電磁干擾對電阻應變應力測試的影響研究

牛宇峰

（山西省特種設備監(jiān)督檢驗研究院，太原 030012）

0 引言

電阻應變片法是一種在技術(shù)上非常成熟的表面應力逐點測量方法，應用范圍涉及各種行業(yè)領(lǐng)域。它具有很多優(yōu)點，比如：測量精度和靈敏度高，常溫測量時精度可達到1%～2%；量程大，尺寸小，應變計柵長度最小為0.178 mm，可以實現(xiàn)梯度較大的應變測量。因此它在鋼結(jié)構(gòu)表面應力測試中被廣泛應用。

傳統(tǒng)的待測鋼結(jié)構(gòu)多為靜態(tài)結(jié)構(gòu)，如大型儲罐、鋼結(jié)構(gòu)橋梁等，其電磁干擾問題并不突出。但在游樂設施領(lǐng)域，由于其主要受力部件多為動態(tài)結(jié)構(gòu)，且動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)多采用電磁轉(zhuǎn)換裝置，電磁干擾問題變得越來越明顯。在典型游樂設施——過山車的車體應力測試過程中發(fā)現(xiàn)，當車體快速經(jīng)過電磁制動裝置時，在車體電磁剎車附近的應力測試裝置時會重復產(chǎn)生瞬間的高應力顯示。之后經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn)，這個高應力顯示是由電磁干擾引發(fā)，并在接下來的試驗中消除和再現(xiàn)了該顯示。

1 基本原理

游樂設施主要受力部件出現(xiàn)電磁干擾導致的瞬時高應力顯示，主要原因來自于電阻應變應力測試中產(chǎn)生的電信號和游樂設施電磁轉(zhuǎn)換部件產(chǎn)生的強磁信號的相互關(guān)系，因此有必要分析下兩者的具體原理。

1.1 電阻應變應力測試原理

電阻應變片是將應變變化量轉(zhuǎn)變成電阻變化量的轉(zhuǎn)換組件。金屬絲的電阻R與其本身長度L 成正比，與其橫截面積A成反比，用公式表示為［1]：

一般在材料應變極限內(nèi)，金屬材料電阻的相對變化與應變成正比：

在實際測試過程中，一般使用1/4 橋路-惠斯通橋路，其橋路中只有1 個臂接測量應變片，其余3 個在儀表電路里，SX-和SX+之間的電壓即為測量電壓Uss。電阻應力測試正是根據(jù)Uss電壓變化來確定電阻變化，進而求得應力［2-4]。

1.2 電磁轉(zhuǎn)換裝置基本原理

在游樂設施領(lǐng)域的電磁轉(zhuǎn)換裝置主要有作為動力的電磁彈射裝置和減速制動用的電磁減速裝置。

基于直線同步電機的電磁彈射過山車，因為其提速快，刺激性強，所以深受很多游客的喜愛。與同步電機原理一致，它一般由固定在車體上的永磁體（轉(zhuǎn)子）和固定在軌道上的線圈（定子）組成。車體上的永磁體N和S級交替相連，它們周圍的磁場在一定區(qū)域內(nèi)形成正弦曲線。在變頻器的控制下，連續(xù)安裝在軌道上的定子可以根據(jù)需要，產(chǎn)生各個方向上的磁場。在每2片定子之間有電磁感應傳感器，它能通過實時感測轉(zhuǎn)子的磁場方向，來控制定子的變頻器，使定子和轉(zhuǎn)子磁場相序始終相差90°，此時對車的推力最大。

在減速區(qū)域，車體利用電磁渦流減速，原理與電磁彈射原理相反。相比起其他接觸式的減速方法，它具有的優(yōu)點是持續(xù)減速平穩(wěn)，沖擊小，日常使用中無損耗，基本不需要維護。但是它不能使車速減到0，一般來講最小的出口速度為0.5 ～1 m/s。所以在游樂行業(yè)中，車體在經(jīng)歷電磁減速后還會通過氣動板式剎車，才能讓車體真正的停下來。

2 電磁干擾對應力測試的影響及分析

2.1 影響情況

本文所述過山車不具備電磁彈射功能，只配備了渦流減速裝置。與帶有彈射功能的過山車相反，過山車車體上為低電阻金屬導電片（同時也作為剎車片使用），永磁體安裝在軌道上，如圖1所示。測試車體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在制動區(qū)域，車體上的金屬導電片會隨車體高速經(jīng)過安裝在軌道上的永磁體。通過渦流效應減速，制動力可達20 kN/m，這種減速方法失效安全，而且制動力大，所以在游樂設施中被廣泛采用。在通過永磁體后，金屬導電片會在接下來的氣動剎車裝置中制動。

圖1 固定式渦流減速制動器

圖2 測試車體結(jié)構(gòu)圖

車體結(jié)構(gòu)位置的應力測試結(jié)果如圖3 所示。其中一個被測點距離車體電磁制動裝置的金屬導電片很接近。測試時，以3 個周期的測量為一組，這樣便于對結(jié)果進行前后對比，及時發(fā)現(xiàn)偶發(fā)問題，消除干擾。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的應力測試結(jié)果顯示，測試結(jié)果的周期性好，重復性強，表明儀器性能穩(wěn)定，但是出現(xiàn)了3個數(shù)值較大的尖峰和3個數(shù)值較小的尖峰，圖中最大的尖峰達到了348.02 MPa，遠遠高于設計值，計算應力值只有20 MPa左右。此處的金屬材料為Q345B，抗拉強度為470 MPa，如果所受應力確為348 MPa，那么安全系數(shù)只有1.35，遠低于標準要求的3.5。

圖3 應力測試結(jié)果

2.2 原因分析

通過對高應力點出現(xiàn)的時間對比，發(fā)現(xiàn)所有點均來自于制動區(qū)域。在此過山車的軌道上有兩個制動區(qū)域（制動區(qū)域1位于軌道中途，制動區(qū)域2 位于進站段）。每個制動區(qū)都有一套電磁減速裝置和氣動板式剎車，所以推斷小的高應力點來自于制動區(qū)域1，大的高應力點來自于制動區(qū)域2。

通過對氣動板式剎車膠皮磨損程度觀察發(fā)現(xiàn)，兩塊膠皮的磨損情況不一致，所以現(xiàn)場分析這個高應力點可能來自于板式剎車的制動板和制動器的對準不精確，導致車體在進站的瞬間沖擊到了制動器導致出現(xiàn)了高應力點。因此最初重新校準了氣動板式剎車的位置，但是檢測結(jié)果基本無變化。

之后考慮到可能是因為氣動板式剎車，壓力過大，導致兩塊氣動板接觸過于緊密，車體在進入剎車區(qū)時減速過快，引起了該點的瞬間應力過大。因此又將氣動板式剎車的氣壓從0.5 MPa 降為0.3 MPa，發(fā)現(xiàn)氣壓對檢測結(jié)果毫無影響，所以排除了氣壓因素。

圖4 應力測試的導線分布

經(jīng)過現(xiàn)場仔細觀察、分析和試驗，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場待測部位的電阻應變片接線有個突出的特點。如圖4 所示，在紅色區(qū)域，兩根黃色的導線中間有個比較大的空間，經(jīng)過后來的分析，這個空間就是導致問題的主因。

當車體上的金屬導電片快速經(jīng)過安裝在軌道上的定子（永磁體）部分時，在導電片與永磁體接觸的前端和末端會產(chǎn)生兩個方向相反磁感應強度為B的感應磁場。根據(jù)法拉第電磁感應定律，在空間某個區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的感應電動勢與這個區(qū)域內(nèi)磁通量的變化率成正比，磁通量變化越快，感應電動勢越大。其通量為磁感應強度與該區(qū)域的矢量積［5]。根據(jù)此理論，圖4中導線正好無意中圍成了一個空間閉合區(qū)域，在此空間區(qū)域中，空間單位向量da與B?大致方向相反，所以得出結(jié)論，這意味著此時在連接應變片的導線內(nèi)將會產(chǎn)生不為0 的感應電動勢。即使金屬表面未發(fā)生形變，應變片電阻未發(fā)生變化，在此感應電動勢作用下，Uss≈e（t），從而影響檢測結(jié)果。

根據(jù)以上分析，車速越快，磁通量變化越快，e（t）越大，電磁干擾越來明顯［6-8]。現(xiàn)場情況與理論分析完全吻合，車體在區(qū)域1時車速較慢，所受干擾小；在區(qū)域2時車速快，所受干擾大。

為了驗證結(jié)論，現(xiàn)場將空間區(qū)域縮小為0，則有e（t）=0，再次重試，如圖5所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高應力點消失。

圖5 修訂后的應力測試導線分布

圖6 修訂后的應力測試結(jié)果

圖6所示為檢測結(jié)果，在運行的3 個周期中，原先的制動區(qū)域1和制動區(qū)域2 內(nèi)的2 組高應力點已經(jīng)完全消失，取而代之的是最高28.21 MPa 的應力顯示，這與設計值基本相符。

3 應力測試技術(shù)在游樂設施應用中的挑戰(zhàn)

隨著游樂設施行業(yè)的發(fā)展，各種電磁轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)越來越多的應用，尤其是滑行車類。為了使車體減速平穩(wěn)，提高乘坐體驗，本文中所提到的渦流制動器已經(jīng)廣泛應用于各類滑行車，不僅是國外廠商，很多大的國內(nèi)生產(chǎn)商也開始使用。在本文中通過導線的合理擺放消除了電磁干擾對試驗結(jié)果的影響。但近來國外過山車制造廠商（如Mack、Intamin、B＆M等）生產(chǎn)的電磁彈射式過山車，使用大功率直線電機，工作電壓690 V，最高瞬時電流1800 A，它能在3 s內(nèi)將車體從0加速到100 km/h。因為能量更大，所以帶來的電磁干擾要比渦流制動裝置大得多。而且國內(nèi)幾家大的公司，近期也在積極探索與國際先進的直線電機（LSM）公司合作，開發(fā)電磁彈射式過山車。可以預期，在未來幾年內(nèi)將會有大量國產(chǎn)的彈射式過山車投入市場。這就對應力檢測方法的抗干擾性能提出了更高的要求。

4 結(jié)束語

除了本文主要提到的重新布置導線的方法以外，傳統(tǒng)的抗干擾方法主要有濾波、屏蔽、接地等3 大類。針對目前采用的電阻應變片電測法，可以在數(shù)據(jù)處理軟件中，增加低通濾波器來降低突變磁場對測試結(jié)果的干擾；同時也可以對離干擾源較近位置的測點增加屏蔽層或采用雙絞線來從源頭上降低干擾。光纖光柵法和光彈性法是利用光學原理來進行應力測試，這種方法可以從原理上杜絕電磁干擾，這也是本行業(yè)未來的研究方向。