。

计算装置120配置为估计提升构件(即，挖掘机臂)的总疲劳寿命的分数。也就是说，计算装置120配置为基于所述第一力和/或其他力来估计疲劳寿命的单位。在此之后，计算装置120配置为基于疲劳寿命的单位和疲劳寿命调整值来估计提升部分的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数。

为了估计疲劳寿命的单位，计算装置120配置为将所述第一力和/或所述其他力限定为峰值力和谷值力的序列。这些峰值力和谷值力分别表示张力和压缩力，并且考虑到归因于不同的工作状态的油缸224中的负荷变化，它们一般具有不同的大小。将可以理解，在其他实施例中可以例如使用应变滞回能量而不限定上面的峰值力和谷值力。这将取决于用于导出下面讨论的疲劳寿命的单位的疲劳关系。

在上述之后，计算装置120配置为计数力大小基本上相等的峰值力和谷值力的循环的数量和/或半循环的数量。计算装置然后将循环的数量和/或半循环的数量乘以它们的基本上相等的力大小以形成力-循环值。这些力-循环值然后除以它们的相应的临界损坏值以形成疲劳寿命的单位。所述临界损坏值表示在归因于每个相应的相等的力大小的估计的疲劳故障之前的循环。例如，具有10kn的大小的力可以在100个重复循环之后导致疲劳。

为了估计挖掘机臂的部分所消耗的总疲劳寿命的分数，计算装置120将疲劳寿命的单位求和并且应用疲劳寿命调整值。所述疲劳寿命调整值是估计值，所述估计值基于所述第一力和/或其他力将疲劳寿命的单位调整到在提升构件的一部分中估计的疲劳寿命的单位。就这一点而言，将可以理解，疲劳寿命调整值调整用于借助第一力导出疲劳寿命的单位的任何疲劳关系(例如，miner准则、帕里斯定律、科芬曼森(coffinmanson)关系等)，以使得可以估计提升构件的一部分中疲劳寿命的单位。

在下面考虑图2更详细地概述估计挖掘机臂(即，提升构件)中的疲劳的方法。

计算装置120还配置为在提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数达到临界累计损坏值时触发警报。在该实施例中，警报是视觉和可听的。

图2示意了估计参考图1的挖掘机臂中的疲劳的方法1000。

在步骤1100，压力传感器110a、110b分别测量与油缸224相关联的呈第一压力和第一相关压力形式的负荷。所述压力传感器110a、110b测量油缸224中活塞两侧的压力。测量的压力被传送到计算装置120并且由计算装置120接收。

在步骤1200，计算装置120基于所述第一压力和所述第一相关压力确定致动器负荷。也就是说，计算装置120通过从所述第一压力减去第一相关压力来确定所述压力和所述第一相关压力之间的压力差。所述压力差形成致动器负荷。

在步骤1300，计算装置120基于致动器负荷估计第一力。基于致动器负荷估计第一力的步骤包括将第一常数应用到致动器负荷。所述第一常数呈在油缸224中致动器负荷在其上被传递的面积的形式。也就是说，在该实施例中，油缸224的负荷在其上被传递的面积被当作致动器负荷(即，压力)被传输以提供对其的致动的油缸224中活塞的面积。

在步骤1400，由计算装置120记录挖掘机臂的一部分中的第一力。

鉴于以上所述，将可以理解，可以重复步骤1100至1400以便确定与油缸相关的其他致动器负荷；并且基于所述其他致动器负荷估计其他力。这些其他力也由计算装置120记录。考虑到归因于不同的工作状态的油缸224中的负荷变化，所述第一力和其他力一般具有不同的大小。

为此，当所述第一力可以在用于估计提升构件中的疲劳的剩余步骤中使用时，由于提升构件不太可能在一个疲劳循环之后出故障，所以一般地，所述第一力连同所述其他力将被用于估计提升构件中的疲劳。因此，下面用于估计疲劳寿命的剩余步骤基于所述第一力和所述其他力。

在步骤1500，计算装置120基于所述第一力和其他力来估计疲劳寿命的单位。在图3中进一步概述基于所述第一力和其他力来估计疲劳寿命的单位。

在步骤1510，计算装置120将所述第一力和/或所述其他力限定为峰值力和谷值力的序列。如上所述，所述峰值力和谷值力分别表示张力和压缩力。另外，因为它们与所述第一力和所述其他力相互关联，考虑到归因于不同工作状态的油缸224中的负荷变化，则它们一般具有不同的大小。

在步骤1520，计算装置120随后计数大小基本上相等的峰值力和谷值力的循环的数量和/或半循环的数量。也就是说，计算装置确定相等大小的力已经在循环和/或半循环中重复的次数的量。本领域技术人员将可以理解，提升构件在使用中遭受循环装载。

在步骤1530，计算装置120将循环的数量和/或半循环的数量乘以它们的基本上相等的力大小以形成力-循环值。

在步骤1540，计算装置随后将力-循环值除以临界损坏值以形成疲劳寿命的单位。临界损坏值表示归因于重复的相等大小的力，疲劳估计何时会发生。

在步骤1600，计算装置120将疲劳寿命的单位求和并且应用疲劳寿命调整值以估计用于挖掘机臂(即，提升构件)的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数。计算装置120配置为排除低于持久极限(endurancelimit)的疲劳寿命的单位。低于持久极限的疲劳寿命的单位基本上对总疲劳寿命的分数没有贡献，并且因此可以被排除以便提高准确性。将可以理解，总疲劳寿命是何时提升构件将会因疲劳而出故障的估计。

所述疲劳寿命调整值是基于所述第一力将疲劳寿命的单位调整到在提升构件的一部分中估计的疲劳寿命的单位的估计值。所述疲劳寿命调整值因此说明几何关系、材料特性、残留应力、装载方向和/或温度。就这一点而言，将可以理解，疲劳寿命调整值调整用于借助第一力导出疲劳寿命的单位的任何疲劳关系(例如，miner准则、帕里斯定律、科芬曼森(coffinmanson)关系等)，以使得可以估计提升构件的一部分中疲劳寿命的单位。

为此，在其他形式中，本领域技术人员将可以理解，在计算疲劳寿命的单位时，例如可以将疲劳寿命调整值应用到所述第一力和/或其他力。在该其他形式中，疲劳寿命调整值包括与对应的因子的关系，所述对应的因子呈在提升构件的一部分中的估计的应力和基于致动器负荷的力的比率的形式。

在步骤1700，响应于估计提升构件的一部分所消耗的总疲劳寿命的分数为预定值或高于预定值，所述计算装置向用户传送警报。该警报指示提升构件被预期为由于疲劳很快会出故障。

系统100和方法1000在现有技术之上提供了多种优点。与通过粘合方式结合到挖掘机臂的应变计相比，压力传感器110a、110b到油缸224的连接较不可能出故障。因此，由于压力传感器110的连接更适于挖掘机环境，所以与应变计相比，系统100和方法1000提供了估计挖掘机臂中的负荷的更可靠的过程。

此外，由于压力传感器110容易连接到油缸224或油缸224的流体管线，所以系统100能够容易改装到挖掘机200，并且与应变计不同，其不需要特定定向来准确地发挥功能。

系统100和方法1000还允许实质上准确地估计包括挖掘机臂和铲斗230的提升构件的疲劳寿命。系统100和方法1000借助对疲劳寿命调整值的使用应用实质上直接的估计疲劳寿命的方法，其通过例如避免提升构件内的应力或应变的计算来改进处理时间。

另外，借助从计算装置120的通信，在需要预防性维护时可以将警报传输到用户。就这一点而言，由于基本上避免了意外的挖掘机臂故障，所以增加了生产率。

在本说明书中，诸如第一和第二、左和右、顶部和底部等的形容词可以仅用于将一个元件或动作与另一个元件或动作区分开而不一定要求或暗示任何实际上这样的关系或顺序。在上下文允许的情况下，提及整数或部件或步骤(等)不应当被解读为仅限于所述整体、部件或步骤中的一个，而是可以是所述整体、部件或步骤等中的一个或多个。

提供了本发明的各种实施例的以上描述用于对本领域技术人员进行描述的目的。其并非意欲在使本发明详尽或将本发明限制到单个公开的实施例。如上所述，本领域技术人员将明了本发明上述教导的许多替代方案和变化。因此，尽管已经具体地讨论了一些替代实施例，但是其他实施例将是显而易见的或者将由本领域技术人员相对容易地开发。本发明打算涵盖本文已经讨论的本发明的所有替代方案、修改和变化，以及落在上述发明的精神和范围内的其他实施例。

在本说明书中，术语“包括”、“包含”、“含有”或类似术语应当表示非排除的包含，使得包括一列元素的方法、系统和装置并不仅仅包括这些元素，也可以包括未列出的其他元素。