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1、1,例1 内河码头缆车轮压检测及统计分析,在我国港工载荷规范修订工作中，需要对港口现有港工机械的载荷分布进行跟踪监测和统计分析，以便对港口基础设施的载荷设计做出科学规定。 缆车是我国内河港口斜坡式客货码头常用的装卸与交通机械，它通过钢缆由卷扬机带动，在斜坡轨道上升将作业，见图1-1。,图1-1 内河码头,1.1 概述,重庆朝天门客货码头,2,缆车的种类繁多，按轮数分，有4轮、6轮、8轮，最多有18轮。按支撑形式分，有弹性支撑、刚性支撑。见图1-2。轨基的形式有架空梁式（图1-1）和斜坡式（图1-2）。抽样检测工作必须囊括典型缆车类型和轨基。,图1-2 缆车类型,弹支四轮车,弹支十八轮车,刚支四
2、轮车,3,由于是现场跟踪测量，采用电测法。对于弹性支撑缆车，用位移传感器测量支撑弹簧的变位来换算轮压；而对于刚支缆车，需要设计专用载荷传感器来测量轴承座与车架间的压力，然后由轮部的平衡条件换算轮压。自重轮压在起点单独测量，处理时与动态轮压叠加。轮压检测原理方块图如图1-3所示。,1.2 轮压测量方案,图1-3 轮压检测原理方块图,为了简化，在推导轮压换算公式时，作了如下基本假定： 1.2.1 轮与轴、轮与轨以及轴承与挡板之间均为理想光滑面接触； 1.2.2 因缆车运行速度缓慢，轨道起伏曲率很小，惯性力可忽略不计。,4,1.3 载荷传感器设计,设计在刚支缆车轴承座凹腔内安装的多弹性元件在荷传感器
3、，它由6只圆柱形元件和一块基板构成，传感器的安装不应影响缆车的安全和正常作业，见图1-4。 应变计的布置及桥路如图1-5所示，采用串并联线路。,1-4,1-5,5,1.4 传感器材料,基板材料：Q235弹性元件材料：40Cr 弹性模量：206GPa； 泊松比：0.3； 比例极限：650MPa；设计传感器量程：8T；考虑仅有3只弹性元件受力的最坏情况，弹性元件量程为 2.67T，按过载率100%，设计元件直径：D=10.500.02mm；热处理：850油淬，370 盐炉回火。应变计类型：胶基箔式，阻值：110欧姆。粘接剂：热固化JSF-2酚醛类胶,6,1.5 应变读数与载荷的关系,由应变计串并联
4、时的关系，可以导出,这是一种线性关系。其中,为各弹性元件所受压力之合力。,（1-1）,7,1.6 传感器灵敏度,由（1）式，传感器的理论灵敏度,最大应变输出1000微应变。这里没有考虑应变计串并联引起的桥臂电阻值变化和长导线影响。实际的桥臂阻值应为330欧姆，导线长度为100米。这些因素的影响将减小应变读数，实际灵敏度应比计算结果大，需要通过标定实验确定。 实验表明，传感器具有很好的线性，使用实际要采用的仪器系统和长导线，标定出的灵敏度为,图1-5 使用过的载荷传感器实物,8,1.7 缆车轮压及不均匀系数统计分析结果,1-1,经检验，不均匀系数不拒绝正态分布，轮压不拒绝极值型分布。统计结果如表
5、1-1至1-4所示。本结果为规范中对缆车载荷的规定提供了科学依据。,9,1-2,10,11,实例二 V形拌粉机疲劳裂因分析及其加固,2.1 概述,“V型拌粉机”是某电池厂自行设计的拌粉机械，其结构如图1所示。设备在连续运行七个月后，在主动端轴筒与外壳连接前、后加劲肋焊缝处出现裂纹，破坏显然是由疲劳引起的，但疲劳破坏的原因是壳体本身设计强度不足，还是因腐蚀减小了壳体壁厚所致，需要进行实验研究。由于要进行现场试验，采用电测法。,12,2.2 实验方案,由于测量对象为旋转件，且情况特殊，需要根据设备实际情况自制集流器。 本实验为强度校核性实验，测点选在危险区，即加劲肋前缘焊缝焊趾处，通过布置分别垂直
6、和平行于焊缝方向的梯度应变计，通过二次曲线拟合与外推插值计算测定焊趾处正应变，确定两个方向的正应力（图2-2）；在靠近焊趾处沿与焊缝成45方向布置应变计近似测定剪应力（图2-3）。使用补偿块补偿，502粘接剂。 每次实验针对同一工况（实际装粉重量）。实验对未投入使用的设备进行。,2.2.1 应变计布置,13,2.2.2 测量分析及仪器系统,14,总长度： L=142.5mm绝缘筒外经： D=298mm绝缘筒内经： d=260mm环外经： D=286mm环皮宽度： b=3.5mm环皮厚度： t=0.3mm环间距： a=3.5mm拉线长度： l=800mm通道数： 18（可同时进行6点测量，与应变
7、仪通道数对应）材料：绝缘筒用聚氯乙烯塑料板材粘合后进行加工；环、拉线用BQe2 铜箔带； 引出线、短接线用屏蔽线。绝缘电阻：环间大于500兆欧，环与机体间大于500兆欧。,2.3 集流器的构造与性能,2.3.1 构造,2.3.2 噪声测定,图2-5 自制 拉线式集流器的构造图,图2-6 集流器噪声测量,用补偿块上的应变计构成半桥，记录各组通道（每组3个通道）的接触电阻变化。,15,2.3 应变曲线的分析,试验时在图2-1所示的壳体起始位置调节仪器平衡，开机时记录曲线。 曲线分析时，测量壳体旋转到1/4和3/4周期位置的应变波高，计算时从中扣除集流器在相应位置的噪声波高，以此作为测点的实际应变波
8、高。,图2-7 应变波形分析方法,周,周,周,周,(a)测点应变波,(b)接触电阻变化,16,2.4 应力计算,由波形分析得到的应变波高，和标定应变以及灵敏系数修正公式，可得各测点实际应变，然后通过二次曲线拟合插值计算,得焊趾处测点o的应变，再由胡克定律便可计算焊趾处测点的应力，结果从略。在1/4和3/4周期位置的危险区应力分布如图2-8所示。,（2-1）,17,由于壳体为材料为Q235，适合使用最大剪应力理论进行疲劳校核，疲劳判据为,2.5 疲劳校核,其中,校核结果如表2-1所示。,（2-2）,18,表3-1 危险区测点的疲劳校核,19,2.5 加固措施,由分析结果知，V型拌粉机外壳产生疲劳
9、破坏的原因，主要是壳体在加劲肋的强迫作用下发生过大反复翘曲变形，导致壳体局部抗疲劳强度严重不足。必须采取加固措施，一方面应局部增大壳体的抗弯刚度，另一方面是减小连接加劲肋的刚度，以降低加劲肋前缘应力水平，以提高壳体的抗疲劳性能。 采取的措施是，用一块与壳体等厚的椭圆形Q235板材焊在壳体上以增大其厚度，并通过搭焊延长加劲肋以减小其刚度。如图2-8所示。 采取加固措施后，再次对新的危险区进行应力测量，校核其疲劳强度，各测点处均满足疲劳强度要求(略)。,20,实例三 防砸背甲冲击试验标准研究,3.1 概述,“防砸背甲”是矿工井下作业时必备的安全防护装备（图3-1）。一般的防砸背甲都具有结构简单、轻
10、便附体、造价低廉等优点。为了严格控制此类产品的质量，国家劳动部对劳保科研部门下达了制定防砸背甲产品行业标准的任务，要求对防砸背甲的规格、技术要求、试验方法和检测规则等作出明确规定。 本项课题仅限于对背甲冲击试验方法和检验背甲是否合格的技术指标进行研究。 如何从矿工井下作业的具体情况出发，合理制作冲击试验模型是本项研究的关键。,图3-1 常见的几种防砸背甲,21,3.2 基本假设,人体受落物冲击时，所感受的冲击力不仅与落物质量、硬度、冲击面大小有关，也与人体体型、姿态和反应能力等多种因素有关。为了简化问题，保证试验模型、方法和结果的安全可靠，可从最不利情况来考虑，首先作出如下假设： (1) 落物
11、足够硬，且为点冲击；冲击点在人体腰椎部，且椎骨处于水平状态； (2) 人体受冲击时，无整体移动，椎骨仅产生微小的横向挠曲和局部压缩变形。以基本假设为前提，问题转变为设计合理的“人体”试验模型，选择恰当的模型材料和适用的仪器系统； 然后根据人体椎骨的耐受力，和试验测定出的落锤重量、高度与“感受力”之间的关系，制定合理的检验标准。,3.3 仪器系统,根据实验室条件，本试验采用图3-2所示仪器系统：,如果有条件，理想仪器系统如图3-3所示。,22,3.4 “人体”腰模,模型设计要考虑简单、便于检验单位实施，设计的“腰模”由混凝土基础、拉压力传感器、“脊椎骨”、“里脊”、“腰侧软组织”和木托架组成（图
12、3-3）。,模型的主要材料（从安全考虑，采用弹性模量高于腰部组织的软性材料）： “脊椎骨”红松木（6435cm）； 椎骨突出部分硬聚氯乙烯塑料（11.5cm）； “里脊”毛毡（1.2至1.3cm）； “软组织”海棉（37125cm）由人造革包裹。,图3-3 “试验腰膜”的结构,23,3.5 试验方法,选择刚性较大、固有频率较高的测力传感器，以避免信号频率接近传感器固有频率产生共振所产生的误差。本试验采用的传感器测力范围为20KN，固有频率约130kHz，远大于预估冲击力频率200Hz；示波器振动子的频率也不必选择太高的，一是能保证灵敏度，二是能滤掉由于椎骨振动造成的高频毛刺，便于波形分析。试验
13、时采用FC6-2500振子。 试验时，事先估计最大冲击力，选择合适的应变仪衰减档以保证冲击力波形处于记录纸宽度之内。 根据工地作业现场调查，选择20N锤重、1m落高作为试验条件比较合适。另外，从点冲击最坏情况考虑，落锤为半圆球冲击面。 人体受冲击力作用的损伤程度，不仅与冲击力大小有关，还与冲击时间有关。设示波图波高为hmax，单位波高代表的力为f，则最大冲击力,（3-1）,设拍摄波形所用的时标周期为T，在记录纸上的相应长度为L；从冲击力等于锤重到冲击力达到峰值所经历的时间为t，相应记录纸长度为l，则,因冲击为瞬态过程，应选择尽可能高的纸速，本试验选择最大速度5000mm/s，相应时标周期为T=
14、0.01s。,（3-2）,24,3.6 传感器的标定,3.6.1 静标定,静标定是为确定（3-1）中的f。本试验在万能试验机进行，标定结果为：应变仪衰减档在“1”时，f=1kN/cm；衰减“3”时，f=3kN/cm。静标定后，仪器灵敏度、振动子等一律不再更动，维持静标定状态测量冲击力。,3.6.2 动标定,为进一步验证静标定结果是否适用本试验，还需对传感器进行动标定。动标定试验在自制冲击试验台上进行，仪器状态与静标定时相同。,图3-4 冲击试验台架,对于不同落锤高度，从记录的冲击力波形可得到实测值Pmax和t，由实际锤重W、落锤高度H和实测的时间t，代如下式可计算理论最大冲击力PTmax。,1
15、 庄德恩,试验应力分析的若干问题及方法,科学出版社,1979. P76.,（3-3）,动标定试验结果如图3-5所示，可以看出，Pmax与PTmax的相对误差相当微小，均不超过1%。,25,图3-5 传感器动标定试验结果,3.6 样品试验结果,对图3-1所示3种典型产品进行试验，试验结果如表3-1所示。,26,表3-1 防砸背甲冲击试验结果（锤重W=20N，落高H=1m）,27,3.6 脊椎损伤机理及耐受力的确定,在矿井、隧道及其它施工场所的作业人员，常因冒顶或外来物坠落而砸伤肩、背、腰部，造成脊柱骨折和脱位，甚至并发脊髓及神经根损伤，轻者遗留腰背痛，影响工作，重者造成终身残废。 脊柱损伤受多种
16、因素影响。通常认为损伤与冲击力作用方向有关。可以把冲击力分解为沿脊柱的“挤压力”，和横向的“脱位力”。挤压力大易引起挤压性骨折；脱位力大，易引起椎体脱位，并造成神经破坏。 人体的损伤部位常发生在骨骼活动较大和活动较小部位交界处。根据第四军医大关于人体脊椎骨的强度数据，在防砸背甲以保护人体背、腰部为主的前提下，选用第11节胸椎骨允许负荷（剪力3900N）为依据，考虑人体椎骨在冲击载荷下，“冲击力作用时间愈短，其耐受力提高愈大”的力学特性，现有产品试验结果表明，冲击力作用时间大体在2.74.3ms之间，因此动静提高比按相关理论计算为K=1.65 1.503。这样在冲击负荷下，胸腰椎交接部的允许载荷可放大到5860 6435N，故取人体脊柱耐受力强度为6000N。 根据以上理由，采用本项研究的试验模型，防砸背甲标准在冲击吸收性能试验内容中规定，以20N重锤自1m高落下冲击防砸背甲，经背甲吸收后测得的冲击力不得大于6000N。 由于模型采用了保守设计，检验结果是偏于安全的。,
