轨道式门座起重机动态测试的设计

1、轨道式门座起重机动态测试的设计3上海海事大学物流工程学院聂龙武王重华摘要:为了获得门座起重机在实际工况中对其金属结构产生的动载荷,采用当前主流的动态应力测试方法。在对轨道式门座起重机载荷分析的前提下获得动态测试的试验模型,根据测试对象的结构特点以及测试仪器的精度设计测试方案,同时结合具体门座起重机的参数对测试结果进行分析,总结测试方案,捉出一些关于港口机械动态测试的建议,为同类测试提供参考。关键词:轨道式门座起重机;动态测试;设计;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近年来,随着国际物流业的发展,集装箱,煤炭、矿石等运输逐步成为海洋和内陆运输的主要业务,轨道式门座起重机(以下简称门机在码头

4、与海洋之间货物搬运充当了重要角色,由于繁忙的物料搬运,通常具有荷载搬运空间高、移动范围大,载荷量重的特点,其安全性尤其重要,因此突出了结构强度的问题。在港口机械设计方面,为了保证足够的刚度和强度,通常选取的动载系数普遍偏大,而实际上选取较大的动载系数虽然能保证其安全性,却使整机的质量显著增加从而导致材料的耗费,变相增加了设计和制造成本。为了缩小动载系数的选取范围,在试验中,通过对应力变化的研究来解决动载系数范围问题,于是设计了动态应力测试方案。目前,对起重机的结构件主要是进行应力测试(即电阻应变法或简称电测法。下面主要讨论40t/45m轨道式门座起重机应力电测方案,并对测试结果进行分析。1测试

5、原理及工具金属结构是起重机的主体部分,起骨架的作用,其重量约占整机重量的60%以上2,金属结构用来安装以及布置动力装置和工作机构,承受自重载荷和各种外在载荷,并将载荷传递到起重机械的支承基础上,通过力学模型求出来的内力不能正确反应构件的实际受力情况,由于此试验是为了节约材料或减轻机械设备重量,其中重点应放在测定那些强度储备较大的构件上3。测试分为承载结构静载应力和动载应力测试2种。静载应力测试采用的设备主要是数据采集器, YJR-5数字电阻应变仪3套、拉力传感器、数字万用表及其他辅助仪器和工具。动载应力测试采用DH5937应变测试系统2套、动态信号记录仪及相应测试软件。电阻应变片采用BF120

6、-AA型箔式应变片,灵敏系数K=2119,电阻值R=12。2承载结构静载测试211贴片位置的确定结构响应是试验设计的目标,因此,电测法的首要任务是确定应变片在门机上的位置。对门机主要构件的有限元分析后发现:在集中力或集中力偶作用处,内力有较大的变化并且出现极值,钢架的拐弯处内力出现极值等3,故测量截面的选择直接关系到贴片位置的选择,贴片位置还与结构在实际应用中可能出现问题的位置和所研究3上海市重点学科建设项目港口机械电子工程组成部分(T0601对象的物理量有关。针对40t/45m 门机的结构特点和动载特点,为了便于分析与计算,在现场测量门机各主要构件在各种工况下的动载应力变化,应做到测量工作方

7、便、安全的断面、满足测量目的、尽可能少的断面和点位的原则,应变片布置在门机的主要构件上。图1为结构应力测试主要断面的示意图,由图1可知主要布置在转台上部的象鼻梁,主臂架、大小拉杆、人字架等处 。图1门机测点布置示意图212测试条件及工况拟定静载测试工况为:门机做起升运动、大车和旋转机构保持不动,臂架固定于垂直大车轨道方向,起升绳绳头与试验载荷间串接拉力传感器,试验载荷着地,起升钢丝绳松弛,对仪器进行调零。试验载荷为40t,起升机构缓慢起动,将试验载荷起升离地至2m 左右。幅度分别处在最小幅度、中间幅度和最大幅度等3种工况,稳定后测读拉力传感器(一个通道,全桥接法与各应变片(其余通道,半桥接法静

8、载应力读数。213测试结果每种幅度测试3次,最后取3次测试的平均值,所得的承载结构静载应力测试数据见表1。表1各工况下静态应力测量结果MPa测点最小幅度中间幅度最大幅度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承载结构动态测试311测试条件及工况根据门机的受载情况,选择典型测点A1、C1、D1作为研究对象,测试其应力在不同工况

9、下的变化。方案如下:门机做起升运动、大车和旋转机构保持不动;臂架固定于测定静载应力的方向,幅度分别为最小幅、中间幅度和最大幅度等3种工况;起升钢丝绳绳头与试验载荷间串接拉力传感器,试验载荷为抓斗及抓取物(总重约50t ;试验载荷先着地,起升钢丝绳分别为半松弛、刚张紧2种状态,但钢丝绳松弛量应保持一致,对仪器进行调零。起升机构以3种不同的加速度将试验载荷加速起升至足够高度(保证应变信号稳定,用DH5937应变测试系统测量、记录拉力传感器和各个测点位置处应变片在试验载荷加速起升过程中应力的动态变化,以分析钢丝绳拉力和门机结构不同部位应力的动态变化,确定起升动载系数。312测试结果每个工况下的相关动

10、作时间记录见表2,所取位置测得应力值见表3。表2动作情况时间表s 时间16394352动作1挡起升制动下降落地时间61778496动作2挡起升制动下降落地时间111120122133动作3挡起升制动下降落地时间14315l154167动作4挡起升制动下降落地时间190动作采样结束表33个典型测点的应力值MPa位置编号速度全局最大全局最小最大应力最小应力A11挡61118-14111531794917l 2挡6l 118-141115916441743挡61118-1411160158451794挡61118141116111842155续表3位置编号速度全局最大全局最小最大应力最小应力C1 1

11、挡5166-33112-28197-261712挡5166-33112-32114-241143挡5166-33112-33112-241144挡5166-33112-32182-22171D11挡55183-611949164461472挡55183-61195412442143挡55183-611955145431234挡55183-611955183401134试验结果分析 411静载测试结果分析门机金属结构的材料一般采用普通结构钢(Q235,其屈服极限为235MPa,根据文献4的设计要求,按载荷取安全系数n =1148,从而得出构件的许用应力为=s n =2351148=158178M

12、Pa本文中的静态测量数据包括了结构自重产生的应力,即文献5中提到的门机自重应力在15MPa 左右。针对40t/45m 门机结构,分析各典型测点的数据可知:A1点在最大幅度时静载应力为+53125MPa,表现为压应力:C1点的静载应力为-1919MPa,表现为拉应力;D1点的静载应力为+56114MPa,表现为压应力。所有测点的静载应力均远小于材料许用应力,符合门机的设计要求。412动态测试结果分析 货物在吊装过程中受到震动、环境等因素的影响,会使得金属结构产生附加动态载荷。为了正确反应其动态过程,在设计金属结构时需要用一个系数加以修正,这就是动载系数。通过应力试验测定,结合结构的线性变化规律,

13、把同一位置动载作用下的力与静载作用下的力之比转化为动载应力和静载应力之比。通过计算所获得的动载系数值见表4。结合钢丝绳在起升过程中的动载变化绘制出其变化趋势见图2,表4的变化趋势见图3。由图2可知,钢丝绳在不同起升速度时,其动表4最大幅度下不同速度时的动载系数项目测点1挡2挡3挡4挡动载系数值A11104111611171118C11104l 11311161117D l1105111611201119图2钢丝绳动载系数变化图3最大幅度动载系数变化11A121C131D1载系数的总体趋势增大,在2挡时达到一个峰值,且钢丝绳在不同起升速度下的所有动载系数均没有超过111,这比起重机设计规范上表明

14、的系数范围小。当然这只是个近似值,不能完全作为设计标准的选取值,但可以做为改进和测试时参考系数值。由图3得知,臂架位于最大幅度,不同起升速度下D1点的动载系数都要大于C1点和A1点,平均动载系数随着起升速度的增大而增大。整机的应力水平也随着起升速度的加大而加大。图4、图5和图6是典型测点A1、C1和D1现场采集到的动态应力随起升速度变化趋势图。图4A1点动态应力速度曲线图结构动载系数随着起升速度的增大而增大,钢丝绳滑轮组的动载荷系数趋势基本上相同,结构动载荷系数一般比钢丝绳滑轮组的动载荷系数大。 图5C1点的动态应力 速度曲线图图6D1点的动态应力速度曲线图从应力图可以看出,在起升工况下随着臂

15、架幅度变小,则结构的应力水平也变小。5试验总结试验过程中的每一个环节至关重要,因为试验结果分析的数据来源于试验中所记录的每一个数据,其真实性、客观性、可靠性决定了结论的科学性。在本试验设计中,动载系数的大小是通过直接数据和间接数据计算获得。直接数据为现场记录的天气状况、机器型号、操作的时间、操作过程及试验顺序、以及试验的一些临时变化或调整。间接数据为软件记录的图形曲线,通过程序识别获得的数据,这些数据的准确性与试验的原理和方法有关,同时与所处理对象的计算方式有关。比如动载系数,这对不同的机器和构件的特性,运用其数学的、材料的原理转化成能直接获得的数据处理方式。(1贴片位置的确定及贴片的粘贴工艺

16、贴片位置的确定根据测试目的和结构内应力的原理获得。由于数据的获取是根据电阻应变片工作原理得来的,因此,数据的准确性是第一个关键点,如果不满足应变片的工作条件,则任何数据都是无效的,这样的测试没有任何意义。满足应变片的要求后,还有一个重要的工序就是应变片的粘贴工艺。比如粘贴前的应变片检查、应变片的修正、试件表面处理、画粘贴应变片的定位线、粘贴方式、固化处理、引线保护等。这样做也是为了保证数据通道的畅通和尽量避免坏点数据的出现,对测试的精度产生很大的影响。(2仪器和线路的检查尽管电测量技术具有准确、灵敏、能连续测量、便于自动记录和分析、可与电子计算机和微处理机连接成智能化仪器等优点,保证电子设备不

17、受干扰而正常工作也是关键,尽量避免通道无数据的现象。(3数据处理技术一般测试仪器所获得的是连续动态曲线或者通道的采样信息。这些数据无法直接读取,而取决于处理数据的程序或者软件,所以数据处理技术是测试结果准确性的另外一个关键。程序的编制与所获取数据的特点与计算方式有关。对于时域信号,在软件处理时,区域的选取也很大程度上影响试验结论,而且动态测试中会因人工读取存在时间的提前或滞后现象,所以在选取时域区域时要根据工况适当放大或移动区域。这样做的目的是为了更好地反应实际工况。试验过程中数据的准确性还与机器的操作情况有关。6结论上述动态测试设计和范例分析表明,起升动载测试的结果与理论分析的结果比较吻合,此方法对门机的主臂梁和大拉杆比较适合。同时可以看出吊重加速离地上升时,起重机主臂梁在垂直方向上的应力较大,大拉杆和象鼻梁测点处的复合应力较大,对起重臂的结构强度和工作的稳定性产生一定的影响,在实际操作过程中,司机