基于輪輻式傳感器的起重機輪壓測試方法研究

薛志鋼，蘇文勝，巫 波，胡東明

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 無錫 214174； 2.國家橋門式起重機械產品質量監督檢驗中心，江蘇 無錫 214174)

起重機車輪和軌道通過相互接觸支撐起重機自重，軌道和車輪若裝配不當就會造成啃軌[1]、局部輪壓過大，甚至起重機整機傾覆的事故，其中起重機輪壓是起重機的重要參數，是檢驗起重機總體重量的重要衡量標準，也是碼頭和工業廠房軌道基礎重要的設計依據.許多學者針對起重機輪壓的數值仿真做了許多研究[2-4]，但是實際輪壓測試方法目前還不是很成熟.起重機輪壓的測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的輪壓測試方法.測試原理是將傳感器放在千斤頂上，然后利用千斤頂的力頂起起重機的支腿至支腿下的車輪全部脫離軌道，將壓力傳感器的數值作為該支腿所承受起重機的重量，最后把該數值平分到該支腿下面的輪子上作為各個輪子的輪壓.該方法在現在輪壓測試中被經常用到[6-7]，但是該方法使用的千斤頂和傳感器過于笨重，需要多人協助，操作不方便，同時需要額外提供一個液壓站.此外，該測試的輪壓只是平均值，無法準確測試每個輪子的壓力；② 應變測試法，主要在金屬結構上粘貼應變片，通過應變的大小來推算起重機的輪壓，其中基于軌道應變測試輪壓方法[8-9]是由江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院和太倉分院提出的測試方法，該方法的測試原理是將應變傳感器貼在軌道上，當車輪經過粘貼傳感器的位置時會造成軌道的變形，進而引起傳感器電壓信號的變化，通過采集儀將電壓信號轉為壓力值，進而得到起重機的輪壓.該方法簡單實用，但是當對應變傳感器進行初始化時，起重機在軌道造成一部分重力被人為減去，進而所測的輪壓要小于實際的輪壓，而且由于軌道的連續性，當一只車輪處于傳感器位置時，附近的車輪對該傳感器也有貢獻，故所測車輪并不是該車輪的實際輪壓；③ 同濟大學提出在車輪上粘貼應變片對大型浮吊的輪壓進行測試[10]，該方法得到的輪壓值對加載部位、測試溫度特別敏感，可重復性較??；④ 巴克豪森噪聲測輪壓法[11]，該方法的測試原理是鐵質材料在外磁場磁化達到飽和的過程中其材料的微觀結構是不連續的，當材料的應力場發生微觀變化時，材料的磁疇沿外加磁場作用方向發生90°或180°反轉或者使磁疇壁移動，相鄰的兩個磁疇反轉彼此摩擦并發生振動，就會產生振動和電磁噪聲，通過對巴克毫森噪聲進行分析，能夠獲得材料表面和內部的微觀結構和應力狀態等材料特性.該方法精度高，檢測速度快，但測試數據受到被測量構件的表面粗糙度、氧化皮厚度，選用的激勵磁場強度、激勵信號的頻率，材料化學成分、金相組織、熱處理及冷加工過程的影響.

本文提出的輪壓測試方法能夠方便快捷地完成起重機輪壓測試，并且省時省力，避免了搬運較重的設備和其他因素對測試結果的影響.

1 傳感器的設計

傳感器測試力的原理是在有外力作用在結構上時，結構產生變形，通過標定得到結構變形與力的關系，從而得到力的大小.本文設計的輪壓傳感器也是基于該原理，但是在此有兩個問題需要解決：① 如何將傳感器放在起重機車輪上；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度，以保證傳感器能夠足以支承起重機的重量.為了解決以上問題，本文設計的傳感器需要滿足兩個要求：① 彈性體的高度較小，一方面使起重機能夠方便地運行到彈性體上，另一方面傳感器高度不至于影響起重機整體有較大的改變；② 彈性體要能夠承受較大的壓力，對于大型港口碼頭起重機而言，平均輪壓大概為25 T，考慮到安全系數和運行過程中的沖擊，傳感器的量程至少為40 T.此外為了使起重機能夠行駛到傳感器上，特設定如圖1 所示結構.

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

該傳感器分為 3 個部分：引渡區、傳感區和承載區.引渡區為角度為一定值的斜坡，保證起重機車輪依靠摩擦力能夠通過該斜坡駛入傳感區，同時受測試現場的限制，該引渡區也不能過長.由于傳感器整體厚度比較小，在此假設起重機的自重平分到每個車輪上，通過力的分解可知：為了保證起重機能夠駛入引渡區，則引渡區的角度θ需滿足

f≥mgsinθ/N,

(1)

式中：f為車輪與引渡區之間的摩擦力；m為起重機的質量；N為起重機車輪的個數；θ為引渡區的角度.

同時車輪與引渡區的摩擦力

f=mgcosθμ/N.

(2)

故通過式(1)和式(2)得到引渡區的角度必須滿足

θ≤arctanμ.

(3)

通過式(3)可得到引渡區的最大角度，保證起重機能夠駛入傳感器，防止出現滑脫的情況出現，減少由于車輪從引渡區滑下導致的車輪和軌道沖擊的風險.

傳感器是傳感區的核心部分，起重機只有作用在傳感器上面的承載部分，方可以對該車輪的壓力進行測量.在起重機車輪駛入傳感器的瞬間會對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，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，在經過熱處理后，其強度和彈性范圍均有較大的提升，滿足傳感器設計需求，其材料力學性能如圖2 所示.為了保證傳感器有足夠高的強度，且在滿載(40T)工況下彈性元件在彈性范圍之內，對該傳感器進行力學分析計算，應力云圖如圖3 所示，最大應力發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，該傳感器滿足起重機輪壓的測試需求.

圖2 材料力學性能Fig.2 Mechanical properties of materials

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

2 傳感器標定

將加工好的傳感器粘貼應變片后，在壓力機上進行逐點標定，如圖4 所示.設定標準試驗機每3 t停留一段時間，并記下傳感器的讀數，根據兩者的數據進行直線擬合，擬合直線如圖5 所示.擬合的方程如式(4)所示，其中R2=0.999 9，說明設計的傳感器有足夠高的線性度，滿足實際工程測試的需求.

y=103.88x+2.215 8.

(4)

在采集儀的上位機上根據標定的擬合方程設置響應的比例系數和截距，在實際測試時可直接讀取起重機的輪壓值.

圖4 輪壓傳感器標定Fig.4 Calibration of wheel pressure sensor

圖5 傳感器標定圖Fig.5 Sensor calibration map

3 現場測試及分析

選取某港口的卸船機的輪壓作為測試對象，如圖6 所示.通過查閱相關資料可知，該起重機的自重約為1 000 t，共有32個車輪.在測試前，首先將傳感器和采集設備連接，并在采集設備的上位機設定相關的參數，然后把輪壓傳感器放在起重機軌道上，一端緊靠軌道和車輪接觸位置，傳感器的放置方式如圖7 所示.接著上位機開始采集并記錄傳感器的數據，同時起重機車輪緩慢駛向傳感器，使車輪越過傳感器的承載區，最后上位機停止記錄，并將起重機車輪駛下傳感器.由于車輪較多，間隔取車輪作為測量對象，共測試16個車輪的輪壓，整個測試過程中各車輪的壓力如圖8 所示.

圖6 被測的起重機Fig.6 Crane under test

圖7 輪壓測試現場Fig.7 On-site wheel pressure testing

圖8 測試的起重機輪壓時程曲線Fig.8 Tested wheel pressure time history curve of crane

由各車輪的壓力時程圖可知，起重機在軌道上的壓力并不是均勻不變的，隨著起重機車輪的轉動，車輪對軌道的壓力是振動的，在此選擇壓力時程的最大值作為起重機的輪壓，由此可得到各車輪的輪壓如表1 所示.

表1 起重機輪壓Tab.1 Crane wheel pressure

假定同一鉸接的兩個車輪的輪壓相等，計算得到16車輪的輪壓為508.5 t，由此計算起重機的總重為1 017 t，和起重機自重相符，起重機各個車輪的輪壓分布較為均衡，一側的平均輪壓為30.1 t，另外一側的平均輪壓為33.5 t，總體而言一側的車輪輪壓較大，經過分析發現，起重機的電機、卷揚機等驅動機構布置在輪壓較大的一側，因此造成兩側輪壓有一定的差距.

4 結 論

本文針對目前起重機輪壓測試的問題研發了能夠高效、精準地對起重機單個車輪輪壓進行測試的傳感器，并對其進行了標定，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試流程，通過現場測試了某臺起重機的輪壓，計算得到的起重機自重和設計相符，探究了車輪輪壓的特點，并分析了該起重機輪壓兩側輪壓差的原因，同時也驗證了測試的正確性.

本文設計的輪壓測試傳感器能夠快速、高效、精確地測試每個車輪的輪壓，彌補現有輪壓測試的短缺，具有廣泛的推廣價值.