基于應(yīng)力測試的結(jié)構(gòu)損傷評價技術(shù)探討

1概述

服役起重機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、零部件狀態(tài)、使用壽命及性能與企業(yè)安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān),因此開展服役設(shè)備,尤其服役超過15年以上的設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)、能力評估非常重要。應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)是評價起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)的重要手段,通過測試起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)在載荷作用下的受力和工作狀態(tài),確定應(yīng)力、應(yīng)變、位移和加速度等力學(xué)參數(shù),用以解決起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度問題。應(yīng)力應(yīng)變測試原理為測試結(jié)構(gòu)在外力作用下,內(nèi)部會由于外力作用產(chǎn)生應(yīng)力或者應(yīng)力分布的變化,一般采用測定結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變s,根據(jù)胡克定律a=Es的關(guān)系求出應(yīng)力。

目前,應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)在起重機(jī)結(jié)構(gòu)安全評估過程中的主要作用有:(1）金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平和強(qiáng)度儲備:(2）校核設(shè)計和改進(jìn)設(shè)計:(3）為金屬結(jié)構(gòu)故障修復(fù)提供依據(jù)等。在金屬結(jié)構(gòu)損傷檢測方面的研究和應(yīng)用較少,僅有交通部港口機(jī)械質(zhì)量檢驗測試中心的孫昌之在《起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試的作用》一文中提到:通過應(yīng)力測試,根據(jù)應(yīng)力值異常發(fā)現(xiàn)故障是一種行之有效的方法,并簡述了通過應(yīng)力異常發(fā)現(xiàn)裂紋的應(yīng)用,并沒有關(guān)于故障診斷的一般技術(shù)操作方法和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。由此可見,應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷檢測方面的研究和應(yīng)用主要存在以下兩個問題:(1）缺少應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)結(jié)構(gòu)損傷檢測的一般技術(shù)操作方法:(2）缺少結(jié)構(gòu)損傷檢測判定和評價指標(biāo)。

基于上述兩個問題,本文以一臺使用了30年的75t橋式雙梁起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變損傷檢測為例,探討應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)結(jié)構(gòu)損傷檢測的一般技術(shù)操作方法和結(jié)構(gòu)損傷的判定、評價指標(biāo)。

2實驗驗證

2.1樣機(jī)測試說明

被測試起重機(jī)的基本資料如表1所示。

應(yīng)力測試數(shù)據(jù)采集設(shè)備:TMR-211型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

應(yīng)力測試傳感器:FLA-5-11型電阻應(yīng)變片。

測試參數(shù)設(shè)置:采樣頻率100Hz,濾波器低通截止頻率設(shè)置30Hz。

應(yīng)力測試選點原則:主要依據(jù)橋式起重機(jī)一般受力較大和受力較為復(fù)雜的位置進(jìn)行測試,本次應(yīng)力應(yīng)變測試選點位置如圖1所示,靠近司機(jī)室一側(cè)梁為I梁,另一側(cè)梁為Ⅱ梁。

測試樣機(jī)如圖2所示,測點布置現(xiàn)場如圖3所示。

測試工況:跨中吊載額定載荷一小車運行至跨端一小車運行至另一跨端一再次回到跨中一落下試驗載荷(起升和下降過程均有制動動作）。

22應(yīng)力異常信號分析

通過對各測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在I梁3號測點應(yīng)力測試數(shù)據(jù)存在應(yīng)力突變異常,突變位置的異常應(yīng)力比正常地方大20MPa以上。由此可以推測該位置存在結(jié)構(gòu)損傷,建議進(jìn)行常規(guī)無損檢測技術(shù)確認(rèn)。異常信號圖如圖4所示。

通過對該位置進(jìn)行超聲波檢測和磁粉檢測,并對該箱型主梁進(jìn)行開孔內(nèi)部檢查,發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)損傷有:(1）軌道兩側(cè)主梁面板存在較多"魚尾紋"式的表面裂紋;(2）面板材料存在分層損傷;(3）箱型主梁內(nèi)部隔板為點焊,連接不緊密。結(jié)構(gòu)損傷具體如圖5、圖6所示。

圖5面板表面裂紋

圖6超聲檢測面板分層損傷

23制動動作產(chǎn)生的沖擊信號分析

修復(fù)前:主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部隔板與腹板、面板均采用點焊連接,且有的點焊已失效,如圖7所示。

修復(fù)后:根據(jù)起重機(jī)制造要求,對主梁內(nèi)部隔板與腹板、面板,采用連續(xù)焊縫進(jìn)行修復(fù),修復(fù)后的結(jié)果如圖8所示。

通過對修復(fù)前、后1梁1號跨中測點兩次上升制動動作產(chǎn)生的動態(tài)沖擊應(yīng)力測試數(shù)據(jù)對比分析可知:(1）第一次應(yīng)力測試信號的上升制動動作產(chǎn)生的沖擊信號具有沖擊信號幅值較小,沖擊系數(shù)較小,持續(xù)時間較長等特點;(2）修復(fù)后的第二次應(yīng)力測試上升制動動作產(chǎn)生的沖擊信號,相比第一次具有沖擊幅值較大,沖擊系數(shù)較大,持續(xù)時間短,較為符合彈性結(jié)構(gòu)制動產(chǎn)生的沖擊信號特征。

通過上述發(fā)現(xiàn)可以得到:上升制動動作產(chǎn)生的沖擊信號特征能夠反映和評價結(jié)構(gòu)密實性等整體損傷劣化程度。

圖9為修復(fù)前1梁1號測點數(shù)據(jù),圖10為修復(fù)前制動動作沖擊信號,圖11為修復(fù)后1梁1號測點數(shù)據(jù),圖12為修復(fù)后制動動作沖擊信號。

圖9修復(fù)前1梁1號測點數(shù)據(jù)

3結(jié)論與展望

通過實例測試驗證分析可知:(1）應(yīng)力突變信號可以較好反映結(jié)構(gòu)損傷位置;(2）結(jié)構(gòu)制動動作產(chǎn)生的沖擊信號能夠反映和評價結(jié)構(gòu)密實性等整體性損傷。

雖然采用應(yīng)力測試技術(shù)通過合理布置應(yīng)力測點,可以很好地了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平及強(qiáng)度儲備情況,

圖10修復(fù)前制動動作沖擊信號

圖11修復(fù)后1梁1號測點數(shù)據(jù)

圖12修復(fù)后制動動作沖擊信號

還可較好地反映結(jié)構(gòu)損傷情況,但是通過應(yīng)力測試數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)損傷的技術(shù),還需深入研究損傷類型與信號的關(guān)系、損傷程度與信號特征參數(shù)關(guān)系等。因此,要想成熟應(yīng)用應(yīng)力測試結(jié)構(gòu)損傷評價技術(shù),還應(yīng)進(jìn)行更多的理論和實例檢測分析。