軌道式門座起重機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試的設(shè)計(jì)

1、軌道式門座起重機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試的設(shè)計(jì)3上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院聶龍武王重華摘要:為了獲得門座起重機(jī)在實(shí)際工況中對(duì)其金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)載荷,采用當(dāng)前主流的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試方法。在對(duì)軌道式門座起重機(jī)載荷分析的前提下獲得動(dòng)態(tài)測(cè)試的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?根據(jù)測(cè)試對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及測(cè)試儀器的精度設(shè)計(jì)測(cè)試方案,同時(shí)結(jié)合具體門座起重機(jī)的參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,總結(jié)測(cè)試方案,捉出一些關(guān)于港口機(jī)械動(dòng)態(tài)測(cè)試的建議,為同類測(cè)試提供參考。關(guān)鍵詞:軌道式門座起重機(jī);動(dòng)態(tài)測(cè)試;設(shè)計(jì);分析Abstract:T o get the dyna m ic l oad t o the metal structure of the rail-mounted

2、 crane in real operating conditi on,the popular dyna m ic stress measuring way is used,and the dyna m ic testmodel is obtained thr ough analysis of l oad t o the crane1 According t o the structure characteristics and the test instru mentsp recisi on,the sche me is worked out,and test result is analy

3、zed,based on real parameters of the crane1I n test su mmary s ome suggesti on for dynam ic test of portal equi pment is put f or ward1It offers reference for si m ilar test1Keywords:rail-mounted portal crane;dyna m ic test;design;analysis近年來,隨著國(guó)際物流業(yè)的發(fā)展,集裝箱,煤炭、礦石等運(yùn)輸逐步成為海洋和內(nèi)陸運(yùn)輸?shù)闹饕獦I(yè)務(wù),軌道式門座起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱門機(jī)在碼頭

4、與海洋之間貨物搬運(yùn)充當(dāng)了重要角色,由于繁忙的物料搬運(yùn),通常具有荷載搬運(yùn)空間高、移動(dòng)范圍大,載荷量重的特點(diǎn),其安全性尤其重要,因此突出了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的問題。在港口機(jī)械設(shè)計(jì)方面,為了保證足夠的剛度和強(qiáng)度,通常選取的動(dòng)載系數(shù)普遍偏大,而實(shí)際上選取較大的動(dòng)載系數(shù)雖然能保證其安全性,卻使整機(jī)的質(zhì)量顯著增加從而導(dǎo)致材料的耗費(fèi),變相增加了設(shè)計(jì)和制造成本。為了縮小動(dòng)載系數(shù)的選取范圍,在試驗(yàn)中,通過對(duì)應(yīng)力變化的研究來解決動(dòng)載系數(shù)范圍問題,于是設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試方案。目前,對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)件主要是進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試(即電阻應(yīng)變法或簡(jiǎn)稱電測(cè)法。下面主要討論40t/45m軌道式門座起重機(jī)應(yīng)力電測(cè)方案,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。1測(cè)試

5、原理及工具金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的主體部分,起骨架的作用,其重量約占整機(jī)重量的60%以上2,金屬結(jié)構(gòu)用來安裝以及布置動(dòng)力裝置和工作機(jī)構(gòu),承受自重載荷和各種外在載荷,并將載荷傳遞到起重機(jī)械的支承基礎(chǔ)上,通過力學(xué)模型求出來的內(nèi)力不能正確反應(yīng)構(gòu)件的實(shí)際受力情況,由于此試驗(yàn)是為了節(jié)約材料或減輕機(jī)械設(shè)備重量,其中重點(diǎn)應(yīng)放在測(cè)定那些強(qiáng)度儲(chǔ)備較大的構(gòu)件上3。測(cè)試分為承載結(jié)構(gòu)靜載應(yīng)力和動(dòng)載應(yīng)力測(cè)試2種。靜載應(yīng)力測(cè)試采用的設(shè)備主要是數(shù)據(jù)采集器, YJR-5數(shù)字電阻應(yīng)變儀3套、拉力傳感器、數(shù)字萬用表及其他輔助儀器和工具。動(dòng)載應(yīng)力測(cè)試采用DH5937應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)2套、動(dòng)態(tài)信號(hào)記錄儀及相應(yīng)測(cè)試軟件。電阻應(yīng)變片采用BF120

6、-AA型箔式應(yīng)變片,靈敏系數(shù)K=2119,電阻值R=12。2承載結(jié)構(gòu)靜載測(cè)試211貼片位置的確定結(jié)構(gòu)響應(yīng)是試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo),因此,電測(cè)法的首要任務(wù)是確定應(yīng)變片在門機(jī)上的位置。對(duì)門機(jī)主要構(gòu)件的有限元分析后發(fā)現(xiàn):在集中力或集中力偶作用處,內(nèi)力有較大的變化并且出現(xiàn)極值,鋼架的拐彎處內(nèi)力出現(xiàn)極值等3,故測(cè)量截面的選擇直接關(guān)系到貼片位置的選擇,貼片位置還與結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)問題的位置和所研究3上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目港口機(jī)械電子工程組成部分(T0601對(duì)象的物理量有關(guān)。針對(duì)40t/45m 門機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)載特點(diǎn),為了便于分析與計(jì)算,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量門機(jī)各主要構(gòu)件在各種工況下的動(dòng)載應(yīng)力變化,應(yīng)做到測(cè)量工作方

7、便、安全的斷面、滿足測(cè)量目的、盡可能少的斷面和點(diǎn)位的原則,應(yīng)變片布置在門機(jī)的主要構(gòu)件上。圖1為結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試主要斷面的示意圖,由圖1可知主要布置在轉(zhuǎn)臺(tái)上部的象鼻梁,主臂架、大小拉桿、人字架等處 。圖1門機(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意圖212測(cè)試條件及工況擬定靜載測(cè)試工況為:門機(jī)做起升運(yùn)動(dòng)、大車和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保持不動(dòng),臂架固定于垂直大車軌道方向,起升繩繩頭與試驗(yàn)載荷間串接拉力傳感器,試驗(yàn)載荷著地,起升鋼絲繩松弛,對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零。試驗(yàn)載荷為40t,起升機(jī)構(gòu)緩慢起動(dòng),將試驗(yàn)載荷起升離地至2m 左右。幅度分別處在最小幅度、中間幅度和最大幅度等3種工況,穩(wěn)定后測(cè)讀拉力傳感器(一個(gè)通道,全橋接法與各應(yīng)變片(其余通道,半橋接法靜

8、載應(yīng)力讀數(shù)。213測(cè)試結(jié)果每種幅度測(cè)試3次,最后取3次測(cè)試的平均值,所得的承載結(jié)構(gòu)靜載應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。表1各工況下靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果MPa測(cè)點(diǎn)最小幅度中間幅度最大幅度A1-5156+31131+53125C1-18133-3811l -19190D1-318l +26188+41141E1-25165-23138-26130Fl -30190-4174+1124F2-27160-0121+3119Gl +7193+21122+36187H l+22197+0172-81653承載結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試311測(cè)試條件及工況根據(jù)門機(jī)的受載情況,選擇典型測(cè)點(diǎn)A1、C1、D1作為研究對(duì)象,測(cè)試其應(yīng)力在不同工況

9、下的變化。方案如下:門機(jī)做起升運(yùn)動(dòng)、大車和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保持不動(dòng);臂架固定于測(cè)定靜載應(yīng)力的方向,幅度分別為最小幅、中間幅度和最大幅度等3種工況;起升鋼絲繩繩頭與試驗(yàn)載荷間串接拉力傳感器,試驗(yàn)載荷為抓斗及抓取物(總重約50t ;試驗(yàn)載荷先著地,起升鋼絲繩分別為半松弛、剛張緊2種狀態(tài),但鋼絲繩松弛量應(yīng)保持一致,對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零。起升機(jī)構(gòu)以3種不同的加速度將試驗(yàn)載荷加速起升至足夠高度(保證應(yīng)變信號(hào)穩(wěn)定,用DH5937應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量、記錄拉力傳感器和各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處應(yīng)變片在試驗(yàn)載荷加速起升過程中應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化,以分析鋼絲繩拉力和門機(jī)結(jié)構(gòu)不同部位應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化,確定起升動(dòng)載系數(shù)。312測(cè)試結(jié)果每個(gè)工況下的相關(guān)動(dòng)

10、作時(shí)間記錄見表2,所取位置測(cè)得應(yīng)力值見表3。表2動(dòng)作情況時(shí)間表s 時(shí)間16394352動(dòng)作1擋起升制動(dòng)下降落地時(shí)間61778496動(dòng)作2擋起升制動(dòng)下降落地時(shí)間111120122133動(dòng)作3擋起升制動(dòng)下降落地時(shí)間14315l154167動(dòng)作4擋起升制動(dòng)下降落地時(shí)間190動(dòng)作采樣結(jié)束表33個(gè)典型測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值MPa位置編號(hào)速度全局最大全局最小最大應(yīng)力最小應(yīng)力A11擋61118-14111531794917l 2擋6l 118-141115916441743擋61118-1411160158451794擋61118141116111842155續(xù)表3位置編號(hào)速度全局最大全局最小最大應(yīng)力最小應(yīng)力C1 1

11、擋5166-33112-28197-261712擋5166-33112-32114-241143擋5166-33112-33112-241144擋5166-33112-32182-22171D11擋55183-611949164461472擋55183-61195412442143擋55183-611955145431234擋55183-611955183401134試驗(yàn)結(jié)果分析 411靜載測(cè)試結(jié)果分析門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的材料一般采用普通結(jié)構(gòu)鋼(Q235,其屈服極限為235MPa,根據(jù)文獻(xiàn)4的設(shè)計(jì)要求,按載荷取安全系數(shù)n =1148,從而得出構(gòu)件的許用應(yīng)力為=s n =2351148=158178M

12、Pa本文中的靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)包括了結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的應(yīng)力,即文獻(xiàn)5中提到的門機(jī)自重應(yīng)力在15MPa 左右。針對(duì)40t/45m 門機(jī)結(jié)構(gòu),分析各典型測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可知:A1點(diǎn)在最大幅度時(shí)靜載應(yīng)力為+53125MPa,表現(xiàn)為壓應(yīng)力:C1點(diǎn)的靜載應(yīng)力為-1919MPa,表現(xiàn)為拉應(yīng)力;D1點(diǎn)的靜載應(yīng)力為+56114MPa,表現(xiàn)為壓應(yīng)力。所有測(cè)點(diǎn)的靜載應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力,符合門機(jī)的設(shè)計(jì)要求。412動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果分析 貨物在吊裝過程中受到震動(dòng)、環(huán)境等因素的影響,會(huì)使得金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加動(dòng)態(tài)載荷。為了正確反應(yīng)其動(dòng)態(tài)過程,在設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)時(shí)需要用一個(gè)系數(shù)加以修正,這就是動(dòng)載系數(shù)。通過應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)定,結(jié)合結(jié)構(gòu)的線性變化規(guī)律,

13、把同一位置動(dòng)載作用下的力與靜載作用下的力之比轉(zhuǎn)化為動(dòng)載應(yīng)力和靜載應(yīng)力之比。通過計(jì)算所獲得的動(dòng)載系數(shù)值見表4。結(jié)合鋼絲繩在起升過程中的動(dòng)載變化繪制出其變化趨勢(shì)見圖2,表4的變化趨勢(shì)見圖3。由圖2可知,鋼絲繩在不同起升速度時(shí),其動(dòng)表4最大幅度下不同速度時(shí)的動(dòng)載系數(shù)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)1擋2擋3擋4擋動(dòng)載系數(shù)值A(chǔ)11104111611171118C11104l 11311161117D l1105111611201119圖2鋼絲繩動(dòng)載系數(shù)變化圖3最大幅度動(dòng)載系數(shù)變化11A121C131D1載系數(shù)的總體趨勢(shì)增大,在2擋時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值,且鋼絲繩在不同起升速度下的所有動(dòng)載系數(shù)均沒有超過111,這比起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范上表明

14、的系數(shù)范圍小。當(dāng)然這只是個(gè)近似值,不能完全作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取值,但可以做為改進(jìn)和測(cè)試時(shí)參考系數(shù)值。由圖3得知,臂架位于最大幅度,不同起升速度下D1點(diǎn)的動(dòng)載系數(shù)都要大于C1點(diǎn)和A1點(diǎn),平均動(dòng)載系數(shù)隨著起升速度的增大而增大。整機(jī)的應(yīng)力水平也隨著起升速度的加大而加大。圖4、圖5和圖6是典型測(cè)點(diǎn)A1、C1和D1現(xiàn)場(chǎng)采集到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力隨起升速度變化趨勢(shì)圖。圖4A1點(diǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)力速度曲線圖結(jié)構(gòu)動(dòng)載系數(shù)隨著起升速度的增大而增大,鋼絲繩滑輪組的動(dòng)載荷系數(shù)趨勢(shì)基本上相同,結(jié)構(gòu)動(dòng)載荷系數(shù)一般比鋼絲繩滑輪組的動(dòng)載荷系數(shù)大。 圖5C1點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力 速度曲線圖圖6D1點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力速度曲線圖從應(yīng)力圖可以看出,在起升工況下隨著臂

15、架幅度變小,則結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平也變小。5試驗(yàn)總結(jié)試驗(yàn)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要,因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果分析的數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)中所記錄的每一個(gè)數(shù)據(jù),其真實(shí)性、客觀性、可靠性決定了結(jié)論的科學(xué)性。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,動(dòng)載系數(shù)的大小是通過直接數(shù)據(jù)和間接數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。直接數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)記錄的天氣狀況、機(jī)器型號(hào)、操作的時(shí)間、操作過程及試驗(yàn)順序、以及試驗(yàn)的一些臨時(shí)變化或調(diào)整。間接數(shù)據(jù)為軟件記錄的圖形曲線,通過程序識(shí)別獲得的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與試驗(yàn)的原理和方法有關(guān),同時(shí)與所處理對(duì)象的計(jì)算方式有關(guān)。比如動(dòng)載系數(shù),這對(duì)不同的機(jī)器和構(gòu)件的特性,運(yùn)用其數(shù)學(xué)的、材料的原理轉(zhuǎn)化成能直接獲得的數(shù)據(jù)處理方式。(1貼片位置的確定及貼片的粘貼工藝

16、貼片位置的確定根據(jù)測(cè)試目的和結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的原理獲得。由于數(shù)據(jù)的獲取是根據(jù)電阻應(yīng)變片工作原理得來的,因此,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),如果不滿足應(yīng)變片的工作條件,則任何數(shù)據(jù)都是無效的,這樣的測(cè)試沒有任何意義。滿足應(yīng)變片的要求后,還有一個(gè)重要的工序就是應(yīng)變片的粘貼工藝。比如粘貼前的應(yīng)變片檢查、應(yīng)變片的修正、試件表面處理、畫粘貼應(yīng)變片的定位線、粘貼方式、固化處理、引線保護(hù)等。這樣做也是為了保證數(shù)據(jù)通道的暢通和盡量避免壞點(diǎn)數(shù)據(jù)的出現(xiàn),對(duì)測(cè)試的精度產(chǎn)生很大的影響。(2儀器和線路的檢查盡管電測(cè)量技術(shù)具有準(zhǔn)確、靈敏、能連續(xù)測(cè)量、便于自動(dòng)記錄和分析、可與電子計(jì)算機(jī)和微處理機(jī)連接成智能化儀器等優(yōu)點(diǎn),保證電子設(shè)備不

17、受干擾而正常工作也是關(guān)鍵,盡量避免通道無數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。(3數(shù)據(jù)處理技術(shù)一般測(cè)試儀器所獲得的是連續(xù)動(dòng)態(tài)曲線或者通道的采樣信息。這些數(shù)據(jù)無法直接讀取,而取決于處理數(shù)據(jù)的程序或者軟件,所以數(shù)據(jù)處理技術(shù)是測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的另外一個(gè)關(guān)鍵。程序的編制與所獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn)與計(jì)算方式有關(guān)。對(duì)于時(shí)域信號(hào),在軟件處理時(shí),區(qū)域的選取也很大程度上影響試驗(yàn)結(jié)論,而且動(dòng)態(tài)測(cè)試中會(huì)因人工讀取存在時(shí)間的提前或滯后現(xiàn)象,所以在選取時(shí)域區(qū)域時(shí)要根據(jù)工況適當(dāng)放大或移動(dòng)區(qū)域。這樣做的目的是為了更好地反應(yīng)實(shí)際工況。試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還與機(jī)器的操作情況有關(guān)。6結(jié)論上述動(dòng)態(tài)測(cè)試設(shè)計(jì)和范例分析表明,起升動(dòng)載測(cè)試的結(jié)果與理論分析的結(jié)果比較吻合,此方法對(duì)門機(jī)的主臂梁和大拉桿比較適合。同時(shí)可以看出吊重加速離地上升時(shí),起重機(jī)主臂梁在垂直方向上的應(yīng)力較大,大拉桿和象鼻梁測(cè)點(diǎn)處的復(fù)合應(yīng)力較大,對(duì)起重臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響,在實(shí)際操作過程中,司機(jī)