水工門式啟閉機金屬結構應力測試與分析

徐羅軍，謝學武，徐超，余橋芳

（1.湖北特種設備檢驗檢測研究院宜昌分院，湖北 宜昌 443000；2.武漢先思科技有限公司，湖北 武漢 430000）

水工門式啟閉機廣泛安裝在中大型水力發電站壩頂，用于開啟或關閉鋼閘門、攔污柵，屬于一種專用的起重設備。由于水工門式啟閉機工作在潮濕環境中，在工作中受到重載作用，經過一定年限的服役，主要受力結構件表面會出現腐蝕、裂紋、變形等缺陷，結構件或連接件表面的缺陷將影響水工門式啟閉機的結構強度,尤其是服役時間較長或使用時間趨近于設計壽命的水工門式啟閉機,在惡劣工作環境中受到腐蝕，影響生產安全。為了保證生產安全，有必要對該類設備進行安全評估，對其金屬結構進行應力測試是安全評估的重要項目之一。

1 應力測試技術介紹

應力測試技術是一種較為成熟的測試技術手段，該技術是利用監測儀器來監測受力結構的應力變化，在進行水工機械進行安全評估過程中，應力測試技術能夠準確判斷出水工機械鋼結構強度實際情況，給整機的安全評估提供參考。目前，國內外在結構應力檢測方法的研究應用上，主要有電阻應變測試法、PVDF（聚偏氟乙烯Polyvinylidene Fuoride)壓電薄膜測量法、基于圖像處理的結構應變測試法三種。電阻應變測試法是將電阻應變片利用膠水或其他辦法直接粘貼在被測試件的測點部位處，隨著被測試件應變位移的變化，而引起應變片的纖維伸長或縮短，從而產生電阻變化。電阻的變化由電阻應變儀轉換為其他信號輸出，然后，通過放大、濾波等信號處理方法，最終得到有效的應變值。電阻應變測試法通常分為惠斯通電橋法和TDC（時間數字轉換技術 Time-to-Digital Converter）測試法。惠斯通電橋法是將應變片敏感柵的阻值變化變換為電壓的變化值，TDC測試法是通過電容充放電時間的變化來反映應變片電阻值的變化。

在實際的結構應力檢測中，一般分為靜態應力應變檢測和動態應力應變檢測。通過靜態應力應變檢測，可以獲得被測試件的應力應變分布規律和應力集中情況的相關信息，根據檢測得到的試件強度來判斷金屬結構設計是否合理。通過動態應力應變檢測，可以確定試件的動態應變隨時間變化的規律，利用雨流計數法對其進行頻譜分析，編制隨機載荷譜，從而對其疲勞裂紋和疲勞壽命進行研究。

2 水工門式啟閉機金屬結構應力測試

本文以某大型水電站2×125T攔污壩門式啟閉機為研究對象，使用應力測試設備對啟閉機在不同工況下的狀態進行應力測試，收集數據并進行整理分析。在應力測試點的選擇過程中，根據有限元分析和仿真軟件模擬結果得到的水工門式啟閉機中應力較大和應力集中的部位為具體測試點。測試過程中，不僅測定門機結構在工作過程中所受的最大應力，還用測試結構來驗證有限元分析結果的正確性。最終目的是確認門式起重機危險部位的應力大小，為之后的可靠性評估報告提供依據。

2.1 水工門式啟閉機金屬結構組成

水工門式啟閉機主要鋼結構分為兩個部分，分別是上部的小車鋼結構和下部的門架鋼結構。小車鋼結構主要包括前梁、后梁、側邊梁、箱型梁、主梁和日字梁，其中起升機構布置在小車鋼結構上，在工作過程中所用載荷的壓力均通過卷筒支座傳遞到小車鋼結構上。門架鋼結構主要包括立柱、底梁、中梁、上部橫梁、上部聯系梁。門架主梁上部為小車運行軌道，小車承受的壓力通過車輪傳遞到主梁上，門架下部支腿連接上主梁和下部的行走機構。

2.2 測試流程

水工門式啟閉機鋼結構的應力測試一般采用常見的傳統應力測試法——電阻應變測試法，詳細的測試流程見圖1。測試前確定現場電阻應變片的粘貼工藝，主要包括應變片的準備、測點位置的處理、貼片、導線的焊接與固定以及應變片粘貼的質量檢查，特別是現場貼片的質量直接影響著應力測試的準備度。現場貼片完成后，按照不同的工況進行動態測試和靜態測試，實施數據收集處理，最后根據數據對金屬結構不同測點的應力情況進行分析。

圖1 應力測試流程圖

2.3 測點選擇

根據有限元分析的應力應變結果顯示，起重機上部小車結構比下部門架鋼結構的最大應力、應變值高出很多如圖2、圖3所示，故此次測試的測試點均分布在上部小車結構和門架主梁結構上，且根據起重機的結構及工作特點，本次測試的測試點均安排在小車結構的對稱軸的一側。

圖2 小車結構受力仿真圖

圖3 門架結構受力仿真圖

考慮到測試時的布線問題，將測試儀器布置在門架鋼結構頂部平臺中的灰色區域（如圖4所示）。同時，小車上所有處于上方的測試點（前梁測試點除外）的導線經日字梁（如圖5所示）與主梁交界處延伸至前梁中部，由小車行走機構的電機所在處引出（前梁測試點的導線也從這里引出），然后，至門架鋼結構頂部平臺，到測試儀器的布置位置；小車上所有處于下方的測試點（前、后梁測試點除外）的導線經日字梁與主梁交界處延伸至箱型梁下方，再沿箱型梁引出至門架鋼結構頂部平臺，到測試儀器布置位置（前梁測試點的導線直接向右引出至測試儀器布置位置，后梁測試點的導線直接向右引出至門架鋼結構頂部平臺上，再引至測試儀器布置位置）；小車車輪處的測試點的導線引出至門架鋼結構頂部平臺，到測試儀器布置位置。

圖4 測試平臺布置圖

圖5 小車結構示意圖

參考有限元分析（見圖1、圖2）得到的應力應變理論分析結果，決定測試的所有測試點主要分布在小車車架上和門架主梁中央處。所有測試區域的測試點均使用單向應變片（5.5×3mm）或應變花（10×10mm）中的一種。

2.4 應變片的準備及構件測點部位表面的處理

在準備貼片前，將待用的應變片利用放大鏡進行外觀檢查，利用萬用表進行阻值測量。外觀檢查目的在于觀察敏感柵有無銹斑，裂縫、斷絲、缺陷，是否排列整齊，基底和覆蓋層有無損壞，引線是否完好。阻值測量使用數字萬用表進行，目的在于檢查敏感柵是否有斷路、短路，并進行阻值分選，確保應變片可以保持在最理想的狀態，對于共用溫度補償的一組應變片，阻值相差不得超過±0.5。同一次測量的應變片，靈敏系數必須相同。

對測點表面進行打磨處理，要清除表面油漆、氧化層和污垢，然后磨平或銼平，用砂紙進行打磨,保證測點表面光滑程度達到要求。打磨面積約為應變片面積的5倍左右，打磨完成后，用劃針輕輕劃出貼片的準確位置。最后，用棉球蘸取無水酒精對打磨部位進行反復擦拭，直至棉球上見不到污垢為止。

2.5 貼片及質量檢查

待清洗劑揮發后，測試人員戴上聚乙烯材質手套，首先，在貼片位置滴一點502膠，用應變計背面將膠水涂勻，然后用鑷子撥動應變片，調整位置和角度。定位后，用手指輕輕按壓應變片，擠出多余的膠水和氣泡，待膠水初步固化后即可松開。用透明膠將應變片的引腳線固定在測點旁，將引線和導線進行錫焊連接。

應變片貼好后，主要對其外觀、電阻以及絕緣電阻進行檢查。外觀檢查：觀察貼片方位是否正確，應變片有無損傷，粘貼是否牢固和有無氣泡。電阻測量：利用萬用表檢查有無斷路、短路情況，貼片前后應變片阻值應無較大變化。絕緣電阻測量：利用絕緣電阻測試儀檢測應變片的基底的絕緣電阻是否在可靠范圍內（大于200MΩ）。待上述檢查完畢，確認貼片質量較好后，在應變片上涂上704硅膠對已貼好的應變片進行密封防護處理,并將導線用膠帶固定，導線兩端應根據測點的編號做好標記。

2.6 現場數據采集及處理分析

現場測試采用兩臺靜態應變儀（120通道）并聯，具體的采集方式選擇公共補償的連接方式即1/4橋的方式對應變片進行連接，為了保證測試的準確性，在第一列全部貼上補償片，在每個采集通道里面依次設置連接方式、材料屬性、靈敏度系數、導線電阻等，同時，對所有通道及其電阻平衡清零且導出零點。

將現場采集的數據利用表格的形式進行記錄、處理分析，具體如表1、表2。

表1 75t載荷下主梁各測點的應變數據表

表2 75t載荷下主梁各測點的應力值及安全系數表

測試結果分析：根據設計計算書和結構受力情況，確定測試工況在75t狀況下，通過對比，主梁底部最大應力出現在測點2，即該點為最危險應力點，安全系數為14.6，其最大靜態應力尚未超過設計值和許用值。

3 結語

應力測試技術作為一種成熟的技術廣泛應用到大型設備的安裝、改造以及安全評估中，這種技術既不會對被測試件造成損傷,也不會改變相應材料的力學性能,精準的應力應變測試不僅可以對計算模擬結果進行驗證與優化，還能為設備運行、安全評價提供可靠性建議。

盡管應力測試已被廣泛應用，但每種應力測試方法都存在其局限性。應變片是由一層很薄的金屬薄片形成，其本身的屬性決定了其在測試過程中會受到結構、溫度或其他不確定因素的影響，從而產生零點漂移現象；在進行應力測試時，如果是設備工作環境差、溫差大的情況，會使被測結構產生的應變發生變化，導致測應力和實際應力相差較大，這些都會造成測量結果的不正確。在實際測試過程中，要注意避免這些問題，才能保證測試結果的可靠正確度。