一种桥式起重机金属结构失效检测系统设计

张 敏，唐朝晖，何 非，李东波

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

桥式起重机常用于港口、码头、建筑工地和工厂等人群密集场所，并且其承受的载荷大，移动范围大，所以对于桥式起重机的结构可靠性要求很高［1］。传统情况下，起重机的故障检测是由检验员带着实验仪器到各个工作地点进行检测，通过得到的实验数据制订维修和保养方案［2］。然而这种方法不仅工作繁琐危险，而且不能在第一时间得到起重机的具体故障数据，不利于起重机的保护和工作效率的提高，因此迫切需要开发一种桥式起重机金属结构失效检测系统。

在线应变测试是研究金属结构失效的重要方法，对不同工况下的桥式起重机械各个结构进行应变检测是保证起重机安全工作的重要手段，对提高起重机工作效率具有重要意义。当前，采用电阻应变片电测法进行应力应变检测，是对工程结构设计、制造、装配的可靠性和安全性进行测试、分析和评价的常用手段。

1 金属结构失效表现

弹性变形失效、塑性变形失效、韧性变形失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效、磨损失效是金属结构失效的主要表现形式。在大多数工况下，桥式起重机的工作状况差，不仅承受负载较大，而且机器启制动频繁，导致桥式起重机金属结构失效形式的多样性。由桥式起重机的使用情况可知，疲劳裂纹以及疲劳裂纹扩展是其金属结构失效的主要形式。这种失效形式主要是因为桥式起重机的某些部位在其运行状态下承受连续的应力出现裂纹，甚至因裂纹扩展使其承载能力下降，从而失效。疲劳破坏是由损伤逐渐累积而形成的。疲劳破坏发生非常突然，破坏性也很大，发生前除了微观的裂纹外，设备不会发生明显的宏观塑性变形。

2 应变检测系统设计

2．1 结构和工作原理

本文中所述的桥式起重机金属结构失效检测系统主要工作过程如下:利用有限元技术对桥式起重机进行建模，分析出易产生较大应力应变的特殊部位，在该特殊部位贴电阻应变片采集应变信号，使用电阻应变仪进行信号采集、存储、处理，再通过远程信号传输技术和局域网技术将数据传递到上位机显示结果。

图1 系统原理图

2．2 电阻应变片的分布

桥式起重机金属结构主要分为3个部分，即主梁、端梁和支架［3］。主梁和端梁的主要作用是承受小车及货物的重力，支架主要起支撑整个桁架的作用。由于主梁、端梁和支架均是焊接而成，在焊缝附近存在残余应力，从而导致焊缝处应力集中，另外焊接时残余热应力没有释放，因而焊缝处通常是疲劳破坏的位置。起重机的工作方式具有间断性、重复性的特点，因而起重机的主梁反复承受着低于材料屈服极限的交变应力作用，虽然材料不会发生塑性变形，但在结构有缺陷的部位(如焊缝处)会逐渐形成裂纹，并一步步扩展，因此用来测量应变的电阻应变片应该安装在内部结构有缺陷、极易发生疲劳破坏的部位。应变片具体安装位置如图2、图3所示。

图2 前视面应变片位置

图3 端面应变片位置

2．3 数据采集

桥式起重机金属结构失效检测系统由3个部分组成，即传感部分、数据采集部分和控制处理部分。检测系统结构如图4所示，应变仪内部系统框图如图5所示。

图4 检测系统结构图

图5 应变仪内部系统图

动态应变仪的作用是通过桥式电路测量电阻应变片的微弱的电阻变化，并以电压信号的形式输出，再通过差动放大器、调制电路、滤波电路等将电压信号进行A/D转换。经过A/D转换之后，将数据信息传送至计算机存储和处理。

电桥的电路类型是由电桥盒设置的。根据电桥中可变电阻连接方式，电桥可分为单电桥、双电桥和全电桥3种电桥电路。本文所采用的动态电阻仪使用单电桥电路，如图6所示。

图6 应变单电桥电路

本方案采用的通用型八通道动态应变仪是由北京时代龙城科技有限公司提供的LC21DT01/02型动态电阻仪。该动态电阻仪采用电子自动平衡，具有以下优点:宽频响、高阻抗、低噪声、低漂移;自动修正长导线误差;能够进行应力分析、动力强度、结构变形的动态测量。LC21DT01通用型动态应变仪的具体参数见表1。

表1 应变仪参数表

2．4 数据控制处理

为了方便在中远距离对桥式起重机金属失效进行检测，采用GPRS无线信号传输方式。系统使用的是唐山平升电子技术开发有限公司生产的DATA－6123 GPRSDTU模块，如图7所示，该模块具有低功耗、操作方便等优点。特殊检测部分的应变信号通过RS232和GPRS DTU相连，并将数据传入DTU模块的储存区，进入DTU的数据被封装成适用于网络通信的数据后发送至GPRS网络。最后通过GPRS网络进入Internet被指定IP地址的用户读取。采用虚拟样机技术处理读取的数据，最后通过 Labview直观显示出来。图8所示为DTU模块结构图。

图7 DATA－6123 GPRSDTU模块

3 结束语

图8 GPRSDTU模块结构图

本文所述的桥式起重机金属结构失效检测系统结构简单、通用性强，能够在起重机工作时检测其主要结构应变情况，并将应变信号在虚拟终端上直观显示出来，从而间接实现对桥式起重机金属结构失效的检测，为起重机械金属结构失效检测提供了一种更好的解决方案。由于条件限制，文中所设计的桥式起重机金属结构失效检测系统没有相关的设备和试验支撑，且对于长期在线应变检测存在一定的局限性。

［1］ 樊仁才，李松玲．港口门座状态监控方法设计［J］．机电设备，2003(6):13－17．

［2］ 林卫国．港口机械结构应力在线监测系统的研究［D］．武汉:武汉理工大学，2006:24－35．

［3］ 吴维维，王全先，汤伟．大跨距双梁门式起重机桁架主梁的有限元分析［J］．机械工程师，2010(5):65－67．