本发明属于起重设备技术领域，涉及一种电动单梁桥式起重机械金属结构的安全监测系统。
背景技术：
起重机械是建筑工程、冶金工业、电力工业等领域重要的施工机械，其自身结构蕴含的危险因素较多，是极易发生安全事故的特种设备之一。一般情况下普通起重机寿命约为20～30年，在服役过程中受到吊重荷载、疲劳和材料老化等因素的影响，同时随着现代工业生产日益向大规模、高效率发展,起重机的工作日趋繁重,超载使用的情况时有发生，由此造成的金属结构损伤不可避免地产生积累。起重机使用一定年限后,其金属结构往往在焊接热影响区域、螺栓连接处等较大应力集中处产生严重损伤。这些结构损伤对结构的承载能力产生重大影响，而起重机一般体型巨大、成本较高,一旦发生事故,将造成巨大的生命和财产损失,甚至导致群死群伤等灾难性事故。
据统计起重机械事故数量连续五年高居各类特种设备事故首位，造成停工停产所带来的经济损失也越来越大。起重机根据结构主要分为桥式起重机、门式起重机及臂架类起重机等，其中电动单梁桥式起重机主要由主梁、端梁、电动葫芦、电气设备等组成，其中端梁与主梁通过高强度螺栓连接。电动单梁桥式起重机在工作运行时引起金属结构失效的主要原因有(1)超载运行：起重机超载使用会引起起重机钢结构主梁下挠弯曲严重，可能会出现钢丝绳被拉断、主梁与端梁连接位置发生结构损伤，严重时会导致主梁与端梁连接位置发生断裂，主梁和吊重直接坠落。(2)螺栓松动：电动单梁桥式起重机长期负载运行过程中，由于振动、超载等原因端梁与主梁连接的螺栓经常会发生松动，导致此处结构产生不稳定性，局部受力过大，同时可能会导致连接位置处疲劳裂纹的产生，降低连接强度。(3)端梁与主梁连接位置产生裂纹：电动单梁桥式起重机端梁螺栓连接位置处存在较大的应力集中，在长期载荷与振动作用下，容易产生疲劳裂纹影响结构强度，严重时裂纹扩展导致端梁连接位置处发生断裂。
目前我国针对电动单梁桥式起重机的安全运行主要保障方法以定期检验、日常维护为主，采用的技术手段多为目测、感观判断、停机测量、磁粉探伤等。该类安全保障技术仅检测了起重机非工作状态下的部分几何量、物理量，无法对起重机的运行安全状况进行监测，缺乏对突发事故的预防机理；对于主梁与端梁连接位置的螺栓松动情况，目前日常维护主要通过螺母标记识别等宏观方法检测，缺乏定量的螺栓松动状态监测，并且需要检验、作业人员爬到起重机连接处进行检验，具有一定的危险性。对于主梁与端梁连接位置的裂纹情况，由于连接位置结构的限制等原因，裂纹不易直观的观察到；同时起重机运行工况的复杂性，连接处裂纹的产生具有随机性，通过定期检验的磁粉探伤等方法检测到该位置处的裂纹具有一定的难度。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种电动单梁桥式起重机械金属结构安全监测装置及方法，该系统能在线监测起重机工作过程中的超载运行情况、螺栓状态情况以及主梁与端梁连接位置宏观裂纹情况，具有对监测信息安全评估功能、报警功能，可以为起重机的安全运行提供可靠的依据，避免和减少安全事故的发生。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种电动单梁桥式起重机械金属结构安全监测装置，包括悬挂在吊钩下的重量传感器、安装在主梁下盖板底面中间位置的若干个主梁应变传感器、一一安装在端梁腹板与连接板及主梁连接的螺栓上的螺栓紧固力传感器、安装在端梁腹板上的若干个端梁应变传感器以及对采集到的数据进行处理的综合处理系统主机。
所述螺栓紧固力传感器安装在端梁的腹板、连接板与主梁连接的螺栓上，布置在主梁和垫片之间，沿端梁长度方向以2个为一组关于连接板的对称面对称安装。
作为优选，所述端梁应变传感器共4片安装在端梁腹板上，沿端梁长度方向分别以2片为一组关于连接板的对称面对称安装。
上方的端梁应变传感器与下方螺栓的安装位置高度相同；4片端梁应变传感器距离连接板的对称面有相同的距离。
采用电动单梁桥式起重机械金属结构安全监测装置进行监测的方法，其中监测螺栓状态的方法是：
通过螺栓紧固力传感器采集同一组的2个螺栓的预紧力，接着将采集到的螺栓预紧力fi与螺栓预紧力阀值f0进行比对：
当fi<f0时，则判定i号螺栓处于松动状态，i＝1,2；
螺栓预紧力阀值f0＝fm/v
fm为螺栓额定预紧力
v为螺栓安全系数，取1.1-1.2。
当fi≥f0时，判断螺栓状态方法是：
(1)当1/v<f1/f2<v时,判定1、2号螺栓状态正常；
(2)当f1/f2>v，判定1号螺栓状态存在异常情况；
(3)当f1/f2<(1/v)，判定2号螺栓状态存在异常情况。
对端梁腹板连接位置宏观裂纹的监测评估按如下步骤进行：
(1)对监测应力进行初始判断，如果σij≥[σ]，则相应监测位置应力超标；
(2)如果σij＜[σ]，
1)如果1/ni<ki<ni,则监测位置应力正常；
2)如果1/n2<k2<n2,当k1<1/n1，且k>1.0，说明端梁应变传感器4-1监测位置附近有可能存在宏观裂纹；当k1>n1，且k<1.0，说明端梁应变传感器4-2监测位置附近有可能存在宏观裂纹；
3)如果1/n1<k1<n1,当k2>n2，且k>1.0，说明端梁应变传感器4-3监测位置附近有可能存在宏观裂纹；当k2<1/n2，且k<1.0，说明端梁应变传感器4-4监测位置附近有可能存在宏观裂纹；
4)如果k1<1/n1，k2>n2，k>1.0，说明从端梁应变传感器4-1到4-3监测区域可能存在宏观裂纹；
5)如果k1>n1，k2<1/n2，k<1.0，说明从端梁应变传感器4-2到4-4监测区域可能存在宏观裂纹；
其中：
许用应力[σ]
第一应力状态系数k1＝σ11/σ12
第二应力状态系数k2＝σ21/σ22
相对应力状态参数k＝(σ21-σ11)/(σ22-σ12)
σij(i＝1,2；j＝1,2)为4片端梁应变传感器监测的应力；编号规律为自上往下为i，i＝1,2；沿端梁长度方向从左往右的位置编号为j,j＝1,2。
其中n1、n2为第一安全评估参数和第二安全评估参数，均大于1。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、螺栓紧固力传感器采用扁圆柱形传感器，通过垫片、螺母进行组合安装，使得端梁、主梁、传感器的结构连接稳定，可定量监测电动单梁桥式起重机螺栓连接的紧固力，从而判断连接状态情况。
2、宏观裂纹评估模块，端梁应变传感器布置方式简单，评估方法合理，可实现直接对端梁腹板连接位置宏观裂纹的监测。
附图说明
图1为本发明中的系统结构示意图。
图2为本发明中的主梁应变传感器和重量传感器安装位置示意图。
图3为本发明中的螺栓紧固力传感器安装位置示意图(图2中的a-a剖视结构图)。
图4为图2中的b-b剖视结构图。
图5为图3中的c-c剖视结构图。
图6为本发明中的应力计算模块的预设裂纹示意图。
图7为图7中的d部放大结构示意图。
图8为本发明中的宏观裂纹评估模块流程示意图。
具体实施方式
本发明涉及的电动单梁桥式起重机械金属结构安全监测装置如图1所示，包括重量传感器1，主梁应变传感器2，螺栓紧固力传感器3，端梁应变传感器4(重量传感器1，主梁应变传感器2，螺栓紧固力传感器3以及端梁应变传感器4均为数据采集装置)，综合处理系统主机6；功能软件模块包括系统校准模块7、超载监测模块8、螺栓状态监测模块9、应力计算模块10和宏观裂纹评估模块11，各模块根据相应的评估方法实时判断各监测情况。
下面以某6800mm跨度、10t额定起重量的某电动单梁桥式起重机为例，说明起重机机械金属结构安全监测装置及方法的具体实施方式。
图2给出了该起重机重量传感器1及主梁应变传感器2的布置示意图，重量传感器1通过检测钢丝绳张力间接测量当前起重量，主梁应变传感器2贴在主梁跨中下翼缘板底面。系统校准模块7通过对比数据采集装置采集的起重量位于跨中位置时的主梁应变传感器数据2和重量传感器1的数据，评估该系统监测数据的可靠性。
超载监测模块8将实时采集的重量传感器1的实际起重量，与模块内置起重量报警阀值进行比对，如果实际起重量超过起重量报警阀值，综合处理系统主机6显示实际起重量并报警；起重量报警阀值设置为95％额定起重量。
螺栓紧固力传感器3为扁圆柱形传感器，以2个为一组(如左侧螺栓3-1，右侧螺栓3-2)沿端梁的长度方向关于连接板14的对称面14-1进行对称安装(参见图3；端梁的长度方向即图3的左右方向)。端梁12的腹板13、连接板(14)与主梁15通过螺栓16与螺母18固定连接为一体，螺栓紧固力传感器穿套在螺栓上，并且布置在主梁15和垫片17之间(参见图5)，承受螺栓施加的紧固力。
首先将螺栓紧固力传感器采集的预紧力fi与系统预设螺栓预紧力阀值f0进行比对，实时确认每个螺栓紧固状态，具体监测可由螺栓状态监测模块9负责。当监测的螺栓预紧力小于f0(即fi<f0)时，可判定该螺栓为松动状态，综合处理系统主机6就松动螺栓报警显示；螺栓安全系数取v取1.1，螺栓额定预紧力取m20高强度螺栓的额定预紧力。
在起重机工作工程中，螺栓状态监测模块9通过对比同一组两个螺栓的预紧力进行实时判断；其中f1是左侧螺栓预紧力，f2是右侧螺栓预紧力；
当fi≥f0时，综合处理系统主机中的螺栓状态监测模块判断螺栓状态异常情况；如果满足(1/v)<f1/f2<v，判定监测螺栓状态正常；如果f1/f2>v，判定1号螺栓监测位置可能存在螺栓状态异常情况；如果f1/f2<(1/v)，判定2号螺栓监测位置可能存在螺栓状态异常情况。
图3给出了4片端梁应变传感器4-1、4-2、4-3、4-4的布置示意图，从上往下布置的两片端梁应变传感器的编号为i，从左往右布置的两片端梁应变传感器的编号为j，即端梁应变传感器4-1与4-3的i编号分别为1与2，j编号为1；同理，端梁应变传感器4-2与4-4的i编号分别为1与2，j编号为2；用σij表示4片端梁应变传感器所处位置的应力状态，端梁应变传感器4-1、4-2、4-3、4-4的σij依次为σ11、σ12、σ21、σ22。考虑电动单梁桥式起重机端梁与主梁连接位置结构形式、监测位置应力状态变化能有效表征监测区域宏观裂纹情况，端梁应变传感器均安装在端梁腹板13上距离连接板边缘位置10mm处，端梁应变传感器4-1、4-2高度与下方螺栓高度平齐。
对端梁腹板连接位置宏观裂纹的监测评估是宏观裂纹评估模块11首先判断各监测位置应力状态σij是否在许用应力范围内，当某监测位置应力超过许用应力时，综合处理系统主机6显示该位置应力超标报警；当4个监测位置应力都在许用应力范围内时，宏观裂纹评估模块11根据4个监测位置应力数据进行下一步判断起重机端梁连接位置监测局部区域是否存在宏观裂纹，如图8所示为端梁连接位置宏观裂纹评估模块的程序示意图。
首先若满足1/n1<k1<n1,1/n2<k2<n2,则说明监测位置的应力状态正常，此时综合处理系统主机6实时显示各位置的应力状态；
若不满足上式，进入下一步判断，如果1/n1<k1<n1，当k2>n2，且k>1.0，说明端梁应变传感器4-3监测位置应力状态不正常，此位置有可能存在宏观裂纹，此时综合处理系统主机6显示该位置报警；当k2<1/n2，且k<1.0，说明端梁应变传感器4-4监测位置应力状态不正常，此位置有可能存在宏观裂纹，此时综合处理系统主机6显示该位置报警。
如果1/n2<k2<n2，当k1<1/n1，且k>1.0，则说明端梁应变传感器4-1监测位置处应力状态不正常，此位置有可能存在宏观裂纹，此时综合处理系统主机6显示该位置报警。当k1>n1，且k<1.0，则说明端梁应变传感器4-2监测位置应力状态不正常，此位置有可能存在宏观裂纹，此时综合处理系统主机6显示该位置报警。
如果k1<1/n1，k2>n2，k>1.0，说明从端梁应变传感器4-1监测位置到4-3监测区域内应力分布状态不正常，该区域内可能存在宏观裂纹。如果k1>n1，k2<1/n2，k<1.0，则说明从端梁应变传感器4-2监测位置到4-4监测区域内应力分布不正常，该区域内可能存在宏观裂纹。
其中第一安全评估参数n1和第二安全评估参数n2通过应力计算模块10计算。应力计算模块10按如图6、图7所示在起重机模型上靠近下方螺栓孔位置的端梁12上预设宏观裂纹，并定义路径ab为端梁腹板13上通过应变传感器4-1与4-3位置的直线，路径cd与路径ab关于连接板14对称面对称，裂纹起点为螺栓孔边缘，终点为与路径ab的交点，裂纹延长线通过螺栓孔的中心。裂纹l1、l2的长度根据监测需要确定，且
第一应力状态系数k1＝σ11/σ12；第二应力状态系数k2＝σ21/σ22。
通过以上分析判断，宏观裂纹评估模块11可实现对起重机端梁与主梁连接部位局部区域宏观裂纹情况进行监测。
本发明所述重量传感器、应变传感器、螺栓紧固力传感器、采集装置等均可直接外购获得；所述系统校准模块、超载监测模块、螺栓状态监测模块、应力计算模块以及宏观裂纹评估模块均为功能软件模块，由普通软件技术人员编写而成。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。