張 敏，唐朝暉，何 非，李東波

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

橋式起重機(jī)常用于港口、碼頭、建筑工地和工廠等人群密集場(chǎng)所，并且其承受的載荷大，移動(dòng)范圍大，所以對(duì)于橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)可靠性要求很高［1］。傳統(tǒng)情況下，起重機(jī)的故障檢測(cè)是由檢驗(yàn)員帶著實(shí)驗(yàn)儀器到各個(gè)工作地點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通過得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制訂維修和保養(yǎng)方案［2］。然而這種方法不僅工作繁瑣危險(xiǎn)，而且不能在第一時(shí)間得到起重機(jī)的具體故障數(shù)據(jù)，不利于起重機(jī)的保護(hù)和工作效率的提高，因此迫切需要開發(fā)一種橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效檢測(cè)系統(tǒng)。

在線應(yīng)變測(cè)試是研究金屬結(jié)構(gòu)失效的重要方法，對(duì)不同工況下的橋式起重機(jī)械各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)是保證起重機(jī)安全工作的重要手段，對(duì)提高起重機(jī)工作效率具有重要意義。當(dāng)前，采用電阻應(yīng)變片電測(cè)法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)，是對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、裝配的可靠性和安全性進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)的常用手段。

1 金屬結(jié)構(gòu)失效表現(xiàn)

彈性變形失效、塑性變形失效、韌性變形失效、脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、腐蝕失效、磨損失效是金屬結(jié)構(gòu)失效的主要表現(xiàn)形式。在大多數(shù)工況下，橋式起重機(jī)的工作狀況差，不僅承受負(fù)載較大，而且機(jī)器啟制動(dòng)頻繁，導(dǎo)致橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效形式的多樣性。由橋式起重機(jī)的使用情況可知，疲勞裂紋以及疲勞裂紋擴(kuò)展是其金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式。這種失效形式主要是因?yàn)闃蚴狡鹬貦C(jī)的某些部位在其運(yùn)行狀態(tài)下承受連續(xù)的應(yīng)力出現(xiàn)裂紋，甚至因裂紋擴(kuò)展使其承載能力下降，從而失效。疲勞破壞是由損傷逐漸累積而形成的。疲勞破壞發(fā)生非常突然，破壞性也很大，發(fā)生前除了微觀的裂紋外，設(shè)備不會(huì)發(fā)生明顯的宏觀塑性變形。

2 應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 結(jié)構(gòu)和工作原理

本文中所述的橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效檢測(cè)系統(tǒng)主要工作過程如下:利用有限元技術(shù)對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行建模，分析出易產(chǎn)生較大應(yīng)力應(yīng)變的特殊部位，在該特殊部位貼電阻應(yīng)變片采集應(yīng)變信號(hào)，使用電阻應(yīng)變儀進(jìn)行信號(hào)采集、存儲(chǔ)、處理，再通過遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)顯示結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2．2 電阻應(yīng)變片的分布

橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)主要分為3個(gè)部分，即主梁、端梁和支架［3］。主梁和端梁的主要作用是承受小車及貨物的重力，支架主要起支撐整個(gè)桁架的作用。由于主梁、端梁和支架均是焊接而成，在焊縫附近存在殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力集中，另外焊接時(shí)殘余熱應(yīng)力沒有釋放，因而焊縫處通常是疲勞破壞的位置。起重機(jī)的工作方式具有間斷性、重復(fù)性的特點(diǎn)，因而起重機(jī)的主梁反復(fù)承受著低于材料屈服極限的交變應(yīng)力作用，雖然材料不會(huì)發(fā)生塑性變形，但在結(jié)構(gòu)有缺陷的部位(如焊縫處)會(huì)逐漸形成裂紋，并一步步擴(kuò)展，因此用來測(cè)量應(yīng)變的電阻應(yīng)變片應(yīng)該安裝在內(nèi)部結(jié)構(gòu)有缺陷、極易發(fā)生疲勞破壞的部位。應(yīng)變片具體安裝位置如圖2、圖3所示。

圖2 前視面應(yīng)變片位置

圖3 端面應(yīng)變片位置

2．3 數(shù)據(jù)采集

橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效檢測(cè)系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，即傳感部分、數(shù)據(jù)采集部分和控制處理部分。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，應(yīng)變儀內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 應(yīng)變儀內(nèi)部系統(tǒng)圖

動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的作用是通過橋式電路測(cè)量電阻應(yīng)變片的微弱的電阻變化，并以電壓信號(hào)的形式輸出，再通過差動(dòng)放大器、調(diào)制電路、濾波電路等將電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，將數(shù)據(jù)信息傳送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理。

電橋的電路類型是由電橋盒設(shè)置的。根據(jù)電橋中可變電阻連接方式，電橋可分為單電橋、雙電橋和全電橋3種電橋電路。本文所采用的動(dòng)態(tài)電阻儀使用單電橋電路，如圖6所示。

圖6 應(yīng)變單電橋電路

本方案采用的通用型八通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀是由北京時(shí)代龍城科技有限公司提供的LC21DT01/02型動(dòng)態(tài)電阻儀。該動(dòng)態(tài)電阻儀采用電子自動(dòng)平衡，具有以下優(yōu)點(diǎn):寬頻響、高阻抗、低噪聲、低漂移;自動(dòng)修正長導(dǎo)線誤差;能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、動(dòng)力強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)變形的動(dòng)態(tài)測(cè)量。LC21DT01通用型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的具體參數(shù)見表1。

表1 應(yīng)變儀參數(shù)表

2．4 數(shù)據(jù)控制處理

為了方便在中遠(yuǎn)距離對(duì)橋式起重機(jī)金屬失效進(jìn)行檢測(cè)，采用GPRS無線信號(hào)傳輸方式。系統(tǒng)使用的是唐山平升電子技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的DATA－6123 GPRSDTU模塊，如圖7所示，該模塊具有低功耗、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。特殊檢測(cè)部分的應(yīng)變信號(hào)通過RS232和GPRS DTU相連，并將數(shù)據(jù)傳入DTU模塊的儲(chǔ)存區(qū)，進(jìn)入DTU的數(shù)據(jù)被封裝成適用于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)后發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)。最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入Internet被指定IP地址的用戶讀取。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)處理讀取的數(shù)據(jù)，最后通過 Labview直觀顯示出來。圖8所示為DTU模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖7 DATA－6123 GPRSDTU模塊

3 結(jié)束語

圖8 GPRSDTU模塊結(jié)構(gòu)圖

本文所述的橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)，能夠在起重機(jī)工作時(shí)檢測(cè)其主要結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，并將應(yīng)變信號(hào)在虛擬終端上直觀顯示出來，從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效的檢測(cè)，為起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)失效檢測(cè)提供了一種更好的解決方案。由于條件限制，文中所設(shè)計(jì)的橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)失效檢測(cè)系統(tǒng)沒有相關(guān)的設(shè)備和試驗(yàn)支撐，且對(duì)于長期在線應(yīng)變檢測(cè)存在一定的局限性。

［1］ 樊仁才，李松玲．港口門座狀態(tài)監(jiān)控方法設(shè)計(jì)［J］．機(jī)電設(shè)備，2003(6):13－17．

［2］ 林衛(wèi)國．港口機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2006:24－35．

［3］ 吳維維，王全先，湯偉．大跨距雙梁門式起重機(jī)桁架主梁的有限元分析［J］．機(jī)械工程師，2010(5):65－67．