水工門式啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試與分析

徐羅軍，謝學(xué)武，徐超，余橋芳

（1.湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院宜昌分院，湖北 宜昌 443000；2.武漢先思科技有限公司，湖北 武漢 430000）

水工門式啟閉機(jī)廣泛安裝在中大型水力發(fā)電站壩頂，用于開啟或關(guān)閉鋼閘門、攔污柵，屬于一種專用的起重設(shè)備。由于水工門式啟閉機(jī)工作在潮濕環(huán)境中，在工作中受到重載作用，經(jīng)過一定年限的服役，主要受力結(jié)構(gòu)件表面會出現(xiàn)腐蝕、裂紋、變形等缺陷，結(jié)構(gòu)件或連接件表面的缺陷將影響水工門式啟閉機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,尤其是服役時間較長或使用時間趨近于設(shè)計(jì)壽命的水工門式啟閉機(jī),在惡劣工作環(huán)境中受到腐蝕，影響生產(chǎn)安全。為了保證生產(chǎn)安全，有必要對該類設(shè)備進(jìn)行安全評估，對其金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測試是安全評估的重要項(xiàng)目之一。

1 應(yīng)力測試技術(shù)介紹

應(yīng)力測試技術(shù)是一種較為成熟的測試技術(shù)手段，該技術(shù)是利用監(jiān)測儀器來監(jiān)測受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，在進(jìn)行水工機(jī)械進(jìn)行安全評估過程中，應(yīng)力測試技術(shù)能夠準(zhǔn)確判斷出水工機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)際情況，給整機(jī)的安全評估提供參考。目前，國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測方法的研究應(yīng)用上，主要有電阻應(yīng)變測試法、PVDF（聚偏氟乙烯Polyvinylidene Fuoride)壓電薄膜測量法、基于圖像處理的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試法三種。電阻應(yīng)變測試法是將電阻應(yīng)變片利用膠水或其他辦法直接粘貼在被測試件的測點(diǎn)部位處，隨著被測試件應(yīng)變位移的變化，而引起應(yīng)變片的纖維伸長或縮短，從而產(chǎn)生電阻變化。電阻的變化由電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換為其他信號輸出，然后，通過放大、濾波等信號處理方法，最終得到有效的應(yīng)變值。電阻應(yīng)變測試法通常分為惠斯通電橋法和TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù) Time-to-Digital Converter）測試法。惠斯通電橋法是將應(yīng)變片敏感柵的阻值變化變換為電壓的變化值，TDC測試法是通過電容充放電時間的變化來反映應(yīng)變片電阻值的變化。

在實(shí)際的結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測中，一般分為靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變檢測和動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變檢測。通過靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變檢測，可以獲得被測試件的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和應(yīng)力集中情況的相關(guān)信息，根據(jù)檢測得到的試件強(qiáng)度來判斷金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。通過動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變檢測，可以確定試件的動態(tài)應(yīng)變隨時間變化的規(guī)律，利用雨流計(jì)數(shù)法對其進(jìn)行頻譜分析，編制隨機(jī)載荷譜，從而對其疲勞裂紋和疲勞壽命進(jìn)行研究。

2 水工門式啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試

本文以某大型水電站2×125T攔污壩門式啟閉機(jī)為研究對象，使用應(yīng)力測試設(shè)備對啟閉機(jī)在不同工況下的狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力測試，收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理分析。在應(yīng)力測試點(diǎn)的選擇過程中，根據(jù)有限元分析和仿真軟件模擬結(jié)果得到的水工門式啟閉機(jī)中應(yīng)力較大和應(yīng)力集中的部位為具體測試點(diǎn)。測試過程中，不僅測定門機(jī)結(jié)構(gòu)在工作過程中所受的最大應(yīng)力，還用測試結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的正確性。最終目的是確認(rèn)門式起重機(jī)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力大小，為之后的可靠性評估報(bào)告提供依據(jù)。

2.1 水工門式啟閉機(jī)金屬結(jié)構(gòu)組成

水工門式啟閉機(jī)主要鋼結(jié)構(gòu)分為兩個部分，分別是上部的小車鋼結(jié)構(gòu)和下部的門架鋼結(jié)構(gòu)。小車鋼結(jié)構(gòu)主要包括前梁、后梁、側(cè)邊梁、箱型梁、主梁和日字梁，其中起升機(jī)構(gòu)布置在小車鋼結(jié)構(gòu)上，在工作過程中所用載荷的壓力均通過卷筒支座傳遞到小車鋼結(jié)構(gòu)上。門架鋼結(jié)構(gòu)主要包括立柱、底梁、中梁、上部橫梁、上部聯(lián)系梁。門架主梁上部為小車運(yùn)行軌道，小車承受的壓力通過車輪傳遞到主梁上，門架下部支腿連接上主梁和下部的行走機(jī)構(gòu)。

2.2 測試流程

水工門式啟閉機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測試一般采用常見的傳統(tǒng)應(yīng)力測試法——電阻應(yīng)變測試法，詳細(xì)的測試流程見圖1。測試前確定現(xiàn)場電阻應(yīng)變片的粘貼工藝，主要包括應(yīng)變片的準(zhǔn)備、測點(diǎn)位置的處理、貼片、導(dǎo)線的焊接與固定以及應(yīng)變片粘貼的質(zhì)量檢查，特別是現(xiàn)場貼片的質(zhì)量直接影響著應(yīng)力測試的準(zhǔn)備度?，F(xiàn)場貼片完成后，按照不同的工況進(jìn)行動態(tài)測試和靜態(tài)測試，實(shí)施數(shù)據(jù)收集處理，最后根據(jù)數(shù)據(jù)對金屬結(jié)構(gòu)不同測點(diǎn)的應(yīng)力情況進(jìn)行分析。

圖1 應(yīng)力測試流程圖

2.3 測點(diǎn)選擇

根據(jù)有限元分析的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果顯示，起重機(jī)上部小車結(jié)構(gòu)比下部門架鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、應(yīng)變值高出很多如圖2、圖3所示，故此次測試的測試點(diǎn)均分布在上部小車結(jié)構(gòu)和門架主梁結(jié)構(gòu)上，且根據(jù)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，本次測試的測試點(diǎn)均安排在小車結(jié)構(gòu)的對稱軸的一側(cè)。

圖2 小車結(jié)構(gòu)受力仿真圖

圖3 門架結(jié)構(gòu)受力仿真圖

考慮到測試時的布線問題，將測試儀器布置在門架鋼結(jié)構(gòu)頂部平臺中的灰色區(qū)域（如圖4所示）。同時，小車上所有處于上方的測試點(diǎn)（前梁測試點(diǎn)除外）的導(dǎo)線經(jīng)日字梁（如圖5所示）與主梁交界處延伸至前梁中部，由小車行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)所在處引出（前梁測試點(diǎn)的導(dǎo)線也從這里引出），然后，至門架鋼結(jié)構(gòu)頂部平臺，到測試儀器的布置位置；小車上所有處于下方的測試點(diǎn)（前、后梁測試點(diǎn)除外）的導(dǎo)線經(jīng)日字梁與主梁交界處延伸至箱型梁下方，再沿箱型梁引出至門架鋼結(jié)構(gòu)頂部平臺，到測試儀器布置位置（前梁測試點(diǎn)的導(dǎo)線直接向右引出至測試儀器布置位置，后梁測試點(diǎn)的導(dǎo)線直接向右引出至門架鋼結(jié)構(gòu)頂部平臺上，再引至測試儀器布置位置）；小車車輪處的測試點(diǎn)的導(dǎo)線引出至門架鋼結(jié)構(gòu)頂部平臺，到測試儀器布置位置。

圖4 測試平臺布置圖

圖5 小車結(jié)構(gòu)示意圖

參考有限元分析（見圖1、圖2）得到的應(yīng)力應(yīng)變理論分析結(jié)果，決定測試的所有測試點(diǎn)主要分布在小車車架上和門架主梁中央處。所有測試區(qū)域的測試點(diǎn)均使用單向應(yīng)變片（5.5×3mm）或應(yīng)變花（10×10mm）中的一種。

2.4 應(yīng)變片的準(zhǔn)備及構(gòu)件測點(diǎn)部位表面的處理

在準(zhǔn)備貼片前，將待用的應(yīng)變片利用放大鏡進(jìn)行外觀檢查，利用萬用表進(jìn)行阻值測量。外觀檢查目的在于觀察敏感柵有無銹斑，裂縫、斷絲、缺陷，是否排列整齊，基底和覆蓋層有無損壞，引線是否完好。阻值測量使用數(shù)字萬用表進(jìn)行，目的在于檢查敏感柵是否有斷路、短路，并進(jìn)行阻值分選，確保應(yīng)變片可以保持在最理想的狀態(tài)，對于共用溫度補(bǔ)償?shù)囊唤M應(yīng)變片，阻值相差不得超過±0.5。同一次測量的應(yīng)變片，靈敏系數(shù)必須相同。

對測點(diǎn)表面進(jìn)行打磨處理，要清除表面油漆、氧化層和污垢，然后磨平或銼平，用砂紙進(jìn)行打磨,保證測點(diǎn)表面光滑程度達(dá)到要求。打磨面積約為應(yīng)變片面積的5倍左右，打磨完成后，用劃針輕輕劃出貼片的準(zhǔn)確位置。最后，用棉球蘸取無水酒精對打磨部位進(jìn)行反復(fù)擦拭，直至棉球上見不到污垢為止。

2.5 貼片及質(zhì)量檢查

待清洗劑揮發(fā)后，測試人員戴上聚乙烯材質(zhì)手套，首先，在貼片位置滴一點(diǎn)502膠，用應(yīng)變計(jì)背面將膠水涂勻，然后用鑷子撥動應(yīng)變片，調(diào)整位置和角度。定位后，用手指輕輕按壓應(yīng)變片，擠出多余的膠水和氣泡，待膠水初步固化后即可松開。用透明膠將應(yīng)變片的引腳線固定在測點(diǎn)旁，將引線和導(dǎo)線進(jìn)行錫焊連接。

應(yīng)變片貼好后，主要對其外觀、電阻以及絕緣電阻進(jìn)行檢查。外觀檢查：觀察貼片方位是否正確，應(yīng)變片有無損傷，粘貼是否牢固和有無氣泡。電阻測量：利用萬用表檢查有無斷路、短路情況，貼片前后應(yīng)變片阻值應(yīng)無較大變化。絕緣電阻測量：利用絕緣電阻測試儀檢測應(yīng)變片的基底的絕緣電阻是否在可靠范圍內(nèi)（大于200MΩ）。待上述檢查完畢，確認(rèn)貼片質(zhì)量較好后，在應(yīng)變片上涂上704硅膠對已貼好的應(yīng)變片進(jìn)行密封防護(hù)處理,并將導(dǎo)線用膠帶固定，導(dǎo)線兩端應(yīng)根據(jù)測點(diǎn)的編號做好標(biāo)記。

2.6 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及處理分析

現(xiàn)場測試采用兩臺靜態(tài)應(yīng)變儀（120通道）并聯(lián)，具體的采集方式選擇公共補(bǔ)償?shù)倪B接方式即1/4橋的方式對應(yīng)變片進(jìn)行連接，為了保證測試的準(zhǔn)確性，在第一列全部貼上補(bǔ)償片，在每個采集通道里面依次設(shè)置連接方式、材料屬性、靈敏度系數(shù)、導(dǎo)線電阻等，同時，對所有通道及其電阻平衡清零且導(dǎo)出零點(diǎn)。

將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)利用表格的形式進(jìn)行記錄、處理分析，具體如表1、表2。

表1 75t載荷下主梁各測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)表

表2 75t載荷下主梁各測點(diǎn)的應(yīng)力值及安全系數(shù)表

測試結(jié)果分析：根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算書和結(jié)構(gòu)受力情況，確定測試工況在75t狀況下，通過對比，主梁底部最大應(yīng)力出現(xiàn)在測點(diǎn)2，即該點(diǎn)為最危險(xiǎn)應(yīng)力點(diǎn)，安全系數(shù)為14.6，其最大靜態(tài)應(yīng)力尚未超過設(shè)計(jì)值和許用值。

3 結(jié)語

應(yīng)力測試技術(shù)作為一種成熟的技術(shù)廣泛應(yīng)用到大型設(shè)備的安裝、改造以及安全評估中，這種技術(shù)既不會對被測試件造成損傷,也不會改變相應(yīng)材料的力學(xué)性能,精準(zhǔn)的應(yīng)力應(yīng)變測試不僅可以對計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化，還能為設(shè)備運(yùn)行、安全評價(jià)提供可靠性建議。

盡管應(yīng)力測試已被廣泛應(yīng)用，但每種應(yīng)力測試方法都存在其局限性。應(yīng)變片是由一層很薄的金屬薄片形成，其本身的屬性決定了其在測試過程中會受到結(jié)構(gòu)、溫度或其他不確定因素的影響，從而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象；在進(jìn)行應(yīng)力測試時，如果是設(shè)備工作環(huán)境差、溫差大的情況，會使被測結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變發(fā)生變化，導(dǎo)致測應(yīng)力和實(shí)際應(yīng)力相差較大，這些都會造成測量結(jié)果的不正確。在實(shí)際測試過程中，要注意避免這些問題，才能保證測試結(jié)果的可靠正確度。