無線應力應變測試技術在游樂設施檢驗中的應用

王曉亮 陳衛衛 馬東云

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

無線應力應變測試技術在游樂設施檢驗中的應用

王曉亮 陳衛衛 馬東云

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

大型游樂設施運行工況復雜，結構受力多變，無法準確計算其應力結果。傳統應力應變測試技術無法滿足大型游樂設施運行形式復雜、傳輸距離遠和安裝空間小等使用條件。本文介紹了無線應力應變測試技術的基本原理，及其在大擺錘檢驗中的應用實例。測試結果表明無線應力應變測試技術在大型游樂設施檢驗中具有很好的前景。

無線應力應變測試 游樂設施 大擺錘

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

雖然有限元軟件可以對結構復雜的幾何體進行建模分析得出計算結果，但是，計算結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。而應力應變測試技術能很好的克服這些問題，可以用于完成結構及零件等的受力情況的分析與研究，對工作的可靠性進行判定，還可以用于驗證設計計算結果的正確性，確定設備運行過程中的某些現象的機械原理［6-7］。基于傳統應力應變測試系統存在的問題，發現其已無法滿足大型游樂設施運行形式復雜、傳輸距離遠和安裝空間小等使用條件。近幾年開發的無線應力應變測試具有測試穩定性強、精度高、低功耗、高效率、高可靠性等優點，在大型設施檢測中得到越來越廣泛地應用。因此，本文采用無線應力應變測試系統對大擺錘關鍵部位進行分析，以期為工程實踐提供指導。

1 無線應力應變測試技術

無線應力應變測試系統主要是基于無線應變傳感器節點的一種數據采集系統，主要由數據采集軟件、無線應變節點、無線網關、帶線及適配插座的應變片組成，見圖1。

圖1 無線應力應變測試系統

無線應力應變測試系統省略了繁瑣的布線工作，無線數字信號傳輸方式消除了長電纜傳輸帶來的噪聲干擾，整個測量系統具有極高的測量度和抗干擾能力。其主要原理是將應變片的阻值變化通過無線應變傳感器節點轉變為電壓信號，無線傳輸給計算機，利用應用軟件對采集到的電壓信號進行處理分析。目前，最為成熟、運用最為廣泛的是電阻式應力應變測試。

1.1 應變片的工作原理［8］

如圖2所示，電阻應變片主要由引出線、覆蓋層、敏感柵、基底以及粘結劑組成［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 應變片的構成

假設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，電阻絲會產生變形，沿著外力的方向拉伸（或收縮），相應地，截面尺寸會減小（或變大）。因此，電阻值會隨之發生變化，這就是電阻應變效應，如圖3所示。

圖3 電阻應變效應分析

假設電阻沿軸向的變化為ΔL，截面尺寸變化為ΔD，已知導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，電阻值也發生變化，其值為：

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

1.2 應變花的工作原理［11-12］

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

圖4 應變花測量原理

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

最后根據第四強度理論，求出該測試點的合成應力

式中：

1.3 應變電橋的工作原理［14-15］

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

電阻應變計通常采用電橋測量電路，電橋就是將電阻的變化轉變為電信號的電路。電橋接橋方式分為三種形式：單臂、半橋和全橋。假設：供橋電壓為U，電橋輸出電壓為U0。三種橋路的輸出電壓U0和應變ε的線性關系分別為：

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到不同的測量目的。三種電橋的優缺點比較見表1。

表1 三種電橋優缺點

2 游樂設施檢驗中的應用

2.1 設備參數

以大型游樂設施中的大擺錘為例，進行無線應力應變測試。大擺錘的主要結構如圖5所示。主要工作原理為：在電機驅動下，大臂繞水平軸擺動，同時電機驅動座艙繞大臂軸旋轉。大擺錘的主要結構和運行參數見表2。

圖5 大擺錘設備

表2 結構和運行參數

本次測試采用基于802.15.4協議的新型SG403/ SG404無線傳感器應變節點。SG403/SG404節點具有使用簡單方便，結構緊湊等優點。綜合考慮便攜性、操作復雜程度等因素，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 無線應變節點及電橋方式

大型游樂設施無線應力應變測試中，測試點的確定和選擇主要考慮以下三個方面：

1）依據游樂設施設計規范，選擇相應的重要零部件和關鍵軸。

2）應力測試布點要考慮整機的運動特點，最好考察整機的最大應力狀態。

3）現場中發現的制造安裝與原設計有較大誤差的部位。

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

表3 布片位置

（續表）

圖7 布片位置示意圖

3 結果分析

由于大擺錘自重較大，因此不能忽略自重應力的影響。被測試設備采用的材質為S355、測試部位的抗拉強度σb為制造單位提供的材質單中的數據、自重應力σ0為制造單位提供的計算分析數據，見表4。

表4 抗拉強度、自重應力表/MPa

經過滿載工況和偏載工況（25%滿載）的應力測試，得到6個測試點的應力-時間歷程圖，圖8給出了滿載工況下，6個測試點的應力-時間歷程圖。

圖8 應力時間歷程圖

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

表5 滿載應力表

表6 偏載應力表

（續表）

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1、測試點2為大擺錘受力比較大的部位；

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

3）通過對應力測試結果的計算分析，滿載與偏載（25%）兩種工況的最小安全系數值分別為12.8和12.5。根據《游樂設施安全規范》的標準要求，一般構件的安全系數n≥3.5，所以6個測試點在滿載工況及偏載（25%）工況下的安全系數均符合要求。

4 結論

本文應用無線應力應變測試技術對大擺錘進行測試，確定了滿載工況及偏載（25%滿載）工況下大擺錘關鍵受力部位的安全系數符合標準要求，找出了游樂設備中安全系數較低的薄弱部位，為以后的設計改進有很好的指導作用，對游樂設施事故的發生起到了預防作用。無線應力應變測試技術作為一種有效的測試技術，實現了無線傳輸信號，解決了傳統應力應變測試無法應對游樂設施復雜工況測試的難題，在游樂設施檢驗檢測中具有很好的前景。

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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，從事游樂設施的檢驗檢測工作。

（2016-06-13）