電測法工程應(yīng)用實例

1、電測法工程應(yīng)用實例1第一頁，共28頁。例1 內(nèi)河碼頭纜車輪壓檢測及統(tǒng)計分析 在我國港工載荷規(guī)范修訂工作中，需要對港口現(xiàn)有港工機(jī)械的載荷分布進(jìn)行跟蹤監(jiān)測和統(tǒng)計分析，以便對港口基礎(chǔ)設(shè)施的載荷設(shè)計做出科學(xué)規(guī)定。 纜車是我國內(nèi)河港口斜坡式客貨碼頭常用的裝卸與交通機(jī)械，它通過鋼纜由卷揚(yáng)機(jī)帶動，在斜坡軌道上升將作業(yè)，見圖1-1。圖1-1 內(nèi)河碼頭1.1 概述重慶朝天門客貨碼頭2第二頁，共28頁。 纜車的種類繁多，按輪數(shù)分，有4輪、6輪、8輪，最多有18輪。按支撐形式分，有彈性支撐、剛性支撐。見圖1-2。軌基的形式有架空梁式（圖1-1）和斜坡式（圖1-2）。抽樣檢測工作必須囊括典型纜車類型和軌基。圖1-2

2、纜車類型彈支四輪車彈支十八輪車剛支四輪車3第三頁，共28頁。 由于是現(xiàn)場跟蹤測量，采用電測法。對于彈性支撐纜車，用位移傳感器測量支撐彈簧的變位來換算輪壓；而對于剛支纜車，需要設(shè)計專用載荷傳感器來測量軸承座與車架間的壓力，然后由輪部的平衡條件換算輪壓。自重輪壓在起點(diǎn)單獨(dú)測量，處理時與動態(tài)輪壓疊加。輪壓檢測原理方塊圖如圖1-3所示。 1.2 輪壓測量方案圖1-3 輪壓檢測原理方塊圖 為了簡化，在推導(dǎo)輪壓換算公式時，作了如下基本假定： 1.2.1 輪與軸、輪與軌以及軸承與擋板之間均為理想光滑面接觸； 1.2.2 因纜車運(yùn)行速度緩慢，軌道起伏曲率很小，慣性力可忽略不計。4第四頁，共28頁。1.3 載荷

3、傳感器設(shè)計 設(shè)計在剛支纜車軸承座凹腔內(nèi)安裝的多彈性元件在荷傳感器，它由6只圓柱形元件和一塊基板構(gòu)成，傳感器的安裝不應(yīng)影響纜車的安全和正常作業(yè)，見圖1-4。 應(yīng)變計的布置及橋路如圖1-5所示，采用串并聯(lián)線路。1-41-55第五頁，共28頁。1.4 傳感器材料基板材料：Q235彈性元件材料：40Cr 彈性模量：206GPa； 泊松比：0.3； 比例極限：650MPa；設(shè)計傳感器量程：8T；考慮僅有3只彈性元件受力的最壞情況，彈性元件量程為 2.67T，按過載率100%，設(shè)計元件直徑：D=10.500.02mm；熱處理：850油淬，370 鹽爐回火。應(yīng)變計類型：膠基箔式，阻值：110歐姆。粘接劑：熱

4、固化JSF-2酚醛類膠6第六頁，共28頁。1.5 應(yīng)變讀數(shù)與載荷的關(guān)系由應(yīng)變計串并聯(lián)時的關(guān)系，可以導(dǎo)出這是一種線性關(guān)系。其中為各彈性元件所受壓力之合力。（1-1）7第七頁，共28頁。1.6 傳感器靈敏度由（1）式，傳感器的理論靈敏度最大應(yīng)變輸出1000微應(yīng)變。這里沒有考慮應(yīng)變計串并聯(lián)引起的橋臂電阻值變化和長導(dǎo)線影響。實際的橋臂阻值應(yīng)為330歐姆，導(dǎo)線長度為100米。這些因素的影響將減小應(yīng)變讀數(shù)，實際靈敏度應(yīng)比計算結(jié)果大，需要通過標(biāo)定實驗確定。 實驗表明，傳感器具有很好的線性，使用實際要采用的儀器系統(tǒng)和長導(dǎo)線，標(biāo)定出的靈敏度為圖1-5 使用過的載荷傳感器實物8第八頁，共28頁。1.7 纜車輪壓及

5、不均勻系數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果1-1 經(jīng)檢驗，不均勻系數(shù)不拒絕正態(tài)分布，輪壓不拒絕極值型分布。統(tǒng)計結(jié)果如表1-1至1-4所示。本結(jié)果為規(guī)范中對纜車載荷的規(guī)定提供了科學(xué)依據(jù)。9第九頁，共28頁。1-210第十頁，共28頁。1-31-411第十一頁，共28頁。實例二 V形拌粉機(jī)疲勞裂因分析及其加固2.1 概述 “V型拌粉機(jī)”是某電池廠自行設(shè)計的拌粉機(jī)械，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備在連續(xù)運(yùn)行七個月后，在主動端軸筒與外殼連接前、后加勁肋焊縫處出現(xiàn)裂紋，破壞顯然是由疲勞引起的，但疲勞破壞的原因是殼體本身設(shè)計強(qiáng)度不足，還是因腐蝕減小了殼體壁厚所致，需要進(jìn)行實驗研究。由于要進(jìn)行現(xiàn)場試驗，采用電測法。V型旋轉(zhuǎn)殼攪拌軸入出

6、料口裂紋主動端圖2-1拌粉機(jī)結(jié)構(gòu)及裂紋位置12第十二頁，共28頁。2.2 實驗方案 由于測量對象為旋轉(zhuǎn)件，且情況特殊，需要根據(jù)設(shè)備實際情況自制集流器。 本實驗為強(qiáng)度校核性實驗，測點(diǎn)選在危險區(qū)，即加勁肋前緣焊縫焊趾處，通過布置分別垂直和平行于焊縫方向的梯度應(yīng)變計，通過二次曲線擬合與外推插值計算測定焊趾處正應(yīng)變，確定兩個方向的正應(yīng)力（圖2-2）；在靠近焊趾處沿與焊縫成45方向布置應(yīng)變計近似測定剪應(yīng)力（圖2-3）。使用補(bǔ)償塊補(bǔ)償，502粘接劑。 每次實驗針對同一工況（實際裝粉重量）。實驗對未投入使用的設(shè)備進(jìn)行。2.2.1 應(yīng)變計布置123567圖2-2 測正應(yīng)力41234567圖2-3 測剪應(yīng)力13

7、第十三頁，共28頁。2.2.2 測量分析及儀器系統(tǒng)應(yīng)變計集流器Y6D-3A型動態(tài)應(yīng)變儀SC16A光線示波器半橋應(yīng)變波高計算機(jī)計算應(yīng)力與疲勞校核數(shù)據(jù)輸入手工分析圖2-4 測量分析方框圖14第十四頁，共28頁?？傞L度： L=142.5mm絕緣筒外經(jīng)： D=298mm絕緣筒內(nèi)經(jīng)： d=260mm環(huán)外經(jīng)： D=286mm環(huán)皮寬度： b=3.5mm環(huán)皮厚度： t=0.3mm環(huán)間距： a=3.5mm拉線長度： l=800mm通道數(shù)： 18（可同時進(jìn)行6點(diǎn)測量，與應(yīng)變儀通道數(shù)對應(yīng)）材料：絕緣筒用聚氯乙烯塑料板材粘合后進(jìn)行加工；環(huán)、拉線用BQe2 銅箔帶； 引出線、短接線用屏蔽線。絕緣電阻：環(huán)間大于500兆歐

8、，環(huán)與機(jī)體間大于500兆歐。2.3 集流器的構(gòu)造與性能2.3.1 構(gòu)造2.3.2 噪聲測定圖2-5 自制 拉線式集流器的構(gòu)造圖圖2-6 集流器噪聲測量 用補(bǔ)償塊上的應(yīng)變計構(gòu)成半橋，記錄各組通道（每組3個通道）的接觸電阻變化。15第十五頁，共28頁。2.3 應(yīng)變曲線的分析 試驗時在圖2-1所示的殼體起始位置調(diào)節(jié)儀器平衡，開機(jī)時記錄曲線。 曲線分析時，測量殼體旋轉(zhuǎn)到1/4和3/4周期位置的應(yīng)變波高，計算時從中扣除集流器在相應(yīng)位置的噪聲波高，以此作為測點(diǎn)的實際應(yīng)變波高。圖2-7 應(yīng)變波形分析方法周周周周(a)測點(diǎn)應(yīng)變波(b)接觸電阻變化16第十六頁，共28頁。2.4 應(yīng)力計算 由波形分析得到的應(yīng)變波

9、高，和標(biāo)定應(yīng)變以及靈敏系數(shù)修正公式，可得各測點(diǎn)實際應(yīng)變，然后通過二次曲線擬合插值計算圖2-8 危險區(qū)應(yīng)力分布圖(a)1/4周期(b)3/4周期得焊趾處測點(diǎn)o的應(yīng)變，再由胡克定律便可計算焊趾處測點(diǎn)的應(yīng)力，結(jié)果從略。在1/4和3/4周期位置的危險區(qū)應(yīng)力分布如圖2-8所示。（2-1）17第十七頁，共28頁。由于殼體為材料為Q235，適合使用最大剪應(yīng)力理論進(jìn)行疲勞校核，疲勞判據(jù)為2.5 疲勞校核其中校核結(jié)果如表2-1所示。（2-2）18第十八頁，共28頁。表3-1 危險區(qū)測點(diǎn)的疲勞校核測點(diǎn)主變應(yīng)力幅疲勞校核11990N21120N32710N41860N52990N61660N71210N878.60

10、Y91520N102810N113120N122500N132160N141030Y19第十九頁，共28頁。2.5 加固措施 由分析結(jié)果知，V型拌粉機(jī)外殼產(chǎn)生疲勞破壞的原因，主要是殼體在加勁肋的強(qiáng)迫作用下發(fā)生過大反復(fù)翹曲變形，導(dǎo)致殼體局部抗疲勞強(qiáng)度嚴(yán)重不足。必須采取加固措施，一方面應(yīng)局部增大殼體的抗彎剛度，另一方面是減小連接加勁肋的剛度，以降低加勁肋前緣應(yīng)力水平，以提高殼體的抗疲勞性能。 采取的措施是，用一塊與殼體等厚的橢圓形Q235板材焊在殼體上以增大其厚度，并通過搭焊延長加勁肋以減小其剛度。如圖2-8所示。 采取加固措施后，再次對新的危險區(qū)進(jìn)行應(yīng)力測量，校核其疲勞強(qiáng)度，各測點(diǎn)處均滿足疲勞強(qiáng)

11、度要求(略)。圖2-8拌粉機(jī)殼體的加固措施20第二十頁，共28頁。實例三 防砸背甲沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)研究3.1 概述 “防砸背甲”是礦工井下作業(yè)時必備的安全防護(hù)裝備（圖3-1）。一般的防砸背甲都具有結(jié)構(gòu)簡單、輕便附體、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)。為了嚴(yán)格控制此類產(chǎn)品的質(zhì)量，國家勞動部對勞?？蒲胁块T下達(dá)了制定防砸背甲產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)，要求對防砸背甲的規(guī)格、技術(shù)要求、試驗方法和檢測規(guī)則等作出明確規(guī)定。 本項課題僅限于對背甲沖擊試驗方法和檢驗背甲是否合格的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究。 如何從礦工井下作業(yè)的具體情況出發(fā)，合理制作沖擊試驗?zāi)Ｐ褪潜卷椦芯康年P(guān)鍵。圖3-1 常見的幾種防砸背甲21第二十一頁，共28頁。3.2 基本假設(shè)

12、 人體受落物沖擊時，所感受的沖擊力不僅與落物質(zhì)量、硬度、沖擊面大小有關(guān)，也與人體體型、姿態(tài)和反應(yīng)能力等多種因素有關(guān)。為了簡化問題，保證試驗?zāi)Ｐ汀⒎椒ê徒Y(jié)果的安全可靠，可從最不利情況來考慮，首先作出如下假設(shè)： (1) 落物足夠硬，且為點(diǎn)沖擊；沖擊點(diǎn)在人體腰椎部，且椎骨處于水平狀態(tài)； (2) 人體受沖擊時，無整體移動，椎骨僅產(chǎn)生微小的橫向撓曲和局部壓縮變形。以基本假設(shè)為前提，問題轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計合理的“人體”試驗?zāi)Ｐ?，選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ筒牧虾瓦m用的儀器系統(tǒng)； 然后根據(jù)人體椎骨的耐受力，和試驗測定出的落錘重量、高度與“感受力”之間的關(guān)系，制定合理的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。3.3 儀器系統(tǒng)根據(jù)實驗室條件，本試驗采用圖3-2所

13、示儀器系統(tǒng)：如果有條件，理想儀器系統(tǒng)如圖3-3所示。圖3-2 實際使用的儀器系統(tǒng)人體模型拉壓力傳感器動態(tài)應(yīng)變儀光線示波器落錘背甲圖3-3 理想儀器系統(tǒng)人體模型壓電式力傳感器峰保型電荷放大器落錘背甲22第二十二頁，共28頁。3.4 “人體”腰模 模型設(shè)計要考慮簡單、便于檢驗單位實施，設(shè)計的“腰模”由混凝土基礎(chǔ)、拉壓力傳感器、“脊椎骨”、“里脊”、“腰側(cè)軟組織”和木托架組成（圖3-3）。模型的主要材料（從安全考慮，采用彈性模量高于腰部組織的軟性材料）： “脊椎骨”紅松木（6435cm）； 椎骨突出部分硬聚氯乙烯塑料（11.5cm）； “里脊”毛氈（1.2至1.3cm）； “軟組織”海棉（37125

14、cm）由人造革包裹。圖3-3 “試驗腰膜”的結(jié)構(gòu)23第二十三頁，共28頁。3.5 試驗方法 選擇剛性較大、固有頻率較高的測力傳感器，以避免信號頻率接近傳感器固有頻率產(chǎn)生共振所產(chǎn)生的誤差。本試驗采用的傳感器測力范圍為20KN，固有頻率約130kHz，遠(yuǎn)大于預(yù)估沖擊力頻率200Hz；示波器振動子的頻率也不必選擇太高的，一是能保證靈敏度，二是能濾掉由于椎骨振動造成的高頻毛刺，便于波形分析。試驗時采用FC6-2500振子。 試驗時，事先估計最大沖擊力，選擇合適的應(yīng)變儀衰減檔以保證沖擊力波形處于記錄紙寬度之內(nèi)。 根據(jù)工地作業(yè)現(xiàn)場調(diào)查，選擇20N錘重、1m落高作為試驗條件比較合適。另外，從點(diǎn)沖擊最壞情況考

15、慮，落錘為半圓球沖擊面。 人體受沖擊力作用的損傷程度，不僅與沖擊力大小有關(guān)，還與沖擊時間有關(guān)。設(shè)示波圖波高為hmax，單位波高代表的力為f，則最大沖擊力（3-1） 設(shè)拍攝波形所用的時標(biāo)周期為T，在記錄紙上的相應(yīng)長度為L；從沖擊力等于錘重到?jīng)_擊力達(dá)到峰值所經(jīng)歷的時間為t，相應(yīng)記錄紙長度為l，則 因沖擊為瞬態(tài)過程，應(yīng)選擇盡可能高的紙速，本試驗選擇最大速度5000mm/s，相應(yīng)時標(biāo)周期為T=0.01s。（3-2）24第二十四頁，共28頁。3.6 傳感器的標(biāo)定3.6.1 靜標(biāo)定 靜標(biāo)定是為確定（3-1）中的f。本試驗在萬能試驗機(jī)進(jìn)行，標(biāo)定結(jié)果為：應(yīng)變儀衰減檔在“1”時，f=1kN/cm；衰減“3”時，

16、f=3kN/cm。靜標(biāo)定后，儀器靈敏度、振動子等一律不再更動，維持靜標(biāo)定狀態(tài)測量沖擊力。3.6.2 動標(biāo)定 為進(jìn)一步驗證靜標(biāo)定結(jié)果是否適用本試驗，還需對傳感器進(jìn)行動標(biāo)定。動標(biāo)定試驗在自制沖擊試驗臺上進(jìn)行，儀器狀態(tài)與靜標(biāo)定時相同。圖3-4 沖擊試驗臺架 對于不同落錘高度，從記錄的沖擊力波形可得到實測值Pmax和t，由實際錘重W、落錘高度H和實測的時間t，代如下式可計算理論最大沖擊力PTmax。1 莊德恩,試驗應(yīng)力分析的若干問題及方法,科學(xué)出版社,1979. P76.（3-3）動標(biāo)定試驗結(jié)果如圖3-5所示，可以看出，Pmax與PTmax的相對誤差相當(dāng)微小，均不超過1%。25第二十五頁，共28頁。圖

17、3-5 傳感器動標(biāo)定試驗結(jié)果3.6 樣品試驗結(jié)果對圖3-1所示3種典型產(chǎn)品進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表3-1所示。26第二十六頁，共28頁。背甲的構(gòu)造試樣編號背甲腰節(jié)中點(diǎn)受沖擊背甲腰節(jié)中點(diǎn)受沖擊Pmax（N）t（s）Pmax（N）t（s）層壓板硬甲12mm厚紅色粘彈性緩沖墊（圖1右）1-165500.0041462000.003791-258000.0040557000.003721-370000.0040264000.00364層壓板硬甲8mm厚百色粘彈性緩沖墊（圖1中）2-187000.0026075000.002502-287000.0022772000.002712-393000.00239

18、72000.002482-496000.0023276500.002692-596900.0022479500.002642-696900.0022573000.00272白塑料軟甲8mm厚百色粘彈性緩沖墊（圖1左）3-169000.0027069000.00237表3-1 防砸背甲沖擊試驗結(jié)果（錘重W=20N，落高H=1m）27第二十七頁，共28頁。3.6 脊椎損傷機(jī)理及耐受力的確定 在礦井、隧道及其它施工場所的作業(yè)人員，常因冒頂或外來物墜落而砸傷肩、背、腰部，造成脊柱骨折和脫位，甚至并發(fā)脊髓及神經(jīng)根損傷，輕者遺留腰背痛，影響工作，重者造成終身殘廢。 脊柱損傷受多種因素影響。通常認(rèn)為損傷與沖擊力作用方向有關(guān)。可以把沖擊力分解為沿脊柱的“擠壓力”，和橫向的“脫位力”。擠壓力大易引起擠壓性骨折；脫位力大，易引起椎體脫位，并造成神經(jīng)破壞。 人體的損傷部位常發(fā)生在骨骼活動較大和活動較小部位交界處。根據(jù)第四軍醫(yī)大關(guān)于人體脊椎骨的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在防砸背甲以保護(hù)人體背、腰部為主的前提下，選用第11節(jié)