黃國健 劉柏清 王新華 齊凱 何成忠 江愛華

（廣州市特種機電設(shè)備檢測研究院研發(fā)中心）

1 引言

起重機金屬結(jié)構(gòu)的主要作用是承受設(shè)備的自重和外載荷，并構(gòu)成必要的工作體系和運動空間，以完成起重機的各項功能。金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)直接影響著整機的安全性和可靠性。門座起重機在港口中應(yīng)用廣泛、使用頻繁、工作環(huán)境惡劣、且服役周期長；其金屬結(jié)構(gòu)隨著服役時間的增長必然會出現(xiàn)不同程度的損傷。由于港口具體條件和設(shè)備更新費用的限制，很多有結(jié)構(gòu)損傷的門座起重機仍在港口第一線繁忙作業(yè)，對安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅。為了對設(shè)備進行科學(xué)、有效的管理，保證其安全使用，在起重機使用一定年限后對其金屬結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力測試和評價有著重要的意義[1～7]。

試驗應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)是理論應(yīng)力應(yīng)變分析的一個重要分支，它采用試驗的方法來研究工程機構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，其中電測技術(shù)是重要手段之一。本文以某港口一臺型號為MQ1030、使用了25年的門座起重機為例，采用基于電阻應(yīng)變片傳感的應(yīng)力測試技術(shù)，進行一次較全面的結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)測試，了解整機在動態(tài)吊載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，并對其進行頻譜分析，根據(jù)統(tǒng)計特性研究其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件強度、剛度。同時，確定整機工作過程中的負載譜，為其后期進行的金屬結(jié)構(gòu)耐久性評估提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 電阻應(yīng)變片工作原理及其結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片是電阻式敏感元件，由基底、敏感柵、覆蓋層和引線四部分組成。當(dāng)構(gòu)件受外力作用發(fā)生變形時，用粘結(jié)劑貼于構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片亦產(chǎn)生變形。構(gòu)件的變形通過粘結(jié)劑和電阻應(yīng)變片的基底傳遞給敏感柵，此時敏感柵亦隨試件一起變形，從而引起電阻應(yīng)變片電阻值的變化，其變化大小與貼片處構(gòu)件的平均應(yīng)變值成正比。

R=QL/S

其中：R為導(dǎo)體電阻；Q為導(dǎo)體材料電阻率；L為導(dǎo)體長度；S為導(dǎo)體橫截面面積。

由于貼于構(gòu)件上的電阻應(yīng)變片阻值的變化，可通過應(yīng)變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓?，故可使用各種形式的靜、動態(tài)電子應(yīng)變儀將該電信號放大后轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變信號，由儀器直接測取金屬構(gòu)件的應(yīng)力與應(yīng)變。

3 測試方案

本次測試根據(jù)門座起重機金屬結(jié)構(gòu)的受力關(guān)鍵部位、應(yīng)力集中和變截面等原則選取16個測點，具體位置如表1所示。測試點表面經(jīng)過打磨后，采用型號FLA-5-11電阻式應(yīng)變傳感器進行現(xiàn)場貼片，選用eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時采集，并利用專業(yè)分析軟件對原始數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理和分析。具體測點分布如圖1所示。

本次結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)測試有表2所示的5種典型工況，涉及的載荷有空載、中間載荷和大載荷三種選取方式，并根據(jù)實際測試配重出現(xiàn)上下少許浮動。

表1 應(yīng)力測點位置表

圖1 應(yīng)力測點分布圖

表2 應(yīng)力測試工況表

4 結(jié)果分析與討論

本次測試的采樣頻率為1024Hz，16個測試通道同時采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，現(xiàn)場原始數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)的信號處理過程后結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 Channel2應(yīng)力變化情況圖

圖3 工況I各通道應(yīng)力數(shù)據(jù)極值圖

圖4 工況IV各通道應(yīng)力數(shù)據(jù)極值圖

圖5 工況I采集數(shù)據(jù)頻譜曲線圖

由測試結(jié)果可以看出，該起重機在不同測試工況下，應(yīng)力比較大的測試點為：第2點（即后拉桿左邊）、第4點（臂架中下部上表面左位置）、第8點（平衡梁根部上表面左位置）、第9點（轉(zhuǎn)柱上部左前表面）、第11點（轉(zhuǎn)柱上部右前表面）、第15點（小拉桿左邊中部下表面）。具體位置參見圖1測點布置圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在第5工況下測點15處，其最大動應(yīng)力為136.34MPa。一般情況下，起重機對稱點的應(yīng)力值大小應(yīng)該近似相等，但是從圖5中的測試數(shù)據(jù)來看，比較對稱點4和5、9和11、10和12、15和16可以發(fā)現(xiàn)其測點力值相差較大，而且以臂架軸線為對稱軸，背向平衡臂時，左側(cè)應(yīng)力值遠遠大于右側(cè)應(yīng)力值，由此說明起重機在起吊載荷的過程中，存在結(jié)構(gòu)受力不均現(xiàn)象，在小拉桿等結(jié)構(gòu)處尤為明顯。

對測試數(shù)據(jù)進行頻譜分析，本次所有工況采集到的數(shù)據(jù)波動頻率均低于5Hz，主頻集中在0.05Hz附近，符合起重機動剛度要求。

5 結(jié)束語

通過本次應(yīng)力測試發(fā)現(xiàn)了該機金屬結(jié)構(gòu)臂架和小拉桿存在較為明顯的受力不均。該機的維修記錄中多次描述的小拉桿斷裂、臂架嚴(yán)重塑性變形等現(xiàn)象，臂架在更換七年之后再次出現(xiàn)明顯塑性變形，說明結(jié)構(gòu)受力不均問題可能是其設(shè)備失效的主要原因之一，這嚴(yán)重地影響到該起重機的使用安全，存在較大的安全隱患。

應(yīng)力測試技術(shù)應(yīng)用到起重機金屬結(jié)構(gòu)測試中能夠客觀地反映起重機結(jié)構(gòu)情況，為起重機安全監(jiān)測及評價提供可靠的數(shù)據(jù)支持。該技術(shù)的推廣將為起重機健康監(jiān)測的發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。

[1] 涂振祥,黃海.基于劣化指數(shù)的門座起重機安全性評價系統(tǒng)研究[J].中國水運,2009,9(8):140-141.

[2] 陶徳馨,等.港口起重機金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的檢測、評定與分析[J].起重運輸機械,1994,1:27-29.

[3] 張勤超,諸克貴,等.門座起重機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試及疲勞壽命估算[J].建筑機械,2010,1:61-63.

[4] Gordon R Drummond,Kevin F Fraser,John Little,et al.Assessing the structure integrity of crane booms using acoustic emission[C].EWGAE 2002 25th Euro-pean Conference on Acoustic Emission Testing Prague.Czech Republic:2002.

[5] 朱英敏,藍軍,等.應(yīng)力應(yīng)變電測技術(shù)在內(nèi)燃機測量中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,1997:5:29-31.

[6] 劉晗.應(yīng)變電測技術(shù)在狀態(tài)測試與評估中的應(yīng)用研究[J].寶鋼技術(shù),2004,3:51-55.

[7] 裴艷陽.應(yīng)變電測技術(shù)應(yīng)用在材料應(yīng)力測試中的實例[J].大眾科技,2008,10:117-118.