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申请/专利权人：中国矿业大学

摘要：一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法，系统：传感器及采集单元主要由加速度及表面应变传感器、无线加速度及应变采集模块、云计算平台、显示及移动监测终端组成；加速度及表面应变传感器均安装在立井凿井井架上，云计算平台分别与无线加速度及无线应变采集模块、显示监测终端和移动监测终端连接。方法：建立立井凿井井架三维有限元模型；求解立井凿井井架工作荷载分级作用下结构受力和振动特征参数数据库；根据受力监测结果和实际凿井工况对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行实时评估；实时评估结果按照设定安全等级在监测终端显示或预警；该系统及方法可实现对立井凿井井架受力状态和承载性能的实时远程监测、评估和预警。

主权项：1.一种立井凿井井架承载性能评价方法，采用一种立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统，所述立井凿井井架受力监测与承载性能评价系统包括立井凿井井架、传感器及采集单元，所述立井凿井井架呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱（5）、连接在相邻角柱（5）上端之间的天轮平台梁（1）、连接在相邻角柱（5）中部之间的中间平台杆（2）、连接在相邻角柱（5）下部之间的翻矸平台杆（3）、相间隔设置且与相对的两根天轮平台梁（1）固定连接的两根顶梁（14）、连接同侧中间平台杆（2）端部和天轮平台梁（1）中部的斜杆（4）、连接相邻角柱（5）的下端和中间平台杆（2）中部的人字形支撑（15）、连接同侧中间平台杆（2）端部和人字形支撑（15）中部的斜支撑（16）组成；上端的四根天轮平台梁（1）和两根顶梁（14）形成天轮平台；中部的四根中间平台杆（2）形成中间平台；下部的四根翻矸平台杆（3）形成翻矸平台；所述传感器及采集单元主要由加速度传感器（6）、表面应变传感器（7）、无线加速度采集模块（9）、无线应变采集模块（8）、云计算平台（10）、显示监测终端（11）和移动监测终端（12）组成；所述加速度传感器（6）的数量至少为3个，分别安装在一根天轮平台梁（1）上、一根中间平台杆（2）上、一根翻矸平台杆（3）上，用于实时采集加速度信号；所述表面应变传感器（7）的数量至少为16个，分别安装在两根顶梁（14）上、相邻的两根天轮平台梁（1）上、相邻的两根中间平台杆（2）上、相邻的两根翻矸平台杆（3）上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱（5）的中部、翻矸平台以下的四根角柱（5）的中部，用于实时采集应变信号；所述无线加速度采集模块（9）安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个加速度传感器（6）连接，并通过无线的方式与云计算平台（10）连接，用于实时接收加速度信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台（10）；所述无线应变采集模块（8）安装在立井凿井井架上，其通过有线的方式与各个表面应变传感器（7）连接，并通过无线的方式与云计算平台（10）连接，用于实时采集应变信号，并按设定时间间隔发送给云计算平台（10）；所述云计算平台（10）用于对所接收的加速度信号和应变信号进行存储与分析，并根据分析结果对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行远程评估、给出预警状态，并将评估结果和预警状态发送给显示监测终端（11）和移动监测终端（12）；所述显示监测终端（11）设置在监控中心，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给监控中心的监控人员；所述移动监测终端（12）佩戴在管理人员身上，用于将接收到的评估结果和预警状态实时显示给管理人员；还包括人工决策支持输入模块（13），所述人工决策支持输入模块（13）与云计算平台（10）连接，用于提供人工决策的输入接口，以便于将人工的操作指令发送给云计算平台（10）；所述无线加速度采集模块（9）通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个加速度传感器（6）连接；所述无线应变采集模块（8）通过2芯或4芯屏蔽线缆与各个表面应变传感器（7）连接；其特征在于，包括如下步骤：步骤一：立井凿井井架三维有限元模型建模；S11:有限元建模；根据立井凿井井架主体结构尺寸、构件规格、构件材料、杆件连接形式建立立井凿井井架主体结构的三维有限元模型；S12:工作荷载确定；根据实际的井筒内凿井施工设备布置情况，确定立井凿井井架上的工作荷载及工况组合，立井凿井井架工作荷载按静力等效原则以点荷载形式施加到对应的凿井井架结构构件上；S13:工作荷载施加；分级施加立井凿井井架工作荷载，每级荷载增量不超过荷载终值的10%；S14:数据库构建；在每级荷载作用下获得立井凿井井架结构各构件的最大应力比、变形量以及各阶振型和频率数据，建立工作荷载分级作用下立井凿井井架受力特性和振动参数数据库；步骤二：立井凿井井架在线监测系统构建；S21：杆件应变监测传感器布设；在立井凿井井架实体结构构件上布置表面应变传感器（7）和无线应变采集模块（8）；立井凿井井架实体结构呈平顶四棱锥状，其由位于四周的四根角柱（5）、连接在相邻角柱（5）上端之间的天轮平台梁（1）、连接在相邻角柱（5）中部之间的中间平台杆（2）、连接在相邻角柱（5）下部之间的翻矸平台杆（3）、相间隔设置且与相对的两根天轮平台梁（1）固定连接的两根顶梁（14）、连接同侧中间平台杆（2）端部和天轮平台梁（1）中部的斜杆（4）、连接相邻角柱（5）的下端和中间平台杆（2）中部的人字形支撑（15）、连接同侧中间平台杆（2）端部和人字形支撑（15）中部的斜支撑（16）组成，上端的四根天轮平台梁（1）形成天轮平台，中部的四根中间平台杆（2）形成中间平台，下部的四根翻矸平台杆（3）形成翻矸平台；所述表面应变传感器（7）按如下方式进行布置：分别安装在两根顶梁（14）上、相邻的两根天轮平台梁（1）上、相邻的两根中间平台杆（2）上、相邻的两根翻矸平台杆（3）上、天轮平台和中间平台之间的四根角柱（5）的中部、翻矸平台以下的四根角柱（5）的中部各布置一个表面应变传感器（7）；所述无线应变采集模块（8）安装在立井凿井井架实体结构上；S22:结构振动监测传感器布设；所述加速度传感器（6）按如下方式进行布置：在一根天轮平台梁（1）上、一根中间平台杆（2）上和一根翻矸平台杆（3）上各布置一个加速度传感器（6）；所述无线加速度采集模块（9）安装在立井凿井井架实体结构上；S23：在线监测系统构建；利用屏蔽线缆建立无线加速度采集模块（9）和各个加速度传感器（6）的连接；利用屏蔽线缆建立无线应变采集模块（8）和各个表面应变传感器（7）的连接；同时，建立无线加速度采集模块（9）、无线应变采集模块（8）、显示监测终端（11）、移动监测终端（12）和云计算平台（10）的远程通信交互连接；步骤三：立井凿井井架结构受力状态和性能评价；S31：监测数据采集；先通过加速度传感器（6）和表面应变传感器（7）获得实时监测数据，并按设定时间间隔将监测数据上传到云计算平台（10）；S32：监测数据处理；在云计算平台（10）上，基于神经网络、深度学习算法对监测数据进行处理分析，包括异常数据剔除、数据完整性和可靠性验证；S33:监测数据分析；综合有限元模型凿井井架受力和振动参数数据库对立井凿井井架的受力状态和承载性能进行评估和预警；首先，根据公式（1）计算立井凿井井架极限荷载Fult； （1）；式中，fi为立井凿井井架初始一阶固有频率，fj为立井凿井井架当前荷载工况下一阶固有频率，Fi为立井凿井井架初始载荷工况，Fj为立井凿井井架当前工况荷载；其次，根据公式（2）计算立井凿井井架承载力可靠系数η； （2）；式中，F为立井凿井井架断绳荷载工况荷载；最后，对立井凿井井架受力安全等级划分：S1：当η或构件最大应力比在允许应力比小于等于80%时，云计算平台（10）确定凿井井架的受力状态为正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端（11）和移动监测终端（12），显示监测终端（11）和移动监测终端（12）接收到监测结果数据后，通过显示绿色提示色的方式显示凿井井架受力状态为正常状态；S2：当η或构件最大应力比在允许应力比大于80%且小于等于90%时，云计算平台（10）确定凿井井架的受力状态为预警状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端（11）和移动监测终端（12），显示监测终端（11）和移动监测终端（12）接收到监测结果数据后，通过显示黄色提示色的方式显示凿井井架受力状态为预警状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；S3：当η或构件最大应力比在允许应力比大于90%且小于100%时，云计算平台（10）确定凿井井架的受力状态为危险状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端（11）和移动监测终端（12），显示监测终端（11）和移动监测终端（12）接收到监测结果数据后，通过显示橙色提示色的方式显示凿井井架受力状态为危险状态，以提醒监控人员和管理人员注意凿井井架的受力状态；S4：当η或构件最大应力比在允许应力比大于等于100%时，云计算平台（10）确定凿井井架的受力状态为非正常状态，并将监测结果数据分别发送给显示监测终端（11）和移动监测终端（12），显示监测终端（11）和移动监测终端（12）接收到监测结果数据后，通过显示红色提示色的方式显示凿井井架受力状态为非正常状态，以提醒监控人员和管理人员注意到非正常凿井井架的受力状态。

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百度查询： 中国矿业大学 一种在线立井凿井井架受力监测系统与承载性能评价方法