薛志鋼，蘇文勝，巫 波，胡東明

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 無(wú)錫 214174； 2.國(guó)家橋門(mén)式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 無(wú)錫 214174)

起重機(jī)車(chē)輪和軌道通過(guò)相互接觸支撐起重機(jī)自重，軌道和車(chē)輪若裝配不當(dāng)就會(huì)造成啃軌[1]、局部輪壓過(guò)大，甚至起重機(jī)整機(jī)傾覆的事故，其中起重機(jī)輪壓是起重機(jī)的重要參數(shù)，是檢驗(yàn)起重機(jī)總體重量的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是碼頭和工業(yè)廠房軌道基礎(chǔ)重要的設(shè)計(jì)依據(jù).許多學(xué)者針對(duì)起重機(jī)輪壓的數(shù)值仿真做了許多研究[2-4]，但是實(shí)際輪壓測(cè)試方法目前還不是很成熟.起重機(jī)輪壓的測(cè)試方法主要有以下幾種：① 千斤頂頂升法[5]，該方法也是最早提出來(lái)的輪壓測(cè)試方法.測(cè)試原理是將傳感器放在千斤頂上，然后利用千斤頂?shù)牧斊鹌鹬貦C(jī)的支腿至支腿下的車(chē)輪全部脫離軌道，將壓力傳感器的數(shù)值作為該支腿所承受起重機(jī)的重量，最后把該數(shù)值平分到該支腿下面的輪子上作為各個(gè)輪子的輪壓.該方法在現(xiàn)在輪壓測(cè)試中被經(jīng)常用到[6-7]，但是該方法使用的千斤頂和傳感器過(guò)于笨重，需要多人協(xié)助，操作不方便，同時(shí)需要額外提供一個(gè)液壓站.此外，該測(cè)試的輪壓只是平均值，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試每個(gè)輪子的壓力；② 應(yīng)變測(cè)試法，主要在金屬結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片，通過(guò)應(yīng)變的大小來(lái)推算起重機(jī)的輪壓，其中基于軌道應(yīng)變測(cè)試輪壓方法[8-9]是由江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院和太倉(cāng)分院提出的測(cè)試方法，該方法的測(cè)試原理是將應(yīng)變傳感器貼在軌道上，當(dāng)車(chē)輪經(jīng)過(guò)粘貼傳感器的位置時(shí)會(huì)造成軌道的變形，進(jìn)而引起傳感器電壓信號(hào)的變化，通過(guò)采集儀將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為壓力值，進(jìn)而得到起重機(jī)的輪壓.該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但是當(dāng)對(duì)應(yīng)變傳感器進(jìn)行初始化時(shí)，起重機(jī)在軌道造成一部分重力被人為減去，進(jìn)而所測(cè)的輪壓要小于實(shí)際的輪壓，而且由于軌道的連續(xù)性，當(dāng)一只車(chē)輪處于傳感器位置時(shí)，附近的車(chē)輪對(duì)該傳感器也有貢獻(xiàn)，故所測(cè)車(chē)輪并不是該車(chē)輪的實(shí)際輪壓；③ 同濟(jì)大學(xué)提出在車(chē)輪上粘貼應(yīng)變片對(duì)大型浮吊的輪壓進(jìn)行測(cè)試[10]，該方法得到的輪壓值對(duì)加載部位、測(cè)試溫度特別敏感，可重復(fù)性較??；④ 巴克豪森噪聲測(cè)輪壓法[11]，該方法的測(cè)試原理是鐵質(zhì)材料在外磁場(chǎng)磁化達(dá)到飽和的過(guò)程中其材料的微觀結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，當(dāng)材料的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生微觀變化時(shí)，材料的磁疇沿外加磁場(chǎng)作用方向發(fā)生90°或180°反轉(zhuǎn)或者使磁疇壁移動(dòng)，相鄰的兩個(gè)磁疇反轉(zhuǎn)彼此摩擦并發(fā)生振動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和電磁噪聲，通過(guò)對(duì)巴克毫森噪聲進(jìn)行分析，能夠獲得材料表面和內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等材料特性.該方法精度高，檢測(cè)速度快，但測(cè)試數(shù)據(jù)受到被測(cè)量構(gòu)件的表面粗糙度、氧化皮厚度，選用的激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度、激勵(lì)信號(hào)的頻率，材料化學(xué)成分、金相組織、熱處理及冷加工過(guò)程的影響.

本文提出的輪壓測(cè)試方法能夠方便快捷地完成起重機(jī)輪壓測(cè)試，并且省時(shí)省力，避免了搬運(yùn)較重的設(shè)備和其他因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響.

1 傳感器的設(shè)計(jì)

傳感器測(cè)試力的原理是在有外力作用在結(jié)構(gòu)上時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，通過(guò)標(biāo)定得到結(jié)構(gòu)變形與力的關(guān)系，從而得到力的大小.本文設(shè)計(jì)的輪壓傳感器也是基于該原理，但是在此有兩個(gè)問(wèn)題需要解決：① 如何將傳感器放在起重機(jī)車(chē)輪上；② 一般傳感器部分允許較大變形，但是其他部分要有足夠的強(qiáng)度，以保證傳感器能夠足以支承起重機(jī)的重量.為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的傳感器需要滿(mǎn)足兩個(gè)要求：① 彈性體的高度較小，一方面使起重機(jī)能夠方便地運(yùn)行到彈性體上，另一方面?zhèn)鞲衅鞲叨炔恢劣谟绊懫鹬貦C(jī)整體有較大的改變；② 彈性體要能夠承受較大的壓力，對(duì)于大型港口碼頭起重機(jī)而言，平均輪壓大概為25 T，考慮到安全系數(shù)和運(yùn)行過(guò)程中的沖擊，傳感器的量程至少為40 T.此外為了使起重機(jī)能夠行駛到傳感器上，特設(shè)定如圖1 所示結(jié)構(gòu).

圖1 傳感器原理圖Fig.1 Sensor schematic diagram

該傳感器分為 3 個(gè)部分：引渡區(qū)、傳感區(qū)和承載區(qū).引渡區(qū)為角度為一定值的斜坡，保證起重機(jī)車(chē)輪依靠摩擦力能夠通過(guò)該斜坡駛?cè)雮鞲袇^(qū)，同時(shí)受測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的限制，該引渡區(qū)也不能過(guò)長(zhǎng).由于傳感器整體厚度比較小，在此假設(shè)起重機(jī)的自重平分到每個(gè)車(chē)輪上，通過(guò)力的分解可知：為了保證起重機(jī)能夠駛?cè)胍蓞^(qū)，則引渡區(qū)的角度θ需滿(mǎn)足

f≥mgsinθ/N,

(1)

式中：f為車(chē)輪與引渡區(qū)之間的摩擦力；m為起重機(jī)的質(zhì)量；N為起重機(jī)車(chē)輪的個(gè)數(shù)；θ為引渡區(qū)的角度.

同時(shí)車(chē)輪與引渡區(qū)的摩擦力

f=mgcosθμ/N.

(2)

故通過(guò)式(1)和式(2)得到引渡區(qū)的角度必須滿(mǎn)足

θ≤arctanμ.

(3)

通過(guò)式(3)可得到引渡區(qū)的最大角度，保證起重機(jī)能夠駛?cè)雮鞲衅?，防止出現(xiàn)滑脫的情況出現(xiàn)，減少由于車(chē)輪從引渡區(qū)滑下導(dǎo)致的車(chē)輪和軌道沖擊的風(fēng)險(xiǎn).

傳感器是傳感區(qū)的核心部分，起重機(jī)只有作用在傳感器上面的承載部分，方可以對(duì)該車(chē)輪的壓力進(jìn)行測(cè)量.在起重機(jī)車(chē)輪駛?cè)雮鞲衅鞯乃查g會(huì)對(duì)傳感器造成一定的沖擊，為了保證傳感器的精度必須保證傳感器的彈性元件在材料彈性范圍之內(nèi)，由此需要傳感器材料有較寬的彈性范圍，在此選用42鉻鉬合金鋼作為該傳感器材料，在經(jīng)過(guò)熱處理后，其強(qiáng)度和彈性范圍均有較大的提升，滿(mǎn)足傳感器設(shè)計(jì)需求，其材料力學(xué)性能如圖2 所示.為了保證傳感器有足夠高的強(qiáng)度，且在滿(mǎn)載(40T)工況下彈性元件在彈性范圍之內(nèi)，對(duì)該傳感器進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，應(yīng)力云圖如圖3 所示，最大應(yīng)力發(fā)生在輪輻與承載面接觸位置，最大值為1 416 MPa，考慮到1.25倍的放大，該傳感器滿(mǎn)足起重機(jī)輪壓的測(cè)試需求.

圖2 材料力學(xué)性能Fig.2 Mechanical properties of materials

圖3 彈性元件的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of elastic element

2 傳感器標(biāo)定

將加工好的傳感器粘貼應(yīng)變片后，在壓力機(jī)上進(jìn)行逐點(diǎn)標(biāo)定，如圖4 所示.設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)每3 t停留一段時(shí)間，并記下傳感器的讀數(shù)，根據(jù)兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線(xiàn)擬合，擬合直線(xiàn)如圖5 所示.擬合的方程如式(4)所示，其中R2=0.999 9，說(shuō)明設(shè)計(jì)的傳感器有足夠高的線(xiàn)性度，滿(mǎn)足實(shí)際工程測(cè)試的需求.

y=103.88x+2.215 8.

(4)

在采集儀的上位機(jī)上根據(jù)標(biāo)定的擬合方程設(shè)置響應(yīng)的比例系數(shù)和截距，在實(shí)際測(cè)試時(shí)可直接讀取起重機(jī)的輪壓值.

圖4 輪壓傳感器標(biāo)定Fig.4 Calibration of wheel pressure sensor

圖5 傳感器標(biāo)定圖Fig.5 Sensor calibration map

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

選取某港口的卸船機(jī)的輪壓作為測(cè)試對(duì)象，如圖6 所示.通過(guò)查閱相關(guān)資料可知，該起重機(jī)的自重約為1 000 t，共有32個(gè)車(chē)輪.在測(cè)試前，首先將傳感器和采集設(shè)備連接，并在采集設(shè)備的上位機(jī)設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，然后把輪壓傳感器放在起重機(jī)軌道上，一端緊靠軌道和車(chē)輪接觸位置，傳感器的放置方式如圖7 所示.接著上位機(jī)開(kāi)始采集并記錄傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)起重機(jī)車(chē)輪緩慢駛向傳感器，使車(chē)輪越過(guò)傳感器的承載區(qū)，最后上位機(jī)停止記錄，并將起重機(jī)車(chē)輪駛下傳感器.由于車(chē)輪較多，間隔取車(chē)輪作為測(cè)量對(duì)象，共測(cè)試16個(gè)車(chē)輪的輪壓，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中各車(chē)輪的壓力如圖8 所示.

圖6 被測(cè)的起重機(jī)Fig.6 Crane under test

圖7 輪壓測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 On-site wheel pressure testing

圖8 測(cè)試的起重機(jī)輪壓時(shí)程曲線(xiàn)Fig.8 Tested wheel pressure time history curve of crane

由各車(chē)輪的壓力時(shí)程圖可知，起重機(jī)在軌道上的壓力并不是均勻不變的，隨著起重機(jī)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輪對(duì)軌道的壓力是振動(dòng)的，在此選擇壓力時(shí)程的最大值作為起重機(jī)的輪壓，由此可得到各車(chē)輪的輪壓如表1 所示.

表1 起重機(jī)輪壓Tab.1 Crane wheel pressure

假定同一鉸接的兩個(gè)車(chē)輪的輪壓相等，計(jì)算得到16車(chē)輪的輪壓為508.5 t，由此計(jì)算起重機(jī)的總重為1 017 t，和起重機(jī)自重相符，起重機(jī)各個(gè)車(chē)輪的輪壓分布較為均衡，一側(cè)的平均輪壓為30.1 t，另外一側(cè)的平均輪壓為33.5 t，總體而言一側(cè)的車(chē)輪輪壓較大，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，起重機(jī)的電機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在輪壓較大的一側(cè)，因此造成兩側(cè)輪壓有一定的差距.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)目前起重機(jī)輪壓測(cè)試的問(wèn)題研發(fā)了能夠高效、精準(zhǔn)地對(duì)起重機(jī)單個(gè)車(chē)輪輪壓進(jìn)行測(cè)試的傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定，證明了傳感器具有較高的精度.介紹了傳感器的使用方法以及測(cè)試流程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了某臺(tái)起重機(jī)的輪壓，計(jì)算得到的起重機(jī)自重和設(shè)計(jì)相符，探究了車(chē)輪輪壓的特點(diǎn)，并分析了該起重機(jī)輪壓兩側(cè)輪壓差的原因，同時(shí)也驗(yàn)證了測(cè)試的正確性.

本文設(shè)計(jì)的輪壓測(cè)試傳感器能夠快速、高效、精確地測(cè)試每個(gè)車(chē)輪的輪壓，彌補(bǔ)現(xiàn)有輪壓測(cè)試的短缺，具有廣泛的推廣價(jià)值.