無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)在游樂設(shè)施檢驗中的應(yīng)用

王曉亮 陳衛(wèi)衛(wèi) 馬東云

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)在游樂設(shè)施檢驗中的應(yīng)用

王曉亮 陳衛(wèi)衛(wèi) 馬東云

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

大型游樂設(shè)施運(yùn)行工況復(fù)雜，結(jié)構(gòu)受力多變，無法準(zhǔn)確計算其應(yīng)力結(jié)果。傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)無法滿足大型游樂設(shè)施運(yùn)行形式復(fù)雜、傳輸距離遠(yuǎn)和安裝空間小等使用條件。本文介紹了無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)的基本原理，及其在大擺錘檢驗中的應(yīng)用實例。測試結(jié)果表明無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)在大型游樂設(shè)施檢驗中具有很好的前景。

無線應(yīng)力應(yīng)變測試 游樂設(shè)施 大擺錘

近幾年，游樂設(shè)施受到了大家的歡迎，尤其是大擺錘，其在觀覽車類游樂設(shè)施中增長速度最快、年客流量大［1］。但是，大擺錘也是存在潛在風(fēng)險最多的游樂設(shè)施之一。例如：大擺錘發(fā)生過回轉(zhuǎn)支承中高強(qiáng)螺栓斷裂、減速機(jī)齒輪傳動失效、減速機(jī)傳動軸斷裂等等［2］。學(xué)者們對大擺錘做了許多的研究。孫超［1］對大擺錘減速機(jī)齒輪進(jìn)行了有限元接觸的分析，為大擺錘的疲勞分析、壽命預(yù)測以及齒輪優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。劉海生［3］對大擺錘轉(zhuǎn)筒及吊臂進(jìn)行了受力分析，得到了其應(yīng)力分布場。宋偉科［4］對大擺錘驅(qū)動頭進(jìn)行了動力學(xué)建模與仿真研究，進(jìn)行了驅(qū)動軸疲勞強(qiáng)度計算，為大擺錘的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。閆石［5］對大擺錘的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析及測試研究，提出風(fēng)載、設(shè)備自重及乘客重量引起的負(fù)載在大擺錘的工作負(fù)載中占比不大，大擺錘工作時承受的負(fù)載主要來自設(shè)備劇烈的運(yùn)動，大臂上各點(diǎn)處應(yīng)力值隨驅(qū)動力周期性的加載也呈現(xiàn)周期性變化。

雖然有限元軟件可以對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何體進(jìn)行建模分析得出計算結(jié)果，但是，計算結(jié)果精確度浮動性比較大，而且對建模水平和邊界條件依賴較大、模擬的載荷工況與實際工況有較大差別。而應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)能很好的克服這些問題，可以用于完成結(jié)構(gòu)及零件等的受力情況的分析與研究，對工作的可靠性進(jìn)行判定，還可以用于驗證設(shè)計計算結(jié)果的正確性，確定設(shè)備運(yùn)行過程中的某些現(xiàn)象的機(jī)械原理［6-7］。基于傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)存在的問題，發(fā)現(xiàn)其已無法滿足大型游樂設(shè)施運(yùn)行形式復(fù)雜、傳輸距離遠(yuǎn)和安裝空間小等使用條件。近幾年開發(fā)的無線應(yīng)力應(yīng)變測試具有測試穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、低功耗、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在大型設(shè)施檢測中得到越來越廣泛地應(yīng)用。因此，本文采用無線應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)對大擺錘關(guān)鍵部位進(jìn)行分析，以期為工程實踐提供指導(dǎo)。

1 無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)

無線應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)主要是基于無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)的一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集軟件、無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)、帶線及適配插座的應(yīng)變片組成，見圖1。

圖1 無線應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)

無線應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)省略了繁瑣的布線工作，無線數(shù)字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統(tǒng)具有極高的測量度和抗干擾能力。其主要原理是將應(yīng)變片的阻值變化通過無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺瑹o線傳輸給計算機(jī)，利用應(yīng)用軟件對采集到的電壓信號進(jìn)行處理分析。目前，最為成熟、運(yùn)用最為廣泛的是電阻式應(yīng)力應(yīng)變測試。

1.1 應(yīng)變片的工作原理［8］

如圖2所示，電阻應(yīng)變片主要由引出線、覆蓋層、敏感柵、基底以及粘結(jié)劑組成［9］。敏感柵作為最主要的組成部分，其可看作普通的電阻絲。因此，柵絲的阻值將隨其幾何形狀和材料性能的改變而不同［10］。

圖2 應(yīng)變片的構(gòu)成

假設(shè)有一根橫截面直徑為D，原始長度為L，電阻率為ρ的金屬電阻絲，那么，該電阻絲的初始電阻值為：

式中：

在軸向外力作用下，電阻絲會產(chǎn)生變形，沿著外力的方向拉伸（或收縮），相應(yīng)地，截面尺寸會減?。ɑ蜃兇螅Ｒ虼?，電阻值會隨之發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，如圖3所示。

圖3 電阻應(yīng)變效應(yīng)分析

假設(shè)電阻沿軸向的變化為ΔL，截面尺寸變化為ΔD，已知導(dǎo)線的橫截面原面積為A，其相對變化為：

式中：

μ ——金屬電阻絲的泊松比；

表示為：

在電阻絲伸長過程中，電阻值也發(fā)生變化，其值為：

其中K為單根金屬電阻絲的靈敏度系數(shù)。式（3）表明，金屬絲的電阻變化率與其軸向應(yīng)變成正比例關(guān)系。因此，在將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程中，優(yōu)先選用能較好地產(chǎn)生電阻變化的材料。

1.2 應(yīng)變花的工作原理［11-12］

實際工程應(yīng)用中，有些測試部位的應(yīng)力狀況比較復(fù)雜，在此種情況下，并不能準(zhǔn)確地確定其主應(yīng)力方向，僅僅利用應(yīng)變片不能達(dá)到目的［13］。因此，對于應(yīng)力狀況復(fù)雜的構(gòu)件，人們往往采用應(yīng)變花來分別測出任意三個方向的線應(yīng)變，再根據(jù)相關(guān)計算公式求出主應(yīng)力和主應(yīng)變。如圖4所示，設(shè)沿三個方向θ1、θ2、θ3貼應(yīng)變片（方向不做要求，隨意設(shè)置），測得三個方向的應(yīng)變分別為ε1、ε2、ε3，根據(jù)應(yīng)變狀態(tài)理論公式［12］：

圖4 應(yīng)變花測量原理

從而解出三個未知參數(shù)εx、εy、γxy，再根據(jù)以下公式計算出主應(yīng)力σmax、σmin和主方向與x軸的夾角φ。

最后根據(jù)第四強(qiáng)度理論，求出該測試點(diǎn)的合成應(yīng)力

式中：

1.3 應(yīng)變電橋的工作原理［14-15］

苗頭預(yù)測法的運(yùn)用并不只是簡單地把糾紛變化的苗頭預(yù)測出來，更關(guān)鍵的是，勞動爭議調(diào)解員對預(yù)測出來的糾紛發(fā)展的苗頭要給予高度重視，并及時積極行動起來，進(jìn)行妥善地處理，把苗頭抑制并消除在萌芽狀態(tài)，防患于未然。如果預(yù)測到了糾紛變化的各種苗頭后．不去積極預(yù)防，反而是“一拖二躲三搪塞”，只會使糾紛越來越復(fù)雜，越來越難處理，并使勞動爭議調(diào)解員的信譽(yù)受到影響，最終失去勞資雙方當(dāng)事人的信任。

電阻應(yīng)變計通常采用電橋測量電路，電橋就是將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕碾娐?。電橋接橋方式分為三種形式：單臂、半橋和全橋。假設(shè)：供橋電壓為U，電橋輸出電壓為U0。三種橋路的輸出電壓U0和應(yīng)變ε的線性關(guān)系分別為：

單臂：

半橋：

全橋：

在實際的測量中，利用不同電橋的基本特性，采用不同的連接方法可以達(dá)到不同的測量目的。三種電橋的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 三種電橋優(yōu)缺點(diǎn)

2 游樂設(shè)施檢驗中的應(yīng)用

2.1 設(shè)備參數(shù)

以大型游樂設(shè)施中的大擺錘為例，進(jìn)行無線應(yīng)力應(yīng)變測試。大擺錘的主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要工作原理為：在電機(jī)驅(qū)動下，大臂繞水平軸擺動，同時電機(jī)驅(qū)動座艙繞大臂軸旋轉(zhuǎn)。大擺錘的主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)見表2。

圖5 大擺錘設(shè)備

表2 結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)

本次測試采用基于802.15.4協(xié)議的新型SG403/ SG404無線傳感器應(yīng)變節(jié)點(diǎn)。SG403/SG404節(jié)點(diǎn)具有使用簡單方便，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮便攜性、操作復(fù)雜程度等因素，在能滿足試驗要求的情況下，盡量選擇比較簡單的橋路，本次測試采用的是單臂電橋，見圖6。

圖6 無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)及電橋方式

大型游樂設(shè)施無線應(yīng)力應(yīng)變測試中，測試點(diǎn)的確定和選擇主要考慮以下三個方面：

1）依據(jù)游樂設(shè)施設(shè)計規(guī)范，選擇相應(yīng)的重要零部件和關(guān)鍵軸。

2）應(yīng)力測試布點(diǎn)要考慮整機(jī)的運(yùn)動特點(diǎn)，最好考察整機(jī)的最大應(yīng)力狀態(tài)。

3）現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)的制造安裝與原設(shè)計有較大誤差的部位。

本次測試選擇了6個測試點(diǎn)，分別對大擺錘中的立柱頂端內(nèi)側(cè)、立柱底端外側(cè)、主力臂底部右側(cè)、回轉(zhuǎn)圓盤支撐臂頂端、回轉(zhuǎn)圓盤支撐臂底端、座椅支撐座底部進(jìn)行了滿載工況和偏載工況（25%滿載）測試。具體應(yīng)變片布片位置見表3，具體布片見圖7。

表3 布片位置

（續(xù)表）

圖7 布片位置示意圖

3 結(jié)果分析

由于大擺錘自重較大，因此不能忽略自重應(yīng)力的影響。被測試設(shè)備采用的材質(zhì)為S355、測試部位的抗拉強(qiáng)度σb為制造單位提供的材質(zhì)單中的數(shù)據(jù)、自重應(yīng)力σ0為制造單位提供的計算分析數(shù)據(jù)，見表4。

表4 抗拉強(qiáng)度、自重應(yīng)力表/MPa

經(jīng)過滿載工況和偏載工況（25%滿載）的應(yīng)力測試，得到6個測試點(diǎn)的應(yīng)力-時間歷程圖，圖8給出了滿載工況下，6個測試點(diǎn)的應(yīng)力-時間歷程圖。

圖8 應(yīng)力時間歷程圖

以滿載應(yīng)力測試分析為例：滿載應(yīng)力值σ滿可由應(yīng)力應(yīng)變測試直接得出數(shù)據(jù)，由于考慮到自重應(yīng)力σ0的作用，故最大滿載應(yīng)力σ滿max= σ0+σ滿，進(jìn)而可以計算出測試部位的安全系數(shù)n = σb/σ滿max。偏載同理，計算結(jié)果見表5、表6。

表5 滿載應(yīng)力表

表6 偏載應(yīng)力表

（續(xù)表）

對比分析表5、表6可以得出：

1）滿載與偏載（25%）兩種工況下，測試點(diǎn)1、測試點(diǎn)2為大擺錘受力比較大的部位；

2）滿載工況下，大擺錘的最小應(yīng)力值測試點(diǎn)為測試點(diǎn)3，測試點(diǎn)4、5、6即座艙附近的應(yīng)力值較為穩(wěn)定，偏載（25%）工況下，大擺錘的最小應(yīng)力值測試點(diǎn)為測試點(diǎn)6，這是由于偏載較滿載的負(fù)重減小，因此應(yīng)力值比滿載時降低大約27.7%。

3）通過對應(yīng)力測試結(jié)果的計算分析，滿載與偏載（25%）兩種工況的最小安全系數(shù)值分別為12.8和12.5。根據(jù)《游樂設(shè)施安全規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)要求，一般構(gòu)件的安全系數(shù)n≥3.5，所以6個測試點(diǎn)在滿載工況及偏載（25%）工況下的安全系數(shù)均符合要求。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)對大擺錘進(jìn)行測試，確定了滿載工況及偏載（25%滿載）工況下大擺錘關(guān)鍵受力部位的安全系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，找出了游樂設(shè)備中安全系數(shù)較低的薄弱部位，為以后的設(shè)計改進(jìn)有很好的指導(dǎo)作用，對游樂設(shè)施事故的發(fā)生起到了預(yù)防作用。無線應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)作為一種有效的測試技術(shù)，實現(xiàn)了無線傳輸信號，解決了傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變測試無法應(yīng)對游樂設(shè)施復(fù)雜工況測試的難題，在游樂設(shè)施檢驗檢測中具有很好的前景。

［1］ 孫超，項輝宇，李鶴，等.大擺錘減速機(jī)齒輪有限元接觸的分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015，28（3）：77-79.

［2］ 韓興乾，陳東帆，陳維濤，等.基于ANSYS的圓錐齒輪參數(shù)化建模及接觸分析［J］.機(jī)械傳動，2013，37（11）：94-98.

［3］ 劉海生，王會剛，董英楠.基于ANSYS游樂設(shè)備大擺錘三維設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010，6（2）：45-46.

［4］ 宋偉科，單宇佳，趙欣.大擺錘驅(qū)動頭動力學(xué)建模與仿真研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2015，44（11）：16-20.

［5］ 閆石.游樂設(shè)備大擺錘的結(jié)構(gòu)分析及測試研究［D］.山西：太原理工大學(xué)，2015.

［6］ 衛(wèi)志勇，郭應(yīng)征，周毅雷.測試靈敏度系數(shù)的理論分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2008，25（2）：101-103.

［7］ 葉迎西，孫天賀，艾廷廷.溫度對電阻應(yīng)變片測量精度影響的仿真研究［J］.沈陽航天航空大學(xué)學(xué)報，2013，30（2）：27-31.

［8］ 許欣華，鄧宗白.工程試驗力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［9］ 尹福炎.電阻應(yīng)變片與應(yīng)變傳遞原理研究［J］.衡器，2010，39（2）：1-8.

［10］ 肖斌，高振玲.從應(yīng)變計現(xiàn)狀看電阻式傳感器的前景［J］.華北航天工業(yè)學(xué)報，2000，10（02）：21-23.

［11］ 吳永瑞.應(yīng)變花應(yīng)力分析的圖解法［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，1980，12（01）：128-150.

［12］ 張紅星.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變測量和數(shù)據(jù)處理方法探析［J］.中國測試技術(shù)，2006，32（2）：52-55.

［13］ 張大慶，呂彭民.基于LabVIEW的動態(tài)應(yīng)力處理軟件開發(fā)［J］.儀器儀表用戶，2004，11（2）：75-77.

［14］ 李建橋，許述財，李因武.虛擬多通道應(yīng)力應(yīng)變測試系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2004，25（04）：1018-1019.

［15］ 沈觀林，馬良.電阻應(yīng)變計及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1983.

Application of Wireless Stress-strain Test Technology in Amusement Facilities Inspection

Wang Xiaoliang Chen Weiwei Ma Dongyun
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

Based on the characteristics of complex operation condition， variable structure and difficulties in calculating accurately stress results of large amusement equipment.The stress-strain test system was widespread used.However， traditional stress-strain test technology does not satisfy the complex operation conditions of large amusement facilities.The basic principles of wireless stress-strain test technology were introduced in this paper and applied in a large pendulum particular test.The testing results showed that the wireless stress-strain test technology has good prospects in large amusement facilities inspection.

Wireless stress-strain test Amusement facilities Big pendulum

X941

B

1673-257X（2016）09-0039-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.010

王曉亮（1988～），男，碩士，助理工程師，從事游樂設(shè)施的檢驗檢測工作。

（2016-06-13）