烟台海港机械厂 山东 烟台 264000
摘要：采用港口大型起重机械结构安全检查方法，对起重机金属结构远程监测系统进行研究。远程监控和在线诊断已成为户外大型起重机械结构安全性检验的发展趋势。本文以某港口MQ1635门座式起重机为研究对象，利用Marc有限元软件对其金属结构进行不同承载情况的强度分析，获得承载状态下金属结构关键位置的变形与受力状态，并建立一套远程无线应变、应力监测系统，实现对起重机结构的远程实时监测，为其安全运行提供保障。
关键词：港口；起重机结构；应力；无线监测
随着工业检测技术和信息化技术的进步，采用集中式远程监测和控制技术对生产运行设备进行监控管理，已成为先进大型设备工业企业设备管理的主要发展方向。国内一些港口已在起重机械上安装了健康监管系统，实现了对吊装重量等参数的实时监测，并可以通过无线通信技术将监测数据传输至局域网，实现起重机运行状况的远程监测。港口机械设备集中式远程监测管理和预警系统，该系统实现了港口机械设备的健康监测和集中管理。该系统具有运行状态监测、数据分析功能，能够提升港口机械设备的现代化管理水平，降低维修成本，保证生产设备安全可靠运行。
一、系统设计
1、有限元分析模型。采用MQ1635门座式起重机图纸，建立有限元分析模型。在模型中，简化部分结构，忽略楼梯、护栏、吊耳、机房及操作室等结构。在UG软件中建立起重机的三维几何模型，模型由象鼻梁、臂架、大拉杆、小拉杆、平衡梁、人字架和底座等组成，将模型划分为四面体单元，数量为742873个，然后导入MSC.Marc中进行有限元分析。划分网格导入Marc后的有限元模型见图1。
2、材料参数与边界条件。门机主体材料为Q235，弹性模量取206940MPa，泊松比为0.288。为了获得起重机在不同承载情况下金属结构的应力、应变分布规律和结构中应力值较大的典型位置，先要了解安全隐患易发区域，为结构应力测试提供依据，按照起重机的使用规程，选取2种工况进行分析，分别为臂架最大变幅工况和臂架最小变幅工况，吊钩最大承载为25t。起重机在工作状态下主要承受重力载荷、风力载荷及起吊载荷等，由于风力载荷相对其他载荷较小，分析中只考虑重力载荷和起吊载荷。在有限元模型吊钩位置处施加载荷力时，要均匀施加在与吊钩相连接处的节点上。在模型中，各主要结构部件在连接位置设置接触，并考虑门机自重影响。重力载荷处理是在起重机模型全部单元上施加设备自重载荷，重力加速度为9.8kg/N。在门机底部平面位置施加固定位移约束。
图1
3、有限元计算结果分析。计算得到的不同承载工况下起重机整体模型最大应力及最小应力分布，由于设计安全系数较高，起重机金属结构承载时整体应力不大，在关键受力部件和结构各零部件连接处应力较大。在臂架最大变幅工况下，对起重机整体金属结构进行计算分析，得到：拉应力最大值为63.88MPa，出现在象鼻梁与大拉杆连接处的拉杆销轴下侧根部；压应力最大值为74.78MPa，出现在象鼻梁与大拉杆连接处的拉杆销轴上侧根部。在臂架最小变幅工况下，计算得到：拉应力最大值为50.44MPa，仍然出现在象鼻梁与大拉杆连接处的拉杆销轴下侧根部；压应力最大值为77.06MPa，出现在象鼻梁与大拉杆连接处的拉杆销轴上侧根部。经有限元分析得到的不同工况下拉压高应力区域及数值见表，这些区域既是容易发生损坏的部位，又是需要重点进行安全监测的位置。
二、起重机结构应力远程无线监测
根据有限元分析结果，承载时应力较大的位置多为各主要部件的连接处，结合实际生产中易锈蚀、损坏的位置，确定应力监测点位置，对起重机金属结构进行应力远程无线监测。
1、应力测试方法。根据采用的传感元件类型的不同，目前常用的结构应力监测方法有电阻应变式电测方法和光纤光栅应力测试法。光纤光栅是一种在光纤传感、光纤通信和光信息处理领域应用广泛的光学器件。光纤光栅传感器在结构检测中只需检测光栅波长分布图中波峰的准确位置，对光强的波动不敏感，因此具有很高的测量精度，可以满足监测系统的高精度、分布式、远距离和实时在线等技术要求。然而，由于光纤光栅制作成本高、焊接或胶黏耐久性以及温度补偿不当导致测量数据零漂过大等问题，目前在起重机械中光纤光栅测试方法的应用还比较少。
电阻应变式电测方法采用电阻应变片作为传感器，将金属结构应力变化转变为应变片阻值的变化，通过电阻应变仪的测量桥路转换成电压信号输出，通过信号调理电路对信号放大、滤波等进行处理，取得有效应变值，最后经过运算转换成应力值。该方法具有安装方便、信号易于采集和处理、结果稳定、易于补偿、技术成熟及性能稳定等优点，在工程测试中应用较多。综合以上因素，采用电阻应变式电测方法进行起重机金属结构应力测试。
2、应力测试点布置。根据有限元的计算结果，臂架与象鼻梁的铰接点、臂架与拉杆的铰接点以及平衡梁与小拉杆的铰接点是应力集中的位置，但是，在实际应力测试中，监测这些连接位置的应力是比较困难的，因此在这些铰接点的附近选择监测点。根据有限元计算结果、实践经验以及现场测试可行性等来布置测点，采用半桥自身补偿法对测点进行贴片和封装引线，贴片方向与主应力方向一致。在起重机上的拉杆与象鼻梁连接处、拉杆与平衡梁连接处、臂架与象鼻梁连接处及臂架与底座连接处布置5个应力监测点，其中在臂架根部截面D处侧面对称分布2个监测点。
3、无线应力监测系统。为了能够监测起重机在运行时的结构应力状态，又不影响其正常生产作业，对金属结构的安全性进行评价，设计远程无线应力监测系统，无线应力监测系统构成系统由信号采集模块、无线网络传输模块和监测管理模块等组成。信号采集模块包含应变测试模块、载荷工况测试模块和PLC，其中：应变测试模块由测量电桥和动态电阻应变仪组成，用于对金属结构的应力变化进行数据采集；载荷工况测试模块由测重传感器和幅度传感器组成，可以监测起重机在装卸作业时臂架的变幅位置和承载力；PLC将采集到的应变、载荷和幅度模拟信号转化为数字信号，再通过PLC的网络模块输入无线网络。无线网络传输模块由2个全向无线网桥组成，用于将采集到的信号进行无线传输，监测管理模块由计算机的监测平台系统组成，实现机械结构应力的远程监测。
4、应力测试结果分析。分别监测起重机在2种工况下各个测试点的应变，经相应计算得到各监测点应力，测试结果见表。
应力测试结果显示，监测点在2种工况下的监测应变比有限元计算得到的高应力区应变要小一些，原因是高应力区主要在连接销轴处，监测点距连接处有一定距离，但是，与有限元模型对应位置的计算应力比较接近。这说明简化后起重机金属结构有限元分析得到的结构应力分布情况与实际情况比较符合，可以为监测点布置提供理论依据。
通过有限元分析法对起重机的金属结构进行强度分析，确定象鼻梁与大拉杆连接处等部件连接位置为拉压高应力区域。根据有限元分析结果、实践经验以及现场测试可行性等，确定应力监测点位置，并设计结构应力无线监测系统，实现对起重机金属结构的远程应力无线监测。
参考文献
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论文作者:李路
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/18
标签：应力论文; 起重机论文; 载荷论文; 拉杆论文; 应变论文; 结构论文; 工况论文; 《防护工程》2018年第26期论文;