起重機金屬結構安全評估中的虛擬儀器測試技術研究

李瑩

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210036）

開展起重機金屬結構安全評估工作，可以提高起重機設計工作的可靠性，同時有利于延長起重機結構使用壽命。在制定起重機設計規范的過程中，不僅需要規定疲勞設計方案，同時明確起重機金屬結構疲勞設計理論。在起重機金屬結構疲勞評估中需要利用實用型診斷技術，提供關鍵的科學依據，優化改造起重機技術。

在工業生產過程中，起重機負責搬運繁重的物料，在負責負荷的影響下，需要保障起重機金屬結構的強度，這也關系到起重機設備的工作級別和使用壽命，起重機設備使用年限不斷延長，也隨之降低安全技術指標，導致起重機金屬結構薄弱部位出現疲勞損傷，導致整機工作安全性發生問題。我國很多起重機使用時間比較長，存在較多的安全風險。開展安全評估工作，技術人員可以明確起重機設備存在的安全隱患，同時提出科學的改進措施，保障設備使用安全性。

1 起重機金屬結構安全評估的意義

1.1 驗證金屬結構應力水平和強度儲備

在計算起重機金屬結構的過程中由于需要降低計算量簡化模型，但是引入經驗系數之后可能會增加計算結果和實際情況的誤差，這種計算結果無法準確指導現場工作。在安裝和驗收工作中，起重機金屬結構應力值通常和設計值之間存在一定的差異。隨著起重機使用年限不斷延長，再加上使用環節比較復雜，或者發生超載問題等，需要開展起重機金屬結構安全評估工作，明確應力分布情況，通過比較測試結果和理論值等，分析應力分布的合理性，同時計算起重機金屬結構的安全系數，確保起重機金屬結構承載力符合使用要求。

1.2 故障診斷

起重機金屬結構發生失效往往是由裂紋導致的，裂紋的擴展具有特定發展過程，但技術人員的日常檢查很難發現母材裂紋和焊縫開裂等問題。通過起重機金屬結構安全評估工作，可以判斷金屬結構內部是否存在應力集中部位，重點檢查應力集中部位附近是否存在缺陷。

1.3 校核設計

判斷起重機金屬結構設計工作的合理性，需要結合力學模型，設計人員需要根據實踐情況簡化力學模型，開展起重機金屬結構安全評估，可以落實校核設計和改進設計。劃分起重機工作級別的過程中，需要根據起重機金屬結構疲勞設計，在起重機設計中利用極限狀態法，但是當前還沒有推廣利用極限狀態法，這是因為缺乏起重機運用階段的參數。因此開展起重機金屬結構安全評估，有利于完善起重機金屬設計方法。

2 概述虛擬儀器測試技術

虛擬儀器需要利用計算機技術，利用計算機通用硬件設備，通過搭配不同的傳感器，有利于優化設備功能，在儀器中軟件發揮重要的作用，一方面可以重復利用資源，另一方面可以利用軟件合理定義儀器的功能，存儲大量的數據，通過網絡連接各個系統，降低維護開發工作的成本。當前虛擬儀器技術發展水平比較高，這也是儀器技術未來發展的方向。

在起重機金屬結構安全評估過程中，測控技術發展水平不斷提高，儀器設備也逐漸升級為虛擬儀器，在起重機設備安全評估階段利用虛擬儀器技術，可以提升安全評估水平，在實際工作中利用數據采集處理軟件，具有豐富的功能，用戶可以根據自身需求合理組合工作流程，及時向office程序中傳輸處理結果和數據。虛擬儀器測試系統根據先進的測試系統標準，優化現場調節工作，提升起重機機械運行的穩定性，可以實現實時跟蹤效果，高速處理各種數據。在布置測試系統的過程中，首先需要選擇疲勞程度較高的部位，在這一部位布置應變計，隨后連接應變調節模塊和高速便攜數據采集系統，啟動數據采集系統，完整的記錄數據，同時可以利用組態軟件分析運行載荷譜。

3 起重機金屬結構安全評估的虛擬儀器測試技術

當前在冶金和建筑行業中廣泛利用起重機設備，各個單位不斷研究起重機金屬結構安全評估，也相應的拓展了虛擬儀器測量的應用范圍。近些年在起重機械中利用虛擬儀器測試技術，逐漸提高了儀器設備的科學性，例如在評估起重機主梁疲勞壽命的過程中，可以發揮出虛擬儀器測試技術。虛擬測試技術主要包括A/D通信模塊和信號模塊系統等。在實際應用工作中，廣泛利用Dasylab數據采集處理軟件，這一軟件具有豐富的功能，用戶可以合理配置和組合相關組件，最后向office程序中發送處理結果，實現數據最終處理。

起重機金屬結構安全評估涉及到較多的內容，在實際工作中需要結合設計規范和技術標準，有序開展結構核算和強度分析等內容，有效評價起重機疲勞強度和疲勞壽命，因此突出了虛擬儀器測試技術的優勢。例如某起重機械的處于430～445噸范圍內，其中虛擬測試儀器之后，在無人干預條件下自定記錄分析起重機金屬結構安全評估變化過程，在實際工作循環過程中開展跟蹤測試工作。在這一工作階段，針對六個工作狀態過程，如下圖所示，六個工作狀態分別包括滿罐-空罐、空罐-滿罐、滿罐-滿罐，計數統計應力峰值。（其實現在大部分應力測試系統都能實現無人采集功能，怎么能表現出虛擬儀器的優點？例如在測量應力的同時還能測量其他數據，否則為什么要用虛擬儀器。）

4 各個工作循環全過程應力-時間歷程

該起重機在實際工作狀態中，每天需要吊運滿鋼水包和空鋼水包等，技術人員需要建立不同時間段的應力變程頻次表，因此獲取計算數據，在評估疲勞強度的過程中，主要是針對起重機金屬結構自主跨梁中截面下蓋板和主副板焊接部位，利用有限單元顯示數據，因為主腹板焊接部位的應力值更高一些，1個譜時間代表起重機一年工作時間，通過比較測試結果和理論值，準確的預估起重機主梁工作壽命。但是在實際工作中，起重機械荷載頻率具有一定的差異性，因此通常不利用年份的形式出現疲勞壽命表達方式，主要是表達起重機工作循環次數。

5 結語

當前在社會生產中廣泛運用起重機械，這也突出了起重機金屬結構安全評估工作的重要性，在起重機金屬結構安全評估過程中利用虛擬儀器測試技術，可以使起重機金屬結構安全評估水平進一步提高，計算起重機不同金屬結構的使用壽命，明確構件使用性能，保障起重機機械運行的安全性。本文綜合分析了起重機金屬結構安全評估中虛擬儀器測試技術的應用，總結工作經驗，保障設備運行的安全性和順暢性，通過監測、分析設備運行情況，獲取完整的性能參數，為起重機使用和維修提供依據。