在役門座式起重機應力測試技術探討*

黃國健 劉柏清 王新華 齊凱 何成忠 江愛華

（廣州市特種機電設備檢測研究院研發中心）

1 引言

起重機金屬結構的主要作用是承受設備的自重和外載荷，并構成必要的工作體系和運動空間，以完成起重機的各項功能。金屬結構的技術狀態直接影響著整機的安全性和可靠性。門座起重機在港口中應用廣泛、使用頻繁、工作環境惡劣、且服役周期長；其金屬結構隨著服役時間的增長必然會出現不同程度的損傷。由于港口具體條件和設備更新費用的限制，很多有結構損傷的門座起重機仍在港口第一線繁忙作業，對安全生產構成了威脅。為了對設備進行科學、有效的管理，保證其安全使用，在起重機使用一定年限后對其金屬結構進行應力測試和評價有著重要的意義[1～7]。

試驗應力應變技術是理論應力應變分析的一個重要分支，它采用試驗的方法來研究工程機構的應力應變規律，其中電測技術是重要手段之一。本文以某港口一臺型號為MQ1030、使用了25年的門座起重機為例，采用基于電阻應變片傳感的應力測試技術，進行一次較全面的結構與載荷響應測試，了解整機在動態吊載狀態下的結構應力變化規律，并對其進行頻譜分析，根據統計特性研究其結構或構件強度、剛度。同時，確定整機工作過程中的負載譜，為其后期進行的金屬結構耐久性評估提供可靠的數據依據。

2 電阻應變片工作原理及其結構

電阻應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。當構件受外力作用發生變形時，用粘結劑貼于構件上的電阻應變片亦產生變形。構件的變形通過粘結劑和電阻應變片的基底傳遞給敏感柵，此時敏感柵亦隨試件一起變形，從而引起電阻應變片電阻值的變化，其變化大小與貼片處構件的平均應變值成正比。

R=QL/S

其中：R為導體電阻；Q為導體材料電阻率；L為導體長度；S為導體橫截面面積。

由于貼于構件上的電阻應變片阻值的變化，可通過應變儀轉變為電壓或電流的變化，故可使用各種形式的靜、動態電子應變儀將該電信號放大后轉變為應變信號，由儀器直接測取金屬構件的應力與應變。

3 測試方案

本次測試根據門座起重機金屬結構的受力關鍵部位、應力集中和變截面等原則選取16個測點，具體位置如表1所示。測試點表面經過打磨后，采用型號FLA-5-11電阻式應變傳感器進行現場貼片，選用eDAQ數據采集系統對數據進行實時采集，并利用專業分析軟件對原始數據進行后續處理和分析。具體測點分布如圖1所示。

本次結構與載荷響應測試有表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，并根據實際測試配重出現上下少許浮動。

表1 應力測點位置表

圖1 應力測點分布圖

表2 應力測試工況表

4 結果分析與討論

本次測試的采樣頻率為1024Hz，16個測試通道同時采集應力數據，現場原始數據經相應的信號處理過程后結果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 Channel2應力變化情況圖

圖3 工況I各通道應力數據極值圖

圖4 工況IV各通道應力數據極值圖

圖5 工況I采集數據頻譜曲線圖

由測試結果可以看出，該起重機在不同測試工況下，應力比較大的測試點為：第2點（即后拉桿左邊）、第4點（臂架中下部上表面左位置）、第8點（平衡梁根部上表面左位置）、第9點（轉柱上部左前表面）、第11點（轉柱上部右前表面）、第15點（小拉桿左邊中部下表面）。具體位置參見圖1測點布置圖。最大應力出現在第5工況下測點15處，其最大動應力為136.34MPa。一般情況下，起重機對稱點的應力值大小應該近似相等，但是從圖5中的測試數據來看，比較對稱點4和5、9和11、10和12、15和16可以發現其測點力值相差較大，而且以臂架軸線為對稱軸，背向平衡臂時，左側應力值遠遠大于右側應力值，由此說明起重機在起吊載荷的過程中，存在結構受力不均現象，在小拉桿等結構處尤為明顯。

對測試數據進行頻譜分析，本次所有工況采集到的數據波動頻率均低于5Hz，主頻集中在0.05Hz附近，符合起重機動剛度要求。

5 結束語

通過本次應力測試發現了該機金屬結構臂架和小拉桿存在較為明顯的受力不均。該機的維修記錄中多次描述的小拉桿斷裂、臂架嚴重塑性變形等現象，臂架在更換七年之后再次出現明顯塑性變形，說明結構受力不均問題可能是其設備失效的主要原因之一，這嚴重地影響到該起重機的使用安全，存在較大的安全隱患。

應力測試技術應用到起重機金屬結構測試中能夠客觀地反映起重機結構情況，為起重機安全監測及評價提供可靠的數據支持。該技術的推廣將為起重機健康監測的發展提供重要的技術支持。

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