在役門(mén)座式起重機(jī)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)探討*

黃國(guó)健 劉柏清 王新華 齊凱 何成忠 江愛(ài)華

（廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院研發(fā)中心）

1 引言

起重機(jī)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(yùn)動(dòng)空間，以完成起重機(jī)的各項(xiàng)功能。金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)直接影響著整機(jī)的安全性和可靠性。門(mén)座起重機(jī)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(zhǎng)；其金屬結(jié)構(gòu)隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)必然會(huì)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(fèi)用的限制，很多有結(jié)構(gòu)損傷的門(mén)座起重機(jī)仍在港口第一線繁忙作業(yè)，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅。為了對(duì)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)、有效的管理，保證其安全使用，在起重機(jī)使用一定年限后對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試和評(píng)價(jià)有著重要的意義[1～7]。

試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)是理論應(yīng)力應(yīng)變分析的一個(gè)重要分支，它采用試驗(yàn)的方法來(lái)研究工程機(jī)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，其中電測(cè)技術(shù)是重要手段之一。本文以某港口一臺(tái)型號(hào)為MQ1030、使用了25年的門(mén)座起重機(jī)為例，采用基于電阻應(yīng)變片傳感的應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行一次較全面的結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)測(cè)試，了解整機(jī)在動(dòng)態(tài)吊載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)特性研究其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件強(qiáng)度、剛度。同時(shí)，確定整機(jī)工作過(guò)程中的負(fù)載譜，為其后期進(jìn)行的金屬結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)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(shí)，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(guò)粘結(jié)劑和電阻應(yīng)變片的基底傳遞給敏感柵，此時(shí)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(zhǎng)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(guò)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鞯淖兓士墒褂酶鞣N形式的靜、動(dòng)態(tài)電子應(yīng)變儀將該電信號(hào)放大后轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變信號(hào)，由儀器直接測(cè)取金屬構(gòu)件的應(yīng)力與應(yīng)變。

3 測(cè)試方案

本次測(cè)試根據(jù)門(mén)座起重機(jī)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(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置如表1所示。測(cè)試點(diǎn)表面經(jīng)過(guò)打磨后，采用型號(hào)FLA-5-11電阻式應(yīng)變傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)貼片，選用eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用專(zhuān)業(yè)分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理和分析。具體測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

本次結(jié)構(gòu)與載荷響應(yīng)測(cè)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(shí)際測(cè)試配重出現(xiàn)上下少許浮動(dòng)。

表1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置表

圖1 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布圖

表2 應(yīng)力測(cè)試工況表

4 結(jié)果分析與討論

本次測(cè)試的采樣頻率為1024Hz，16個(gè)測(cè)試通道同時(shí)采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)的信號(hào)處理過(guò)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(cè)試結(jié)果可以看出，該起重機(jī)在不同測(cè)試工況下，應(yīng)力比較大的測(cè)試點(diǎn)為：第2點(diǎn)（即后拉桿左邊）、第4點(diǎn)（臂架中下部上表面左位置）、第8點(diǎn)（平衡梁根部上表面左位置）、第9點(diǎn)（轉(zhuǎn)柱上部左前表面）、第11點(diǎn)（轉(zhuǎn)柱上部右前表面）、第15點(diǎn)（小拉桿左邊中部下表面）。具體位置參見(jiàn)圖1測(cè)點(diǎn)布置圖。最大應(yīng)力出現(xiàn)在第5工況下測(cè)點(diǎn)15處，其最大動(dòng)應(yīng)力為136.34MPa。一般情況下，起重機(jī)對(duì)稱(chēng)點(diǎn)的應(yīng)力值大小應(yīng)該近似相等，但是從圖5中的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，比較對(duì)稱(chēng)點(diǎn)4和5、9和11、10和12、15和16可以發(fā)現(xiàn)其測(cè)點(diǎn)力值相差較大，而且以臂架軸線為對(duì)稱(chēng)軸，背向平衡臂時(shí)，左側(cè)應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右側(cè)應(yīng)力值，由此說(shuō)明起重機(jī)在起吊載荷的過(guò)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，本次所有工況采集到的數(shù)據(jù)波動(dòng)頻率均低于5Hz，主頻集中在0.05Hz附近，符合起重機(jī)動(dòng)剛度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本次應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)了該機(jī)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(jī)的維修記錄中多次描述的小拉桿斷裂、臂架?chē)?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(shuō)明結(jié)構(gòu)受力不均問(wèn)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(jī)的使用安全，存在較大的安全隱患。

應(yīng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)測(cè)試中能夠客觀地反映起重機(jī)結(jié)構(gòu)情況，為起重機(jī)安全監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。該技術(shù)的推廣將為起重機(jī)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。

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