УДК  62-408.6

Оценка деформаций металлоконструкции грузоподъёмных кранов на основе фотограмметрии

Мазурин Павел Андреевич – студент Академии водного транспорта Российского университета транспорта

Аннотация: В настоящей статье рассмотрен опыт применения фотограмметрии для определения остаточных деформаций металлоконструкции грузоподъёмных кранов и предложены подходы к измерению величины прогиба стержневых и пластинчатых элементов конструкции. Настоящая работа содержит описание результатов применения фотограмметрии для оценки деформаций элементов металлоконструкции грузоподъёмных машин, анализ основных проблем, возникающих при их обработке и предлагаемые решения по обеспечению необходимой точности.

Ключевые слова: фотограмметрия, факторы, элемент ГПМ.

В настоящее время активно развиваются методы контроля технического состояния различных промышленных и строительных объектов с применением дистанционно пилотируемых летательных аппаратов (ДПЛА) [1-4]. В основном объектами контроля являются здания и сооружения [1-2]. Результаты использования фотограмметрии уже позволяют говорить о возможности не только визуального, но и измерительного контроля отдельных элементов зданий [1] и сооружений [2]. В [3] описан успешный опыт оценки планово-высотного положения путей мостовых кранов, при этом была достигнута точность измерения соизмеримая с точностью лазерной съёмки. Как показывает опыт [4], применением специального освещения объекта съёмки и определённых методик обработки данных удаётся добиться точности моделирования небольших объектов, при которой относительная ошибка не превышает 0,03 мм. Автором на протяжении ряда лет проводились исследования по внедрению фотограмметрии в практику обследования грузоподъёмных кранов в рамках проведения экспертизы промышленной безопасности [5-6] в АО «Северный порт», Москва. Применение ДПЛА позволило значительно сократить время осмотра кранов и поиска дефектов, однако не были в полном объёме решены задачи измерения величин обнаруженных дефектов. В работе [6] показаны подходы к измерению величины прогиба стержневых элементов конструкции, однако предлагаемые в этой работе решения применимы в основном для стержневых элементов конструкции, либо для оценки краевых деформаций листов. Стоит отметить, что для оценки величины прогиба по фотографиям требуется соблюдение ряда условий [6], в частности на взаимное расположение камеры и измеряемого объекта, величину радиальных и тангенциальных искажений камеры, наличие всего объекта в кадре. Фрагментарная съёмка объектов с последующим построением объёмной цифровой модели часто не обеспечивает необходимой точности измерений [1-2].

В настоящее время применение фотограмметрии для диагностирования грузоподъёмных машин, по мнению автора, ограничивается низкой точностью измерений. Настоящая работа содержит описание результатов применения фотограмметрии для оценки деформаций элементов грузоподъёмных машин, анализ основных проблем, возникающих при их обработке и предлагаемые решения по обеспечению необходимой точности. Для повышения точности диагностирования требуется соблюдение ряда условий и рассмотренных критериев оценки.

Одной из задач, решаемых в ходе исследования, была оценка величины деформации задней стенки стойки блоков уравнительного полиспаста, возникшей вследствие аварийной ситуации при эксплуатации крана КПл-16-30. Съемка выполнялась с квадрокоптера Xiaomi Mi Drone 4K на улице при естественном освещении. Создание облака точек выполнялось в программе 3DF Zephyr Lite на основе видео.

Аппроксимация деформированной поверхности выполнялась сплайн-поверхностью второго порядка с применением функции «loess» программного комплекса MathCAD. В результате итераций была достигнута максимальная точность при погрешности измерения . Деформированная поверхность показана на рисунке 1, а её аппроксимация сплайн-поверхностью – на рисунке 2.

Рисунок 1. Местные деформации задней стенки стойки блока полиспастов КПл-15-30.	Рисунок 2. Модель деформированной поверхности, апроксимированная сплайном второго порядка.

Полученную точность нельзя считать удовлетворительной, однако при детальном анализе было установлено, что она является следствием низкой пластичности поверхности второго порядка при аппроксимации поверхностей с большими изменениями кривизны. Среднеквадратическое отклонение точек от аппроксимированной поверхности составило , что, по-видимому, является следствием низкого качества аппроксимации. При этом коэффициент асимметрии составил всего , что является показателем отсутствия ошибочных точек.

При аналогичной аппроксимации результатов фотограмметрии опорного стола вагоноопрокидывателя № 2, имеющего малую постоянную кривизну, относительная погрешность оказалась составила , хотя среднеквадратическое отклонение при этом оказалось малым и составило всего . Высокая относительная погрешность объясняется малым абсолютным значением прогиба, поэтому при оценке точности результатов фотограмметрии необходимо учитывать не только относительную погрешность и абсолютные значения отклонения. В таком случае относительную погрешность измерения предлагается определять по формуле (3):

 

                                                                                   (3)

где  – допускаемое значение прогиба согласно паспорту грузоподъёмной машины или соответствующим нормативным документам.

Помимо оценки общего деформированного состояния всего элемента, оценивалась деформация по некоторым сечениям конструкции. Для этого из облака извлекались точки, расположенные на расстоянии  от линии исследуемого сечения.

Результаты оценки деформации по среднему сечению (section A-A) распорки стойки блоков уравнительного полиспаста представлены на рисунке 3. На рисунке 3(a) показано расположение сечения A-A на модели, построенной в программе 3DF Zephyr Lite, на рисунке 3(b) показан вид на сечение A-A с облаком точек и аппроксимирующим полиномом 19-го порядка. Относительная погрешность оценки прогиба составила , , а асимметрия . График плотности распределения отклонения точек от аппроксимирующей кривой, совмещённый с гистограммой экспериментальных данных приведён на рисунке 3(c).

 

Рассмотренный пример показывает, что низкой погрешности измерения деформации даже сложных элементов можно добиться правильным выбором метода обработки результатов фотограмметрии.

 

(a)	(c)
(b)
Рисунок 3. Результаты оценки деформации в среднем сечении стойки.

Точность оценивалась сравнением результатов фотограмметрии с результатами непосредственных измерений общей и местных деформаций, выполненных на стапеле в ходе ремонтных работ. Расчёт проводился по формуле (2). По результатам проверки погрешность измерения  во всех случаях не превышает 10%.

Оценка деформации стержней и балок

Для оценки деформации стержневых элементов конструкции применялись подходы, основанные на моделировании формы изогнутой оси балки или стержня. В настоящий момент методика отработана на стержневых элементах с плоскими поверхностями, изогнутыми в одной из плоскостей и не имеющих деформации кручения.

Оценка деформации рейки механизма изменения вылета крана “Albrecht” выполнялась на основе аппроксимации поверхности её верхнего пояса плоской кривой, расположенной в срединной продольной плоскости рейки. Рейка, показанная на рисунке 4 имеет видимый изгиб в вертикальной плоскости, задачей исследования было определение его величины.

Рисунок 4. Рейка механизма изменения портального крана “Albrecht”.

Для решения поставленной задачи была выполнена видеосъёмка рейки с применением квадрокоптера Xiaomi Mi Drone 4K на улице при естественном освещении. Создание облака точек выполнялось в программе 3DF Zephyr Lite на основе видео.

Аппроксимация деформированной оси рейки выполнялась на основе аппроксимации точек верхнего пояса рейки полиномом четвёртого порядка с применением функции «regress» программного комплекса MathCAD. В результате итераций была достигнута максимальная точность при погрешности измерения . Аппроксимация деформированной оси рейки показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Аппроксимация оси рейки портального крана “Albrecht”.

Среднеквадратическое отклонение составило , а коэффициент асимметрии . Повышенное значение коэффициента асимметрии объясняется наличием ошибочных точек, соответствующих пластине ограничителя минимального вылета (выпадающие точки видны на рисунке 5 в правой верхней части, а сама пластина на рисунке 4). Проверка точности измерения непосредственными замерами с использованием струны и линейки показала погрешность .

Менее удачным оказался опыт замера прогиба направляющей электротали грузоподъёмностью 0,5 т в лаборатории грузоподъёмных машин. Несмотря на наличие калибровочных шаблонов, специально разработанных авторами точность измерений не удалось обеспечить на заданном уровне . Кроме того, значение коэффициента асимметрии также оказалось очень велико . Такие низкие результаты, по мнению авторов, объясняются целым комплексом причин: недостаточная освещённость места съёмки, наличие на балке двух электроталей, провода питания к ним и струны, на которой он закреплён. Также стоит отметить, что точность определения линейных размеров – оценка выполнялась по калибровочным шаблонам – оказалась весьма высокой: погрешность не превышает .

Оценка взаимного расположения поверхностей

При обследовании вагоноопрокидывателя №2, помимо оценки поперечных деформаций стояла задача проверить возможное скручивание металлоконструкции подвижной части. Результаты этой работы оказались не вполне удовлетворительными: измерение углов между поверхностями, расположенными рядом было выполнено с точностью до 0,5°, а для поверхностей, расположенных на противоположных сторонах вагоноопрокидывателя, расхождение между несколькими замерами составило 1,5…3°. Причинами таких расхождений являются, по мнению авторов, неудовлетворительные условия съёмки: низкая освещённость склада, наличие помехи в виде обрабатываемого вагона, съёмка с низкой разрешающей способностью камеры.

При оценке точности аппроксимации авторы предлагают использовать несколько подходов: при больших деформациях оценку погрешности выполнять по формуле (1), при малых – по формуле (3)

В целом, по мнению автора, опыт применения фотограмметрии можно считать успешным, несмотря на наличие определённых трудностей. Однако следует отметить, что предложенная методика съёмки, обработки и анализа результатов отрабатывалась для элементов конструкции с плоскими поверхностями.

Список литературы

1. Korenev V. V., Orlova N. S., Ulybin A. V. and Fedotov S. D. 2018. Building inspection of buildings and structures by means of multicopters and photogrammetry. Construction of Unique Buildings and Structures 2(65) 405-8.
2. Barbasov V. K., Orlov P. Y. and Fedorova E. A. 2016. Primenenie bespylotnykh letatelnich apparatov dlya obsledovaniya liniy electroperedachi. Electrichesciye stancii. 10 31-35.
3. Costantino D., Pepe M., Alfio V., Carrieri M. Geomatic Techniques for Monitoring and Verifying of the Wear Condition of the Runways of the Bridge Cranes. ISPRS International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-2/W18 23-30 DOI: 10.5194/isprs-archives-XLII-2-W18-23-2019.
4. Faresin and Salemi G. 2019. Buddhist stele of swat valley: point cloud analysis and interpretation Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLII-2/W18, 31-37 DOI: 10.5194/isprs-archives-XLII-2-W18-31-2019
5. Ganshkevich A. Y. and Turkin A. G. 2018. Perspectivy ispol`zovaniya portativnyh letatelnykh apparatov pri tekhnichescom diagnostirovanii gruzopod`emnikh cranov. [Perspectives for the use of portable aircraft in technical diagnostics of hoisting cranes] Sbornik dokladov XXI Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii “Interstroymech–2018” [Proc. 21st Int. and Technical Conf. "Interctroymech–2018"] (Moscow: MGSU Publ.) 298-301 (In Russian).
6. Ganshkevich A. Y., Turkin A. G., Stoyantsov N. M., Shikhov N. S. and Rozov V. V. 2019. [Some aspects of application of unmanned aerial vehicles for technical diagnosing of lifting cranes.] Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii “Energo- resursocberegauschie technologii i oborudovanie v dorojnoy i stroitel`noy otraslyakh” [Mater. Int. and Technical Conf. "Energy-saving and resource-saving technologies and equipment in the road and construction industries"] (Belgorod: BSTU Publ.) 22-28 (In Russian).