臂架开裂检测方法、装置、系统及工程机械与流程

本发明涉及工程机械技术领域，特别是涉及一种臂架开裂检测方法、装置、系统及工程机械。

背景技术：

如图1所示，混凝土泵车的臂架结构主要包括臂节10、连杆31、臂架油缸32、砼管33和末端软管34等。混凝土在泵送油缸的推动下在砼管33中流动，最后通过末端软管34流出。臂架在臂架油缸32的作用下自由伸展，通过臂架的伸展运动将末端软管34移到指定位置，以完成混凝土输送。

在混凝土输送过程中，砼管33内的混凝土不断地冲击末端软管34，导致整个臂架不停地受到冲击载荷，臂架的臂节10长期受高频冲击载荷作用容易发生疲劳开裂，进而会发生断裂。特别是，当裂纹从臂节10的内部向外扩展时，仅凭肉眼根本无法发现。臂架的疲劳开裂不仅会造成重大的经济损失，甚至会引发危及生命的安全事故。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种臂架开裂检测方法、装置、系统及工程机械，以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，提高臂架的工作安全性。

本发明实施例提供的臂架开裂检测方法，包括：

获取第一应变片和第二应变片的应变，所述第一应变片和第二应变片设置于臂节的主受弯部分且分别位于臂节的标定中性层的上下两侧；

根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比；

当当前的应变线性组合比有意义，且不为零，且与标定的应变线性组合比 的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备发出臂架开裂预警信息。

本发明实施例技术方案可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，从而大大提高了臂架的工作安全性。

优选的，所述根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比，包括：

根据函数关系式确定当前的应变线性组合比，其中：k为当前的应变线性组合比，α1、α2、α3、α4为使k有意义且不为零的调整系数，ε1和ε2分别为第一应变片和第二应变片的应变。

采用该方案，通过选取合适的α1、α2、α3、α4的值，可以使当前的应变线性组合比达到较佳的敏感度，并使其始终有意义且不为零，从而提高臂架开裂检测的精度，进而进一步提高臂架工作的安全性。

具体的，所述方法还包括：当当前的应变线性组合比满足以下任一条件时，返回所述获取第一应变片和第二应变片的应变的步骤：

当前的应变线性组合比为零；

当前的应变线性组合比为无意义；

当前的应变线性组合比与标定的应变线性组合比的差值的绝对值小于设定的误差阈值。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种臂架开裂检测装置，包括：

获取单元，用于获取第一应变片和第二应变片的应变，所述第一应变片和第二应变片设置于臂节的主受弯部分且位于臂节的标定中性层的上下两侧；

确定单元，用于根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比；

控制单元，用于当当前的应变线性组合比有意义，且不为零，且与标定的应变线性组合比的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备发出臂架开裂预警信息。

优选的，所述确定单元，具体用于根据函数关系式确定当前的应变线性组合比，其中：k为当前的应变线性组合比，α1、α2、α3、α4为使k有意义且不为零的调整系数，ε1和ε2分别为第一应变片和第二应变片的应变。

具体的，所述控制装置，还用于当当前的应变线性组合比满足以下任一条件时，返回所述获取第一应变片和第二应变片的应变的步骤：

当前的应变线性组合比为零；

当前的应变线性组合比为无意义；

当前的应变线性组合比与标定的应变线性组合比的差值的绝对值小于设定的误差阈值。

采用该实施例臂架开裂检测装置，可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，从而大大提高了臂架的工作安全性。

基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种臂架开裂检测系统，包括：

预警设备；

第一应变传感器和第二应变传感器，所述第一应变传感器的第一应变片和所述第二应变传感器的第二应变片设置于臂节的主受弯部分，且分别位于臂节的标定中性层的上下两侧；

控制设备，分别与预警设备、第一应变传感器和第二应变传感器信号连接，用于获取第一应变片和第二应变片的应变；根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比；当当前的应变线性组合比有意义，且不为零， 且与标定的应变线性组合比的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备发出臂架开裂预警信息。

采用该实施例臂架开裂检测系统，可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，从而大大提高了臂架的工作安全性。

优选的，所述控制设备，具体用于根据函数关系式确定当前的应变线性组合比，其中：k为当前的应变线性组合比，α1、α2、α3、α4为使k有意义且不为零的调整系数，ε1和ε2分别为第一应变片和第二应变片的应变。

具体的，所述控制设备，还用于当当前的应变线性组合比满足以下任一条件时，返回所述获取第一应变片和第二应变片的应变的步骤：

当前的应变线性组合比为零；

当前的应变线性组合比为无意义；

当前的应变线性组合比与标定的应变线性组合比的差值的绝对值小于设定的误差阈值。

具体的，所述臂节包括五个铰孔，自近端至远端顺序排列，所述第一应变片和第二应变片设置于第二个铰孔和第三个铰孔之间。

优选的，所述臂节包括盖板、腹板以及连接盖板与腹板的两个侧板，所述第一应变片和第二应变片设置于臂节的侧板上，所述第一应变片与盖板的距离不大于1/3侧板宽度，所述第二应变片与腹板的距离不大于1/3侧板宽度。

由于工程机械的作业环境恶劣，将第一应变片和第二应变片设置于臂节的侧板上，可以利用盖板保护应变片和相关线路，从而大幅降低应变传感器的损坏概率，提高其工作可靠性。此外，两个应变片布置在上述位置区域，可以使检测具有较高的精度。

较佳的，所述第一应变片和第二应变片设置于臂节的焊接接头处。由于臂 节的焊接接头处应力较为集中，疲劳寿命相对较短，如果发生开裂，系统会及时检测出，因此，采用该方案有利于提高臂架开裂检测的准确性，进而进一步提高臂架工作的安全性。

较佳的，所述第一应变片和第二应变片沿臂节长度方向的距离小于50厘米。这样，两个布片位置处的截面惯性矩和弯矩近似相等，采用该方法可以在不影响检测精度的情况下，减少布片操作的难度。

本发明实施例还提供了一种工程机械，包括具有若干个臂节的臂架，以及前述任一技术方案所述的臂架开裂检测系统。臂架开裂检测系统可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，因此，臂架具有较高的工作安全性，工程机械具体较高的工作安全性。

附图说明

图1为混凝土泵车的臂架示意图；

图2为本发明实施例臂架开裂检测系统示意图；

图3为臂架的臂节示意图；

图4为臂节的截面结构示意图(臂节未开裂)；

图5为臂节的截面结构示意图(臂节开裂)；

图6为本发明实施例臂架开裂检测方法流程示意图；

图7为本发明实施例臂架开裂检测装置示意图。

具体实施方式

为了准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，提高臂架的工作安全性，本发明实施例提供了一种臂架开裂检测系统、方法、装置及工程机械。

如图2～图4所示，本发明实施例提供的臂架开裂检测系统，包括：

预警设备3；

第一应变传感器1和第二应变传感器2，第一应变传感器1的第一应变片11和第二应变传感器2的第二应变片21设置于臂节10的主受弯部分，且分别位于臂节10的标定中性层100的上下两侧；

控制设备4，分别与预警设备3、第一应变传感器1和第二应变传感器2信号连接，用于获取第一应变片11和第二应变片21的应变；根据第一应变片11和第二应变片21的应变，确定当前的应变线性组合比；当当前的应变线性组合比有意义，且不为零，且与标定的应变线性组合比的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备3发出臂架开裂预警信息。

需要说明的是，上述当前的应变线性组合比有意义指的是应变线性组合比的分母不为零。所述主受弯部分指的是该部分只受弯矩、或者同时受到弯矩和剪切力的作用，但是剪切力的作用可以忽略不计的情况。

上述臂架开裂检测系统应用于包含臂架的工程机械中，工程机械的具体类型不限，例如可以为混凝土泵车、喷射消防车、汽车起重机等等。以下以检测系统应用于混凝土泵车为例进行进一步详细说明。

如图3所示，混凝土泵车臂架的每个臂节10包括五个铰孔j1～j5，自近端至远端顺序排列，第一应变片11和第二应变片21设置于第二个铰孔j2和第三个铰孔j3之间。这里，“近端”指当臂架完全伸展时，靠近泵车底盘的一端，“远端”则指当臂架完全伸展时，远离泵车底盘的一端。针对混凝土泵车的臂架的臂节10，第二个铰孔j2和第三个铰孔j3之间的部分为主受弯部分，该部分受力比较简单，主要受弯矩作用，也就是说，该部分截面上的应变主要由弯矩控制，剪力所产生的应变非常小，可以忽略不计。

如图4所示，臂节包括盖板10a、腹板10b以及连接盖板10a与腹板10b的两个侧板10c。臂节的主受弯部分在承受正向弯矩时，盖板10a产生正应变、腹板10b产生负应变，侧板10c的上部分产生正应变，下部分产生负应变。臂节的中性层可以理解为主受弯部分受弯矩作用应变为零的面。臂节未发生开裂时的中性层即为标定中性层100，该标定中性层100可以由技术人员对臂节进 行相关力学分析计算后得出。如图5所示，当臂节产生开裂，实际中性层100'会偏离标定中性层100。

在本发明实施例中，第一应变片11和第二应变片21布置于臂节的标定中性层100的上下两侧，与标定中性层100的距离分别为d1、d2，则第一应变片11的应变ε1和第二应变片21的应变ε2分别为：

其中，m1和m2分别为第一应变片11和第二应变片21布片处的截面弯矩，是随工况的变化而变化的量；i1和i2分别为第一应变片11和第二应变片21布片处的截面惯性矩，是与臂节截面相关的常量；e为弹性模量，是与材料相关的常量。

当第一应变片11和第二应变片21布置于主受弯部分的同一截面或者相隔距离较小时，例如小于50厘米时，可以认为m1和m2近似相等，i1和i2近似相等。当臂节未发生开裂时，第一应变片11和第二应变片21的应变随工况变化呈线性比例关系，其比值与第一应变片和第二应变片与标定中性层的距离比值应当一致，即：如图5所示，当臂节发生开裂时，实际中性层100'的位置会偏离标定中性层100，第一应变片11和第二应变片21的应变比值也会产生突变，不再与第一应变片11和第二应变片21与标定中性层100的距离比值相一致，即：例如，如图5所示，臂节的盖板10a开裂，实际中性层100'下移，k值会大幅增大；如果臂节的腹板10b开裂，则实际中性层会上移，k值会大幅减小。

因此，可以根据第一应变片11和第二应变片21的应变，确定当前的应变线性组合比。该当前的应变线性组合比可以为第一应变片11和第二应变片21的应变比值，也可以为对第一应变片11和第二应变片21的应变进行线性组合 后的比值。将该当前的应变线性组合比与预先存储的标定应变线性组合比进行比较，可以了解臂架的开裂情况。

在本发明的一优选实施例中，控制设备4，具体用于根据函数关系式确定当前的应变线性组合比，其中：k为当前的应变线性组合比，α1、α2、α3、α4为使k有意义且不为零的调整系数，ε1和ε2分别为第一应变片11和第二应变片21的应变。

在本发明实施例中，当前的应变线性组合比有意义是指其分母不为零。通过选取合适的α1、α2、α3、α4的值，可以使当前的应变线性组合比达到较佳的敏感度，并使其始终有意义且不为零，从而提高臂架开裂检测的精度，进而进一步提高臂架工作的安全性。

例如，α1取值100，α2取值-100，α3取值1，α4取值-1，这相当于将当前的应变线性组合比放大了百个数量级，从而提高了检测灵敏度和精度，并且，k值可以始终有意义且不为零，避免了判断异常的情况。

在本发明实施例中，控制设备4，还用于当当前的应变线性组合比满足以下任一条件时，返回获取第一应变片11和第二应变片21的应变的步骤：

当前的应变线性组合比为零；

当前的应变线性组合比为无意义；

当前的应变线性组合比与标定的应变线性组合比的差值的绝对值小于设定的误差阈值。

当当前的应变线性组合比满足上述任一条件时，表明臂节未产生开裂，因此，可以返回获取第一应变片11和第二应变片21的应变的步骤，继续进行监控。

采用该实施例臂架开裂检测系统，控制设备在判定当前的应变线性组合比有意义，且不为零，且与标定的应变线性组合比的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备发出臂架开裂预警信息。采用该方案，可以准确、 及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，从而大大提高了臂架的工作安全性。

其中，预警设备3的具体类型不限，例如可以为预警信号灯、预警扬声器、预警显示屏等等。

第一应变片11和第二应变片21的具体设置位置不限，例如，可以分别设置在盖板10a和腹板10b上，也可以分别设置在两个侧板10c上，也可以设置在同一个侧板10c上。

在本发明一优选实施例中，第一应变片11和第二应变片21设置于臂节的侧板10c上，第一应变片11与盖板10a的距离不大于1/3侧板宽度，第二应变片21与腹板10b的距离不大于1/3侧板宽度。由于工程机械的作业环境恶劣，将第一应变片11和第二应变片21设置于臂节的侧板10c上，可以利用盖板10a保护应变片和相关线路，从而大幅降低应变传感器的损坏概率，提高其工作可靠性。此外，两个应变片布置在上述位置区域，可以使检测具有较高的精度。

通过臂架疲劳试验，可以得到各臂节所对应的极限疲劳寿命和各臂节易开裂部位的分布，为了避免截面选择的盲目性、降低成本和系统复杂度、提高系统可靠性，优先选择疲劳寿命比较短的截面进行应变片布置。在本发明一优选实施例中，第一应变片和第二应变片设置于臂节的焊接接头处。由于臂节的焊接接头处应力较为集中，疲劳寿命相对较短，如果发生开裂，系统会及时检测出，因此，采用该方案有利于提高臂架开裂检测的准确性，进而进一步提高臂架工作的安全性。

较佳的，第一应变片11和第二应变片21沿臂节长度方向的距离小于50厘米。理论上，第一应变片11和第二应变片21布置在主受弯部分的同一截面最佳，但这样对位置精度要求较高，实际操作起来比较困难。采用上述方案，两个布片位置处的截面惯性矩和弯矩近似相等，可以在不影响检测精度的情况下，减少布片操作的难度。

在本发明实施例中，第一应变传感器1、第二应变传感器2、控制设备4 和预警设备3之间可以通过控制器局域网can总线进行信号传输。可以在臂架的每个臂节上均布置上述第一应变传感器1和第二应变传感器2，也可以在其中若干个关键臂节上布置上述第一应变传感器1和第二应变传感器2。臂节上所布置第一应变传感器1和第二应变传感器2的组数可以为一组、两组或者更多组，这里不做具体限定。可以理解的，同一臂节上第一应变传感器1和第二应变传感器2的组数设置越多，检测越全面，检测结果的准确性越高。

综上，该臂架裂纹检测系统结构简单、可靠、布线较少，需要采集的参数较少，成本较低，检测的准确性和灵敏度也较高，可以有效提高臂架的工作安全性。

本发明实施例还提供了一种工程机械，包括具有若干个臂节的臂架，以及前述任一技术方案的臂架开裂检测系统。臂架开裂检测系统可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，因此，臂架具有较高的工作安全性，工程机械具体较高的工作安全性。工程机械的具体类型不限，例如可以为混凝土泵车、喷射消防车、汽车起重机等等。

如图6所示，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种臂架开裂检测方法，包括以下步骤：

步骤101、获取第一应变片和第二应变片的应变，第一应变片和第二应变片设置于臂节的主受弯部分且分别位于臂节的标定中性层的上下两侧；

步骤102、根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比；

步骤103、当当前的应变线性组合比有意义，且不为零，且与标定的应变线性组合比的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备发出臂架开裂预警信息。

本发明实施例技术方案可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，从而 大大提高了臂架的工作安全性。

优选的，根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比，包括：

根据函数关系式确定当前的应变线性组合比，其中：k为当前的应变线性组合比，α1、α2、α3、α4为使k有意义且不为零的调整系数，ε1和ε2分别为第一应变片和第二应变片的应变。

采用该方案，通过选取合适的α1、α2、α3、α4的值，可以使当前的应变线性组合比达到较佳的敏感度，并使其始终有意义且不为零，从而提高臂架开裂检测的精度，进而进一步提高臂架工作的安全性。

具体的，方法还包括：当当前的应变线性组合比满足以下任一条件时，返回获取第一应变片和第二应变片的应变的步骤：

当前的应变线性组合比为零；

当前的应变线性组合比为无意义；

当前的应变线性组合比与标定的应变线性组合比的差值的绝对值小于设定的误差阈值。

如图7所示，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种臂架开裂检测装置，包括：

获取单元201，用于获取第一应变片和第二应变片的应变，第一应变片和第二应变片设置于臂节的主受弯部分且位于臂节的标定中性层的上下两侧；

确定单元202，用于根据第一应变片和第二应变片的应变，确定当前的应变线性组合比；

控制单元203，用于当当前的应变线性组合比有意义，且不为零，且与标定的应变线性组合比的差值的绝对值不小于设定的误差阈值时，控制预警设备发出臂架开裂预警信息。

优选的，确定单元202，具体用于根据函数关系式确定当前 的应变线性组合比，其中：k为当前的应变线性组合比，α1、α2、α3、α4为使k有意义且不为零的调整系数，ε1和ε2分别为第一应变片和第二应变片的应变。

具体的，控制装置203，还用于当当前的应变线性组合比满足以下任一条件时，返回获取第一应变片和第二应变片的应变的步骤：

当前的应变线性组合比为零；

当前的应变线性组合比为无意义；

当前的应变线性组合比与标定的应变线性组合比的差值的绝对值小于设定的误差阈值。

采用该实施例臂架开裂检测装置，可以准确、及时的检测臂架是否出现裂纹，臂架开裂预警信息可以及时提醒操作人员对臂架结构件进行检修、保养和修复，从而大大提高了臂架的工作安全性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。