探析起重機械安裝中的應力測試技術

楊　陶（重慶市特種設備監測研究院，重慶市　涪陵區　408000）

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探析起重機械安裝中的應力測試技術

楊陶（重慶市特種設備監測研究院，重慶市涪陵區408000）

對于使用時間超過15年以上、處于嚴重腐蝕環境（如海邊、潮濕地區等）或者強風區域、使用頻率高的大型起重機。此外，對于使用時間接近設計壽命的起重機或出現異常現象但原因未明的起重機以及由于交叉作業等原因發生碰撞的起重機，使用單位出于自身安全考慮，一般也會對其進行起重機應力試驗，本文對此進行分析。

起重機械；安裝；應力測試

1　引言

起重機在長期的使用過程中，由于構件表面腐蝕、磨損和變形，起重機結構的強度和剛度會受到影響。在起重機金屬結構改造過程中，由于焊接工藝和安裝工藝的影響，整體金屬結構是否滿足強度要求，需要通過一定的技術手段來進行校核。應力測試技術作為一種非常成熟的技術手段已被應用到起重機安裝改造中，通過分析起重機金屬結構重要部位應力測試的結果，得出鋼結構是否存在應力過大導致失效的可能，評價起重機的安全性。

2　應力測試關鍵技術

2.1應力測試原理

在工程上，結構的應力是通過測試結構的應變獲得的。應變測量可以在時域上獲得結構件的應力最大值 （峰值、峰峰值）、最小值、平均值，以及最大主應力的大小、方向和變化規律。應變的測量采用應變片，對構件實行靜態加載或動態加載后，利用測量系統測試出應變的大小及其變化規律。

式中：K0-應變片電阻絲的靈敏系數；R-應變片電阻絲的初始電阻；ε-電阻絲受力產生的應變。

由上述公式可見，電阻絲受力之后，其電阻的變化率和電阻絲產生的應變成正比，當應變片粘貼在構件上時，如果構件受力產生應變，就會引起應變片電阻的變化，測試了電阻的變化值，就可以知道構件應變的大小了。

2.2應變片布片原則

①應變片應布置在均勻應力區、應力集中區和彈性撓曲區；②在主梁跨中，設計所在確定的結構最大應力處貼片；③使用中最不利工況下最大應力處；④有塑性變形、可能產生裂紋或經常超載的位置；⑤應變片在被測構件上行沿主應力方向粘貼；⑥測點布置盡量合理，應變片粘貼盡量少。

2.3應變片的粘貼工藝

①使用放大鏡觀察應變片的外觀質量，看有無斷絲、引線焊接不牢等缺陷。②使用萬用表測量應變片阻值，同時防止應變片的污染，不能用手摸基底，同一組應變片的組織誤差最好控制在0.1Ω范圍內，便于儀器調平衡。③使用角磨機或者砂紙打磨試件表面，表面光滑后，再用細砂紙達成45°交叉網紋（粗化處理，便于表面存膠），選擇砂紙時，對鋼件多用180目，對鋁件多用360目。④用角尺、鋼板直尺和劃針畫十字定危線。⑤用鑷子夾脫脂棉球沾取適量CCL或者丙酮擦洗試件表面，注意擦拭的最后一道工序沿一個方向擦拭，避免臟棉球污染磨光的金屬表面。⑥分清版面，光滑的一面為貼面，用502膠水將膠水滴在應變片反面，兩點對齊，迅速貼在金屬反面。用小塊塑料薄膜覆蓋應變片表面并用拇指按在被測部位，把多余膠水擠出炸吸附在塑料薄膜上，然后用拇指緊緊按住應變片停留30s，最后輕輕去掉覆蓋的塑料薄膜，這樣做的目的是防止手沾到膠水。⑦用鑷子輕輕拔起（使其樹立）應變片的兩引腳線，用塑料透明膠帶貼在兩引腳線與應變片基底之間、貼緊。⑧將兩引腳線輕輕放平，再用塑料透明膠帶使兩引腳線固定在基體上，這樣可以固定兩引腳線的根部，以免在焊接時因為過多的擺動使得兩引腳線折斷。⑨使用電烙鐵融化焊絲，先把引線和導線兩端分別掛上焊錫，為防止假焊，一定要保證焊錫融化透。⑩使用數字萬用表測量應變片的阻值和應變片于試件間的絕緣電阻值。若應變片阻值變化大、不通，或者絕緣電阻小于80MΩ，應查找原因，必要時清除后重新粘貼應變片。?為了防潮，應變片上應涂凡士林軟膏、蜂蠟、914膠或者硅膠。

2.4測試準備

①膠水的最佳固化時間為24h，現場測試時若遇緊急情況，如臨時粘貼應變片，待30min之后就可以進行測量。但真正使應變片完全固化后則需要10～24h才能達到高黏合強度。其次，將導線連接在應變測試儀上。②空載，將應變儀調零，觀察各測點顯示值隨時間變化情況，判斷應變片是否有零點漂移現象，具有零點漂移的應變片應清除后重新粘貼。③預加載和與卸載。為了更好地實現應變片電阻變化和應變變化之間的線性關系，避免應變片的滯后特性、蠕變，應在正式測試之前預加載、卸載4～5次，具有蠕變的應變片不能使用，應重新粘貼。

2.5測試

①按照事先編織的試驗大綱和測試工況金星村二是，在測試試驗表格上詳細記錄；②加載的負荷一般由小到大；③試驗中，應及時判斷數據的合理與否，試驗是否有效，如出現異常，需要立即停止試驗，找出原因排除故障，重新試驗；④切忌試驗中臨時改變測試項目或者是內容。

2.6分析

①對采集的數據進行計算和處理，找出應變或便利隨時間的歷程、分布規律；②與預期值、理論值或者是經驗值進行比較；③對試驗數據和對比結果進行進一步的歸納總結，上升到理論高度，找出規律；④對被試件作出評價，對起重機械安裝質量進行評估；⑤出具測試和研究報告。

2.7其它應力測試方法——光測法

光測法的理論基礎是光彈性法：置于偏振光場中的具有雙折射效應的透明光彈性材料，會因為受力而產生干涉條紋；測量并計算干涉條紋圖后可確定模型在受載情況下的應力狀態、光纖技術是光測法的代表，其特點是：因為可將被測對象的狀態變化轉換成光信號的形式，所以能與高度發達的電子裝置有很好的兼容性，從而具備較高的發展潛力；光纖信號不易受外界影響，光纖技術適用于高壓與電磁干擾的環境下使用；光纖傳輸損耗低，可用于遠距離測試（基于以上優點，光纖技術適用于土木工程領域大型復雜結構的在線監測）而在起重機領域，該技術還尚未普及，有待進一步的發展。

對于電阻式應力測試，為適應起重機現場檢驗，應變片與屏蔽電纜之間的連接方式將越來越簡便，現場焊接將不再必要；無線遙感的抗干擾能力將得到加強，并逐步取代收放電纜不便的有線測試。對于光纖式應力測試，結構模型將更加專業化，即變得更適用于起重機檢驗；該測試方法將使在線監測成為保證危險性較大的大型起重機使用安全的常規監控手段。

除自身不斷發展之外，應力測試還將與計算機模擬仿真更緊密的結合在一起：應力測試一般在起重機安裝完成后進行，因此較難測量出結構本身自重產生的應力及金屬結構的內應力，通常測試所得到的數值實際上為試驗加載后金屬的應力差值。應力測試與計算機模擬仿真所對比的就是加載前后的應力差值通過對比，應力測試可以驗證計算機模擬仿真的正確性。反過來，一個接近實際情況的計算機模擬仿真則可以為應力測試測點的準確定位提供依據，且模擬起重機因環境限制而無法開展的應力測試。

3　實例分析起重機械安裝應力測試技術

3.1實例概述

本文結合廣州某碼頭堆場的集裝箱門式起重機技安裝的過程，說明應力測試技術的應用。因場地等原因，需要對其整體加高才能滿足使用要求，該機起升高度由原來的15．3m增高至21m。改造的重點部分是主鋼結構，在其剛性支腿和柔性支腿與主梁連接的法蘭面增設加高節，同時在支腿間增加工字型斜撐，以便滿足強度要求。第1套方案為增加節高的同時增大支腿的截面尺寸，第2套方案為增加節高而保持支腿截面尺寸不變。綜合考慮到改造的工藝性和經濟性等因素，本次改造選用第2套方案。下面就對改造過程中起重機的安裝中的金屬結構應力測試進行分析。

3.2應力測試

對機械安裝進行動態應力測試時，工況的選擇非常重要。這些工況必須能夠反映金屬結構的動態應力情況，并且能夠反映金屬結構危險點在危險工況下的實際應力。

試驗載荷為35t，工況如下：①小車位于剛性支腿處，對應變片進行清零處理。②小車移動至主梁中間，抓箱，起吊，保持靜止。選取了主梁上翼板跨中3個測點，測試儀器為DH3817F。跨中的應力云圖以及各測點的位置分布見圖1。從《起重機設計規范》（GB/T3811－2008）查得結構件的工作級別為E6，應力集中等級為K3。由此可查得疲勞許用應力基本值為68．3MPa。通過將實測應力和有限元計算自重產生的應力疊加進行疲勞計算，得到跨中最大應力為53．19MPa，拉伸疲勞許用應力為126MPa，起重機主梁跨中改造后的疲勞強度足夠，同時對改造后的起重機在現場按照《起重機械定期檢驗規則》（TSGQ7015－2008）的要求進行下撓度測量，測量結果顯示其滿足剛度要求；對其支腿和主梁的法蘭連接處在最不利工況下的最大水平位移進行測量，證實其水平動剛度達到了改造的要求。

圖1　主梁跨中應變片布置

4　結束語

綜上所述，起重機械是工業生產中比較重要的機械設備，其安裝質量、性能等對于生產有著決定性影響。在起重機械安裝過程中，其裝配產生應力會對整體結構的穩定性造成影響，從而引發安裝質量問題。因此，本文結合實例分析了起重機械中的金屬結構應力測試，保證了金屬結構應力符合要求，起重機械整體穩固，在一定程度上保證了起重機械的安裝質量。

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2016-3-8

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A

2095-2066（2016）11-0212-02