CN206301331U - 一种起重机轮压测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种起重机轮压测试装置：包括磁化线圈电流以及用于提取被测点磁特性各向异性效应的电信号的异方性输出线圈；该装置还设有振荡电路，所述的振荡电路通过放大电路与磁化线圈电流连接；所述的异方性输出线圈通过放大电路接入电桥整流电路，磁化线圈电流也与电桥整流电路电性连接，所述的电桥整流电路和信号采集与处理电路连接；信号采集与处理电路另一端还与一数据采集模块通信连接，数据采集模块再与计算机系统通信连接。本实用新型不需表面处理；可非接触测量；测量效率高；结果是绝对值；测量方法简便；无耗材；测量成本低；测量精度高；能实现起重机车轮分布的测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种轮压测试装置，特别是一种起重机轮压测试装置。
背景技术
起重机轮压是起重机械设计中的关键重要参数，一般是指一个车轮对地面或轨面的垂直压力。轮压的最大值不仅影响到起重机的机构设计，如车轮大小和数量等，还会影响到起重机的桥架、门架结构的设计和基础承压能力的设计。
传统起重机设计中，轮压依据设计手册根据起重机自重、跨度、起吊重量等根据静力平衡方程计算出来的；但由于此问题实际是一个超静定问题，因此必须进行必要的简化，而且轮压的分配还与结构的刚度有关，所以按照传统的方法计算的轮压值精确度较低。
文献《起重机最大轮压的测定方法》（傅燕鸣，徐大伟等《机械设计与研究》1993（01）：46-48）中提出一种最大载荷支点测量法测量轮压。最大载荷支点测量法是根据起重机重心确定最大载荷的支点，用千斤顶将承受最大载荷的支腿抬起，使车轮脱离轨道接触，测出千斤顶前端静态应变值，然后使起重机满载作离地全速上升和上升制动、全速下降和下降制动等动作，测出几组压力最大值的数据。最后，计算支撑腿的最大载荷，再平均分给车轮而得出最大轮压值。最大载荷支点测量法简单方便，测定结果较理论计算更为精确可靠，但该方法中确定重心位置可能存在误差，不能保证全部车轮都与轨道脱离接触，而且车轮与轨道脱离接触后重心位置会发生变化，只能获取轮压的平均值，不能够进行动态和实时测量。
授权公告号CN 104034469B的发明专利公开了一种起重机最大轮压测定方法。该方法首先在轨道两侧粘贴应变片，然后测量起重机空载匀速通过测量点的应变，从而获得轮压与应变的标定系数；最后测量各工况测量点的应变值，然后根据线性公式把应变值换算成轮压值。该方法通过应变值来间接获得轮压值，操作方便。但该方法需要测量起重机空载匀速通过测量点的应变，从而获得轮压与应变的标定系数，由于振动，轨道不平等原因此时测量的空载应变往往不准确且难以辨识；而且该方法通过一个线性经验公式把应变转换为轮压，但由于轮轨接触过程中不可避免要发生塑形变形，因此应变与轮压的关系往往不是线性的，随着起重机重量和载荷的增大，此方法测量的准确度将越来越低。
研究最大轮压问题必须研究和解决轮轨接触问题，而该问题在理论和实验测试方面都具有较高难度。轮轨滚动接触基本理论研究包括轮轨蠕滑率/力理论和轮轨三维弹塑性滚动接触。目前有多种轮轨接触模型，Cater的二维滚动接触模型，Vermeulen-Johnson在Cater研究的基础上建立的无自旋三维滚动接触模型，Kaller 基于边界元、弹性力学余能变分原理和数学规划法建立了三维弹性体非Hertz线性滚动接触模型和Kaller简化模型并且编制了数值计算程序CONTACT；CONTACT基于的理论叫做“完全理论”，是目前研究三维弹性体非Hertz滚动接触问题最完善的理论。沈－Hedrick-Elkins小自旋三维滚动接触模型。上述的滚动接触模型多基于Hertz接触条件，只考虑线弹性接触问题，简化了滚动接触，对于接触斑曲率半径和接触物体几何特征尺寸处于同量级的情况、弹塑性和大变形滚动接触等问题有待发展新的接触理论模型来考虑这些因素。
轮轨接触问题是一种接触边界、材料、几何高度非线性的行为，有限元方法是研究和解决此问题的一种较理想的方法。上世纪80年代末，Oden和Lin用有限元法求解平面滚动接触问题，Bass在此基础上研究了三维滚动接触问题；Telliskivit通过轮轨静态接触分析指出：轮轨发生2点接触时，有限元法与Hertz理论、CONTACT计算结果差异较大；钟万勰利用参变量变分原理和有限元二次规划法求解了三维静态弹塑性接触问题，张军利用该理论和计算程序DELNAS分析了启动和制动时轮轨弹塑性滚动接触；目前采用有限元方法研究轮轨滚动接触问题得到的结论还较零散，没有把轮轨运动状态和轮轨蠕滑力关系按数表方式建立起来，不能提供快速精确的计算模型。
目前随着港口起重机械、轮轨交通和某些游乐设施的发展，迫切需要寻找一种理论和实验测试相结合的方法，快速便捷的获得满足工程使用精度的轮轨力，进而为设备的设计、优化、动力学仿真、在线监测提供支持。
目前国内设计人员使用的是根据经典力学得到的经验公式和数据，不能满足起重机械设计的效能最优和轻量化要求。工程实践需要更精确的最大轮压值，但是现在多数起重机轮压分配是超静定的，其分配与起重机的结构、基础刚度、制造精度和轨道平度有关，因而要直接精确测量或者理论计算非常困难，所以有必要研究一种可以精确和便捷的测试起重机械最大轮压的方法和装置。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种精确、便捷的起重机轮压测试装置。
本实用新型所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本实用新型是一种起重机轮压测试装置，其特点是：
包括探头，所述的探头为磁应力传感器，所述的磁应力传感器包括磁化线圈电流以及用于提取被测点磁特性各向异性效应的电信号的异方性输出线圈；
该装置还设有振荡电路，所述的振荡电路通过放大电路与磁化线圈电流连接；所述的异方性输出线圈通过放大电路接入电桥整流电路，磁化线圈电流也与电桥整流电路电性连接，所述的电桥整流电路和信号采集与处理电路连接；信号采集与处理电路另一端还与一数据采集模块通信连接，数据采集模块再与计算机系统通信连接。
本实用新型所述的起重机轮压测试装置，其进一步优选的技术方案是：该装置还设有壳体，所述的振荡电路、放大电路、电桥整流电路、信号采集与处理电路和数据采集模块均设在壳体内；在壳体上还设有频率选择开关和电流调节开关，所述的电流调节开关与电桥整流电路连接；所述的频率选择开关与振荡电路连接。
本实用新型所述的起重机轮压测试装置，其进一步优选的技术方案是：所述的频率选择开关分为两档，其中1档为0 Hz－100Hz，2档为100 Hz－2000Hz；所述的调电流调节开关的调节范围是0 A－1A。
本实用新型起重机轮压测试装置，一般参数或使用时的要求如下：
（1）工作频率为0-1000Hz，磁化工作电流为0.3-1A；
（2）电源工作电压为220V交流电/5v可充电锂电池；
（3）非接触测量的最大间距为0-2mm；
（4）表面带涂层测量时，被测构造物表面的涂层厚度不超过0-1.5mm。
下面对本实用新型装置的测试原理进行进一步的说明，其原理参照图2：
经典力学计算轮压分布和起重机行走机构最大轮压与起重臂位置的关系。通过计算可知当起重臂与轨道平行有最大的轮压，如图3所示；当起重臂与轨道平行时，某起重机各工况下最大轮压计算值见表1。表1中各轮位置如图4所示。
表1 经典力学计算各起吊重量的最大轮压
| 空载 | 6T | 12T | |
| 轮压 T(1-5,11-15轮) | 14.43 | 17.452 | 20.438 |
| 轮压 T(6-10,16-20轮) | 13.07 | 10.648 | 8.262 |
根据所确定的最大轮压与起重臂位置的关系建立起重机整体有限元模型，如图5所示；通过计算，不同起吊重量各轮轮压的计算结果以及与经典理论计算结果的比较见图6。
通过经典理论和有限元分析计算，可以发现轮压分布规律: 起重机各轮的轮压分布不同，驱动轮组的各轮的轮压接近相同，从动轮组各轮的轮压近似相同；重心靠近哪个轮组，其轮压较大，随着起重量的增大，距起重臂近的轮组的轮压越来越大，而较远轮组的轮压越来越小。
建立基于弹塑性接触理论的应变—轮压模型。首先确定应变测量点位置，如图7所示。其次建立轮轨弹塑性接触分析模型，如图8所示。有限元模型取钢轨长0.5m，取1/2钢轨建模；取1/12车轮建模，有限元模型采用ANSYS实体单元SOLID45，共划分8483个单元和9995个节点，有限元模型如图8所示；约束轨道Y向位移，在对称面施加对称约束；在轮辋对称面上施加垂向力；车轮踏面选用CONTA174单元模拟接触面，钢轨选用TARGE170单元模拟目标面，接触算法选用扩展拉格朗日算法；分别在轨道上取A、B二点作为应变测量点，其中A、B点都在轨道上分别距轨道顶面34mm和65mm，如图7所示；轨道的材料模型采用双线性随动强化模型，屈服应力为460MPa，泊松比0.28，弹性模量210GPa，切向模型21GPa，应力应变关系见下式。
（式一）
分别计算各轮压下A、B点Y向应变，计算结果见表2。
表2 各轮压Y向应变计算结果
| 轮压 T | 轨道A点 | 轨道B点 |
| 5.35 | -222 | -124 |
| 8.35 | -352 | -194 |
| 11.35 | -484 | -263 |
| 13.75 | -589 | -319 |
| 14 | -600 | -324 |
| 14.35 | -616 | -333 |
| 17 | -737 | -394 |
| 21 | -905 | -486 |
| 25 | -1070 | -579 |
根据表2绘制轨道A点Y向应变-轮压曲线，如图9所示。轨道A点的Y向应变与轮压基本成线性，Y向应变与轮压的模型见下式：
（式二）
式中：Y为轮压，单位：吨；X－A点Y向应变，单位：με；
根据表2绘制轨道B点Y向应变-轮压曲线，如图10所示。轨道B点的Y向应变与轮压基本成线性，Y向应变与轮压的模型见下式：
（式三）
式中：Y为轮压，单位：吨；X－B点Y向应变，单位：με；
对轨道A、B点Y向应变-轮压模型进行实验验证，轮压模型的计算结果与实验结果的偏差在2-5﹪之间，说明轮压模型是准确的。
起重机轮压测试装置Y向应力与应变关系见下式：
（式四）
式中：σ为 Y向应力，MPa；E为弹性模型，210GPa；ε为Y向应变，με。
基于Y向应变-轮压模型和起重机轮压测试装置Y向应力与应变关系编制动态信号测试分析系统程序。改进起重机轮压测试装置，使其与动态信号测试分析系统相结合，这套系统称之为基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统的工作原理如图11所示。应用基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统测量起重机轮压包括以下步骤：
分别在轨道上取A、B二点作为应变测量点，其中A、B点都在轨道上，分别距轨道顶面34mm和65mm。清理打磨轨道A、B点区域。在A、B两测量点分别标定0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等方位。标定：根据钢轨材料参数，确定钢轨内无应力时的标定系数，完成标定。现场测量起重机轮压：根据设定的测试工况，起吊重量，起重臂与轨道平行，起重臂有最大伸长幅度，起重机车轮以动/静压在测量点正上方，利用起重机轮压测试装置采集的相应的应力值，传输给动态轮压测量分析系统计算出相应的轮压值，并在屏幕上显示具体轮压值，记录且显示轮压-时间曲线。其中，起重机轮压测试装置的探头按照标定的方位与A、B点相连接。其中，根据经典理论计算、有限元分析计算，驱动轮组（1-5号轮和11-15号轮，见图4）各轮轮压基本相同，从动轮组（6-10号轮和16-20号轮，见图4）各轮轮压基本相同，因此只需在驱动轮组和从动轮组中各选一个车轮，在其轮下设置测量点。其中，以测量方便为宜，测量点位于轨道左侧和右侧均可以，同理探头可以选择连接于A点或B点。通过本实用新型装置测得Y向应力，根据中公式转换为应变输入Y向应变-轮压模型计算相应轮压值。
如果探头与A点相连，应用（式二）中Y向应变-轮压模型计算相应的轮压值。如果探头与B点相连，应用（式三）中Y向应变-轮压模型计算相应的轮压值。采用记算机自动完成计算，记录，输出轮压-时间曲线等功能，只需指定探头位于测量点A或B即可。
其中，起重机车轮以动/静压在测量点正上方包含两种情况：静态：起重机静止在轨道上，被测车轮静止于测量点的正上方，测量各工况下的轮压。动态：起重机沿着轨道运动，通过测量点位置，测量动态时轮压。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统与现有技术相比有以下优势：只需两个测量点就可以监测起重机的全部轮压，测量点少，便于起重机轮压测试装置与动态信号测量分析系统的连接和布置，减少了人员的操作强度。测量点位于轨道上，有较好的操作空间；具体测量点可以根据测试现场的实际情况位于轨道的左侧或右侧，可位于轨道的A点或B点，测量点的布置灵活，这样可以因地制宜，利于提高测量精度。起重机轮压测试装置的标定精确度高，提高了测量精度。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统测量精度高，与有限元分析计算的结果偏差6﹪，与应变片法测量结果偏差2﹪。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统不仅能测量各工况下车轮的轮压值，还能动态分析轮压的变化趋势，确定最大轮压值和其所在位置。
与现有技术相比，本实用新型装置具有以下优点：
（1）不需表面处理；可非接触测量；测量效率高；结果是绝对值；测量方法简便；
（2）无耗材；测量成本低；
（3）测量精度高；测量的相对不确定度为5％左右；
（4）能实现起重机车轮分布的测量；
（5）仪器具有测点的去磁功能。
附图说明
图1为本实用新型装置的一种结构示意框图；
图2 是本实用新型的应用时其测定方法的原理框图；
图3是当起重机有最大轮压时，起重臂与轨道的位置关系图；
图4是各轮位置和编号图；
图5 是起重机整体有限元模型；
图6是经典理论和有限元分析计算各起吊重量轮压分布；
图7是轨道应变测量点A、B位置示意图；
图8是轮轨弹塑性接触有限元模型；
图9 是车轮测量点A点的Y向应变与轮压关系曲线；
图10 是车轮测量点B点的Y向应变与轮压关系曲线；
图11是基于Y向应变-轮压模型轮压动态测量系统工作原理简图；
图12是QU70钢轨截面图；
图13是12号轮和19号轮位置示意图（测量点在12号和19号轮下轨道A点）。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本实用新型的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本实用新型，而不构成对其权利的限制。
实施例1．参照图1，一种起重机轮压测试装置：
包括探头，所述的探头为磁应力传感器，所述的磁应力传感器包括磁化线圈电流以及用于提取被测点磁特性各向异性效应的电信号的异方性输出线圈；
该装置还设有振荡电路，所述的振荡电路通过放大电路与磁化线圈电流连接；所述的异方性输出线圈通过放大电路接入电桥整流电路，磁化线圈电流也与电桥整流电路电性连接，所述的电桥整流电路和信号采集与处理电路连接；信号采集与处理电路另一端还与一数据采集模块通信连接，数据采集模块再与计算机系统通信连接。
同时，该装置还设有壳体，所述的振荡电路、放大电路、电桥整流电路、信号采集与处理电路和数据采集模块均设在壳体内；在壳体上还设有频率选择开关和电流调节开关，所述的电流调节开关与电桥整流电路连接；所述的频率选择开关与振荡电路连接。所述的频率选择开关分为两档，其中1档为0 Hz－100Hz，2档为100 Hz－2000Hz；所述的调电流调节开关的调节范围是0 A－1A。
实施例2，采用实施例1所述的装置进行MQ12-33型门座式起重机最大轮压测定方法实验：
原理：起重机车轮是起重机和轨道间传递力的唯一零件，车轮上的作用力为轮压，轮轨接触，接触区产生接触力，此时轨道发生变形，产生应变，轨道磁场发生相应变化，动态信号测试分析系统将磁场变化转换成应力值并记录下来，然后根据应变-应力关系，将应力转换为应变，再根据本实用新型的应变-轮压模型计算出轮压，其工作原理如图11所示。
采用本实用新型测量某港口MQ12-33型门座式起重机最大轮压，包括以下步骤：
MQ12-33型门式起重机参数：额定起重量12T，幅度9.5m-33m，自重275T，该型起重机有20个车轮，分成两排，每排10个。
根据经典理论计算、有限元分析计算，驱动轮组（1-5号轮和11-15号轮，见图4）各轮轮压基本相同，从动轮组（6-10号轮和16-20号轮，见图4）各轮轮压基本相同，因此在驱动轮组和从动轮组中各选一个车轮，分别是12号和19号轮，在其轮下设置测量点。
由于轨道内侧操作困难，轨道B点被混凝土填埋，因此在12号和19号轮下轨道外侧上取A点作为应变测量点，距轨道顶面34mm。清理打磨轨道A区域。
在A测量点分别标定0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°等方位。
采用的设备主要含有：实施例1所述的本实用新型起重机轮压测试装置（2个探头），接线端子（2个），监控计算机（2台）。
标定：参照图12，根据钢轨材料参数，确定钢轨内无应力时的标定系数，完成标定。
现场测量起重机轮压：根据设定的测试工况，起吊重量，起重臂与轨道平行，起重臂有最大伸长幅度，起重机车轮以动/静压在测量点正上方，利用起重机轮压测试装置采集的相应的应力值，传输给动态轮压测量分析系统计算出相应的轮压值，并在屏幕上显示具体轮压值，记录且显示轮压-时间曲线。
起重机轮压测试装置的探头按照标定的方位与A点相连接。
在驱动轮组和从动轮组中各选一个车轮，即12号轮和19号轮，在其轮下设置测量点，如图13所示。起重机轮压测试装置测得Y向应力，根据公式（式四）转换为应变，输入Y向应变-轮压模型计算相应轮压值。探头与A点相连，应用（式二）Y向应变-轮压模型计算相应的轮压值。采用计算机动态轮压测量分析系统可以自动完成计算，记录，输出轮压-时间曲线等功能，只需指定探头位于测量点A点即可。
起重机车轮以动/静压在测量点正上方包含两种情况：静态：起重机静止在轨道上，被测车轮静止于测量点的正上方，测量各工况下的轮压。动态：起重机沿着轨道运动，通过测量点位置，测量动态时轮压。Y向应力测量结果见表3。
表3 Y向应力测量结果
根据公式，基于Y向应变-轮压模型轮压动态测量系统把应力转换为应变，结果见表4。
表4基于Y向应变-轮压模型轮压动态测量系统把应力转换为应变计算结果
根据公式，把应变输入Y向应变-轮压模型，计算相应轮压值，计算结果见表5。
基于Y向应变-轮压模型轮压动态测量系统测量的轮压值与有限元方法计算得到相应轮压值的比较见表5。
表5 轮压模型和FEM计算轮压比较
从表5可以看出，根据测量结果由轮压模型计算的轮压值较稳定，与FEM计算的轮压结果偏差在2-5％之间，说明本实用新型样机工作是可靠的，测量结果是精确的。
从表5可以看出：起重机各轮的轮压分布不同，驱动轮组的各轮的轮压接近相同，从动轮组各轮的轮压近似相同；重心靠近哪个轮组，其轮压较大，随着起吊重量的增大，距起重臂近的轮组的轮压越来越大，而较远轮组的轮压越来越小。
从以上测量和分析过程，可以看出：只需两个测量点就可以监测起重机的全部轮压，测量点少便于起重机轮压测试装置与动态信号测量分析系统的连接和布置，减少了人员的操作强度。具体测量点根据测试现场的实际情况位于轨道外侧 A点，测量点的布置灵活，这样可以因地制宜，利于提高测量精度。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统测量精度高，与有限元分析计算的结果偏差3-5﹪。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统不仅能测量各工况下车轮的轮压值，还能动态分析轮压的变化趋势，确定最大轮压值和其所在位置。基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统测量轮压非常方便和快捷。现有的实验测量轮压方法，在起重机同一支脚下有多个车轮时，不能确定最大轮压的位置。而基于Y向应变-轮压模型的动态轮压测量系统可以确定最大轮压的位置。
上述是本实用新型用于测试的一般操作步骤。对于其它测量，根据本实用新型的基本原理，实验技术人员还可以因地制宜地进行改进或替换，这些替换和改进也在本实用新型的保护范围内。
Claims (3)
1.一种起重机轮压测试装置，其特征在于：
包括探头，所述的探头为磁应力传感器，所述的磁应力传感器包括磁化线圈电流以及用于提取被测点磁特性各向异性效应的电信号的异方性输出线圈；
该装置还设有振荡电路，所述的振荡电路通过放大电路与磁化线圈电流连接；所述的异方性输出线圈通过放大电路接入电桥整流电路，磁化线圈电流也与电桥整流电路电性连接，所述的电桥整流电路和信号采集与处理电路连接；信号采集与处理电路另一端还与一数据采集模块通信连接，数据采集模块再与计算机系统通信连接。
2.根据权利要求1所述的起重机轮压测试装置，其特征在于：该装置还设有壳体，所述的振荡电路、放大电路、电桥整流电路、信号采集与处理电路和数据采集模块均设在壳体内；在壳体上还设有频率选择开关和电流调节开关，所述的电流调节开关与电桥整流电路连接；所述的频率选择开关与振荡电路连接。
3.根据权利要求2所述的起重机轮压测试装置，其特征在于：所述的频率选择开关分为两档，其中1档为0 Hz－100Hz，2档为100 Hz－2000Hz；所述的调电流调节开关的调节范围是0 A－1A。
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