一種橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效檢測系統(tǒng)設(shè)計

張 敏，唐朝暉，何 非，李東波

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

橋式起重機常用于港口、碼頭、建筑工地和工廠等人群密集場所，并且其承受的載荷大，移動范圍大，所以對于橋式起重機的結(jié)構(gòu)可靠性要求很高［1］。傳統(tǒng)情況下，起重機的故障檢測是由檢驗員帶著實驗儀器到各個工作地點進行檢測，通過得到的實驗數(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，而且不能在第一時間得到起重機的具體故障數(shù)據(jù)，不利于起重機的保護和工作效率的提高，因此迫切需要開發(fā)一種橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效檢測系統(tǒng)。

在線應(yīng)變測試是研究金屬結(jié)構(gòu)失效的重要方法，對不同工況下的橋式起重機械各個結(jié)構(gòu)進行應(yīng)變檢測是保證起重機安全工作的重要手段，對提高起重機工作效率具有重要意義。當前，采用電阻應(yīng)變片電測法進行應(yīng)力應(yīng)變檢測，是對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、裝配的可靠性和安全性進行測試、分析和評價的常用手段。

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，橋式起重機的工作狀況差，不僅承受負載較大，而且機器啟制動頻繁，導(dǎo)致橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效形式的多樣性。由橋式起重機的使用情況可知，疲勞裂紋以及疲勞裂紋擴展是其金屬結(jié)構(gòu)失效的主要形式。這種失效形式主要是因為橋式起重機的某些部位在其運行狀態(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)備不會發(fā)生明顯的宏觀塑性變形。

2 應(yīng)變檢測系統(tǒng)設(shè)計

2．1 結(jié)構(gòu)和工作原理

本文中所述的橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效檢測系統(tǒng)主要工作過程如下:利用有限元技術(shù)對橋式起重機進行建模，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，使用電阻應(yīng)變儀進行信號采集、存儲、處理，再通過遠程信號傳輸技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞到上位機顯示結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2．2 電阻應(yīng)變片的分布

橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)主要分為3個部分，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。起重機的工作方式具有間斷性、重復(fù)性的特點，因而起重機的主梁反復(fù)承受著低于材料屈服極限的交變應(yīng)力作用，雖然材料不會發(fā)生塑性變形，但在結(jié)構(gòu)有缺陷的部位(如焊縫處)會逐漸形成裂紋，并一步步擴展，因此用來測量應(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

橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效檢測系統(tǒng)由3個部分組成，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 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 應(yīng)變儀內(nèi)部系統(tǒng)圖

動態(tài)應(yīng)變儀的作用是通過橋式電路測量電阻應(yīng)變片的微弱的電阻變化，并以電壓信號的形式輸出，再通過差動放大器、調(diào)制電路、濾波電路等將電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，將數(shù)據(jù)信息傳送至計算機存儲和處理。

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態(tài)應(yīng)變儀是由北京時代龍城科技有限公司提供的LC21DT01/02型動態(tài)電阻儀。該動態(tài)電阻儀采用電子自動平衡，具有以下優(yōu)點:寬頻響、高阻抗、低噪聲、低漂移;自動修正長導(dǎo)線誤差;能夠進行應(yīng)力分析、動力強度、結(jié)構(gòu)變形的動態(tài)測量。LC21DT01通用型動態(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

為了方便在中遠距離對橋式起重機金屬失效進行檢測，采用GPRS無線信號傳輸方式。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。特殊檢測部分的應(yīng)變信號通過RS232和GPRS DTU相連，并將數(shù)據(jù)傳入DTU模塊的儲存區(qū)，進入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)進入Internet被指定IP地址的用戶讀取。采用虛擬樣機技術(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金屬結(jié)構(gòu)失效檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性強，能夠在起重機工作時檢測其主要結(jié)構(gòu)應(yīng)變情況，并將應(yīng)變信號在虛擬終端上直觀顯示出來，從而間接實現(xiàn)對橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效的檢測，為起重機械金屬結(jié)構(gòu)失效檢測提供了一種更好的解決方案。由于條件限制，文中所設(shè)計的橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)失效檢測系統(tǒng)沒有相關(guān)的設(shè)備和試驗支撐，且對于長期在線應(yīng)變檢測存在一定的局限性。

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

［2］ 林衛(wèi)國．港口機械結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線監(jiān)測系統(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桁架主梁的有限元分析［J］．機械工程師，2010(5):65－67．