仓库使用起重设备进行吊装操作过程中, 经验论和缺乏行之有效的受力监测、计算装置是起吊中潜在风险。大型变电站内一次备品因电压等级高, 输送容量大, 体积尺寸更大, 数量更多、金额更高, 对备品吊装技术要求更高。在进行备品备件更换时, 安全、高效的对大型设备进行吊装不仅可以保证备品备件更换的安全性, 又可以缩短设备更换工期, 提高系统的可用率。

为了解决这一生产实际问题, 课题组结合现场需求与起吊经验, 研制了一种能够在备品库起吊现场, 实时监测吊绳受力情况并分析其受力是否正常的检测装置, 该装置通过加设与吊绳形变情况相同的弹性绳, 并基于相似对比法间接计算吊绳拉力, 终端能够实时获取主吊绳上的受力数据, 配合内置算法智能评估起吊过程中的安全风险并及时主动预警, 从起吊前协助调节吊点分布, 和起吊过程中主吊绳受力监测两个方面提高仓库起吊作业可靠性, 从而有效提升备品仓库的安全水平。

如图1所示, 由一般材料的应力-应变曲线可看出, 材料在受力拉升时, 可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部径缩阶段。

oa段是直线, 应力与应变在此段成正比关系, 材料符合胡克定律, 直线oa的斜率就是材料的弹性模量, 直线部分最高点所对应的应力值为材料的比例极限。曲线超过a点, 图上ab段已不再是直线, 说明材料已不符合胡克定律。但在ab段内卸载, 变形也随之消失, 说明ab段也发生弹性变形, 所以ab段称为弹性阶段。b点所对应的应力值称为材料的弹性极限。

曲线超过b点后, 出现了一段锯齿形曲线, 这—阶段应力没有增加, 而应变依然在增加, 把这一现象称作屈服, bc段称为屈服阶段。屈服阶段曲线最低点所对应的应力称为屈服点。在屈服阶段卸载, 将出现不能消失的塑性变形。

经过屈服阶段后, 曲线从c点又开始逐渐上升, 说明要使应变增加, 必须增加应力, 材料又恢复了抵抗变形的能力, 这种现象称作强化, ce段称为强化阶段。曲线最高点所对应的应力值称为材料的抗拉强度。

曲线到达e点前, 试件的变形是均匀发生的, 曲线到达e点, 在试件比较薄弱的某一局部, 变形显著增加, 有效横截面急剧减小, 出现了缩颈现象, 试件很快被拉断, 称ef段为缩颈断裂阶段。

在图2中, l1为原吊绳, l2为研发辅助绳, 其绳中对应的拉力分别为F1、F2, 弹性系数为k1、k2, 总拉力为F。根据胡克定律弹性绳被拉伸共分为七个阶段。

(1) 第一阶段:吊绳和辅助绳均松弛状态, 绳受力为0。

(2) 第二阶段:辅助绳处于拉长状态, 吊绳处于松弛状态,

(3) 第三阶段:辅助绳和吊绳均处于拉长, 起吊备品未上升。

此时有:

可得:

式 (2) 中, 为固定值, F2可通过辅助绳中传感器读取, 因而可间接求得吊绳所受力F1的大小。

(4) 第四阶段:辅助绳与吊绳保持长度不变, 起吊备品加速上升。

(5) 第五阶段:辅助绳与吊绳保持长度不变, 起吊备品以匀速上升。

(6) 第六阶段:辅助绳与吊绳短暂减少, 起吊备品减速上升。

(7) 第七阶段:辅助绳与吊绳保持长度不变, 起吊备品水平移动。

通过上述对智能仓库吊装带原理分析, 针对于弹性绳在不同阶段的特性研发仓库吊装过程中的辅助系统。

备品静止阶段, 由于吊钩匀速运动, 因而单位时间, 辅助绳增量位移相等, 在匀速运动过程中, 辅助绳中拉力不随时间变化。当检测到某辅助绳中拉力-时间迅速增加时, 说明此吊绳中拉力突然增大, 则立即发出声光报警, 若辅助绳拉力-时间突减, 则停止报警。

图1  下载原图

图2  下载原图

第三阶段到第四阶段临界时, 若起吊重心与备品重心不在同一垂线, 则在力矩的作用下, 备品会以起吊重心与备品重心连线中点为圆心, 往复摆动, 靠近备品重心一侧的辅助绳受力先增加。若某根辅助绳先报警, 停止后其他辅助绳报警, 即可判断此时起吊重心与备品重心不在同一垂线上。

在第四阶段到第五阶段临界时, 以及第五阶段与第六阶段临界时, 若拉力F突变, 在重力的作用下, 被吊备品会上下振动, 若所有吊绳均发出报警, 即可判断此时上吊备品处于上下振动状态, 以此警告作业人员应小心操作。

当某根吊绳逐步发生断股时, 在分担同样拉力时, 该吊绳会产生更大形变, 辅助绳上所监测到拉力增大, 若某辅助绳持续报警, 即可判断此吊绳处于断股风险中, 需立即停止吊装。

(1) 智能吊装系统基于力的相似性间接测量吊绳受力, 在不改变原吊绳结构的情况下, 通过在每根吊绳位置新增一条不同弹性系数的测力绳, 利用利用相似对比法, 实现实时测量吊绳受力。

(2) 通过测量模块将吊绳拉力差比较值传回地面, 实时分析提供起吊方案调整建议, 采用定量化的分析方式有效避免了以经验为主要依据来判断起吊物是否平衡的弊端。

(3) 安全智能预警功能在吊运过程中, 测量模块实时监测吊绳所受拉力变化, 当某一条吊绳拉力达到临界值或者受力突增时, 吊绳上的监测预警系统及时向终端发出预警, 提醒地面起吊人员, 降低了吊运过程中的风险、减少了吊运过程可能造成的损失。