電測法工程應(yīng)用實(shí)例

工程應(yīng)用實(shí)例應(yīng)變計電測方法1例1內(nèi)河碼頭纜車輪壓檢測及統(tǒng)計分析在我國《港工載荷標(biāo)準(zhǔn)》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，以便對港口根底設(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纜車類型彈支四輪車彈支十八輪車剛支四輪車3

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，作了如下根本假定：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。41.3載荷傳感器設(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)影響纜車的平安和正常作業(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。1-41-551.4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=10.50±0.02mm；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：熱固化JSF-2酚醛類膠61.5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〕71.6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(shí)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(shí)際靈敏度應(yīng)比計算結(jié)果大，需要通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定。實(shí)驗(yàn)說明，傳感器具有很好的線性，使用實(shí)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(shí)物81.7纜車輪壓及不均勻系數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果1-1經(jīng)檢驗(yàn)，不均勻系數(shù)不拒絕正態(tài)分布，輪壓不拒絕極值Ⅰ型分布。統(tǒng)計結(jié)果如表1-1至1-4所示。本結(jié)果為《標(biāo)準(zhǔn)》中對纜車載荷的規(guī)定提供了科學(xué)依據(jù)。91-2101-31-411實(shí)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)度缺乏，還是因腐蝕減小了殼體壁厚所致，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。由于要進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，采用電測法。V型旋轉(zhuǎn)殼攪拌軸入出料口裂紋主動端圖2-1拌粉機(jī)結(jié)構(gòu)及裂紋位置122.2實(shí)驗(yàn)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(shí)際情況自制集流器。本實(shí)驗(yàn)為強(qiáng)度校核性實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)針對同一工況〔實(shí)際裝粉重量〕。實(shí)驗(yàn)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132.2.2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總長度：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，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。152.3應(yīng)變曲線的分析

試驗(yàn)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(shí)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162.4應(yīng)力計算

由波形分析得到的應(yīng)變波高，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(shí)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?！?-1〕17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〕18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11990N21120N32710N41860N52990N61660N71210N878.60Y91520N102810N113120N122500N132160N141030Y192.5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)重缺乏。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)度要求(略)。圖2-8拌粉機(jī)殼體的加固措施20實(shí)例三防砸背甲沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究3.1概述“防砸背甲〞是礦工井下作業(yè)時必備的平安防護(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，國家勞動部對勞保科研部門下達(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(yàn)方法和檢測規(guī)那么等作出明確規(guī)定。本項(xiàng)課題僅限于對背甲沖擊試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)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(yàn)?zāi)Ｐ褪潜卷?xiàng)研究的關(guān)鍵。圖3-1常見的幾種防砸背甲213.2根本假設(shè)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)和反響能力等多種因素有關(guān)。為了簡化問題，保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、方法和結(jié)果的平安可靠，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。以根本假設(shè)為前提，問題轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計合理的“人體〞試驗(yàn)?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(yàn)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。3.3儀器系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，本試驗(yàn)采用圖3-2所示儀器系統(tǒng)：如果有條件，理想儀器系統(tǒng)如圖3-3所示。圖3-2實(shí)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223.4“人體〞腰模模型設(shè)計要考慮簡單、便于檢驗(yàn)單位實(shí)施，設(shè)計的“腰模〞由混凝土根底、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〔從平安考慮，采用彈性模量高于腰部組織的軟性材料〕：“脊椎骨〞——紅松木〔6×4×35cm〕；椎骨突出局部——硬聚氯乙烯塑料〔1×1.5cm〕；“里脊〞——毛氈〔1.2至1.3cm〕；“軟組織〞——海棉〔37×12×5cm〕由人造革包裹。圖3-3“試驗(yàn)腰膜”的結(jié)構(gòu)233.5試驗(yàn)方法選擇剛性較大、固有頻率較高的測力傳感器，以防止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(yàn)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(yàn)時采用FC6-2500振子。試驗(yàn)時，事先估計最大沖擊力，選擇適宜的應(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(yàn)條件比較適宜。另外，從點(diǎn)沖擊最壞情況考慮，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，那么最大沖擊力〔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)_擊力到達(dá)峰值所經(jīng)歷的時間為△t，相應(yīng)記錄紙長度為△l，那么因沖擊為瞬態(tài)過程，應(yīng)選擇盡可能高的紙速，本試驗(yàn)選擇最大速度5000mm/s，相應(yīng)時標(biāo)周期為T=0.01s?！?-2〕243.6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(yàn)在萬能試驗(yàn)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，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(yàn)證靜標(biāo)定結(jié)果是否適用本試驗(yàn)，還需對傳感器進(jìn)行動標(biāo)定。動標(biāo)定試驗(yàn)在自制沖擊試驗(yàn)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(yàn)臺架對于不同落錘高度，從記錄的沖擊力波形可得到實(shí)測值Pmax和△t，由實(shí)際錘重W、落錘高度H和實(shí)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(yàn)應(yīng)力分析的假設(shè)干問題及方法》,科學(xué)出版社,1979.P76.〔3-3〕動標(biāo)定試驗(yàn)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圖3-5傳感器動標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果3.6樣品試驗(yàn)結(jié)果對圖3-1所示3種典型產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3-1所示。26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）2-187000.0026075000.002502-287000.0022772000.002712-393000.0023972000.002482-496000.0023276500.002692-596900.0022479500.002642-696900.0022573000.00272白塑料軟甲8mm厚百色粘彈性緩沖墊（圖1左）3-169000.0027069000.