起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估中的虛擬儀器測試技術(shù)研究

李瑩

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210036）

開展起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估工作，可以提高起重機設(shè)計工作的可靠性，同時有利于延長起重機結(jié)構(gòu)使用壽命。在制定起重機設(shè)計規(guī)范的過程中，不僅需要規(guī)定疲勞設(shè)計方案，同時明確起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計理論。在起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞評估中需要利用實用型診斷技術(shù)，提供關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化改造起重機技術(shù)。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，起重機負(fù)責(zé)搬運繁重的物料，在負(fù)責(zé)負(fù)荷的影響下，需要保障起重機金屬結(jié)構(gòu)的強度，這也關(guān)系到起重機設(shè)備的工作級別和使用壽命，起重機設(shè)備使用年限不斷延長，也隨之降低安全技術(shù)指標(biāo)，導(dǎo)致起重機金屬結(jié)構(gòu)薄弱部位出現(xiàn)疲勞損傷，導(dǎo)致整機工作安全性發(fā)生問題。我國很多起重機使用時間比較長，存在較多的安全風(fēng)險。開展安全評估工作，技術(shù)人員可以明確起重機設(shè)備存在的安全隱患，同時提出科學(xué)的改進措施，保障設(shè)備使用安全性。

1 起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估的意義

1.1 驗證金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平和強度儲備

在計算起重機金屬結(jié)構(gòu)的過程中由于需要降低計算量簡化模型，但是引入經(jīng)驗系數(shù)之后可能會增加計算結(jié)果和實際情況的誤差，這種計算結(jié)果無法準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場工作。在安裝和驗收工作中，起重機金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力值通常和設(shè)計值之間存在一定的差異。隨著起重機使用年限不斷延長，再加上使用環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，或者發(fā)生超載問題等，需要開展起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估工作，明確應(yīng)力分布情況，通過比較測試結(jié)果和理論值等，分析應(yīng)力分布的合理性，同時計算起重機金屬結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，確保起重機金屬結(jié)構(gòu)承載力符合使用要求。

1.2 故障診斷

起重機金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生失效往往是由裂紋導(dǎo)致的，裂紋的擴展具有特定發(fā)展過程，但技術(shù)人員的日常檢查很難發(fā)現(xiàn)母材裂紋和焊縫開裂等問題。通過起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估工作，可以判斷金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在應(yīng)力集中部位，重點檢查應(yīng)力集中部位附近是否存在缺陷。

1.3 校核設(shè)計

判斷起重機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的合理性，需要結(jié)合力學(xué)模型，設(shè)計人員需要根據(jù)實踐情況簡化力學(xué)模型，開展起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估，可以落實校核設(shè)計和改進設(shè)計。劃分起重機工作級別的過程中，需要根據(jù)起重機金屬結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計，在起重機設(shè)計中利用極限狀態(tài)法，但是當(dāng)前還沒有推廣利用極限狀態(tài)法，這是因為缺乏起重機運用階段的參數(shù)。因此開展起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估，有利于完善起重機金屬設(shè)計方法。

2 概述虛擬儀器測試技術(shù)

虛擬儀器需要利用計算機技術(shù)，利用計算機通用硬件設(shè)備，通過搭配不同的傳感器，有利于優(yōu)化設(shè)備功能，在儀器中軟件發(fā)揮重要的作用，一方面可以重復(fù)利用資源，另一方面可以利用軟件合理定義儀器的功能，存儲大量的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)連接各個系統(tǒng)，降低維護開發(fā)工作的成本。當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)發(fā)展水平比較高，這也是儀器技術(shù)未來發(fā)展的方向。

在起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估過程中，測控技術(shù)發(fā)展水平不斷提高，儀器設(shè)備也逐漸升級為虛擬儀器，在起重機設(shè)備安全評估階段利用虛擬儀器技術(shù)，可以提升安全評估水平，在實際工作中利用數(shù)據(jù)采集處理軟件，具有豐富的功能，用戶可以根據(jù)自身需求合理組合工作流程，及時向office程序中傳輸處理結(jié)果和數(shù)據(jù)。虛擬儀器測試系統(tǒng)根據(jù)先進的測試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化現(xiàn)場調(diào)節(jié)工作，提升起重機機械運行的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)實時跟蹤效果，高速處理各種數(shù)據(jù)。在布置測試系統(tǒng)的過程中，首先需要選擇疲勞程度較高的部位，在這一部位布置應(yīng)變計，隨后連接應(yīng)變調(diào)節(jié)模塊和高速便攜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完整的記錄數(shù)據(jù)，同時可以利用組態(tài)軟件分析運行載荷譜。

3 起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估的虛擬儀器測試技術(shù)

當(dāng)前在冶金和建筑行業(yè)中廣泛利用起重機設(shè)備，各個單位不斷研究起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估，也相應(yīng)的拓展了虛擬儀器測量的應(yīng)用范圍。近些年在起重機械中利用虛擬儀器測試技術(shù)，逐漸提高了儀器設(shè)備的科學(xué)性，例如在評估起重機主梁疲勞壽命的過程中，可以發(fā)揮出虛擬儀器測試技術(shù)。虛擬測試技術(shù)主要包括A/D通信模塊和信號模塊系統(tǒng)等。在實際應(yīng)用工作中，廣泛利用Dasylab數(shù)據(jù)采集處理軟件，這一軟件具有豐富的功能，用戶可以合理配置和組合相關(guān)組件，最后向office程序中發(fā)送處理結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)據(jù)最終處理。

起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估涉及到較多的內(nèi)容，在實際工作中需要結(jié)合設(shè)計規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有序開展結(jié)構(gòu)核算和強度分析等內(nèi)容，有效評價起重機疲勞強度和疲勞壽命，因此突出了虛擬儀器測試技術(shù)的優(yōu)勢。例如某起重機械的處于430～445噸范圍內(nèi)，其中虛擬測試儀器之后，在無人干預(yù)條件下自定記錄分析起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估變化過程，在實際工作循環(huán)過程中開展跟蹤測試工作。在這一工作階段，針對六個工作狀態(tài)過程，如下圖所示，六個工作狀態(tài)分別包括滿罐-空罐、空罐-滿罐、滿罐-滿罐，計數(shù)統(tǒng)計應(yīng)力峰值。（其實現(xiàn)在大部分應(yīng)力測試系統(tǒng)都能實現(xiàn)無人采集功能，怎么能表現(xiàn)出虛擬儀器的優(yōu)點？例如在測量應(yīng)力的同時還能測量其他數(shù)據(jù)，否則為什么要用虛擬儀器。）

4 各個工作循環(huán)全過程應(yīng)力-時間歷程

該起重機在實際工作狀態(tài)中，每天需要吊運滿鋼水包和空鋼水包等，技術(shù)人員需要建立不同時間段的應(yīng)力變程頻次表，因此獲取計算數(shù)據(jù)，在評估疲勞強度的過程中，主要是針對起重機金屬結(jié)構(gòu)自主跨梁中截面下蓋板和主副板焊接部位，利用有限單元顯示數(shù)據(jù)，因為主腹板焊接部位的應(yīng)力值更高一些，1個譜時間代表起重機一年工作時間，通過比較測試結(jié)果和理論值，準(zhǔn)確的預(yù)估起重機主梁工作壽命。但是在實際工作中，起重機械荷載頻率具有一定的差異性，因此通常不利用年份的形式出現(xiàn)疲勞壽命表達方式，主要是表達起重機工作循環(huán)次數(shù)。

5 結(jié)語

當(dāng)前在社會生產(chǎn)中廣泛運用起重機械，這也突出了起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估工作的重要性，在起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估過程中利用虛擬儀器測試技術(shù)，可以使起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估水平進一步提高，計算起重機不同金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命，明確構(gòu)件使用性能，保障起重機機械運行的安全性。本文綜合分析了起重機金屬結(jié)構(gòu)安全評估中虛擬儀器測試技術(shù)的應(yīng)用，總結(jié)工作經(jīng)驗，保障設(shè)備運行的安全性和順暢性，通過監(jiān)測、分析設(shè)備運行情況，獲取完整的性能參數(shù)，為起重機使用和維修提供依據(jù)。