起重機輪壓測試方法研究

一、開題依據（課題的研究意義，國內外研究現狀分析，附主要參考文獻）

研究意義

起重運輸機械車輪是承載起重機自身及吊載重量、傳遞載荷的重要部件，起重機輪壓的大小直接影響基礎的設計、製造。在理論設計初期，起重機輪壓的確定都是建立在理論計算，並且以安全係數的方法，增大起重機使用的安全裕度，也增大了起重機的實際輪壓，隨着港口、造船、鋼鐵等工業的進步和發展，大型、超大型起重機的使用也越來越廣泛。超大型的起重機重達幾千噸，使用的車輪上百隻，直接、精確測量起重機的輪壓，對起重機理論計算，承載基礎的設計提供重要的數據參考。

當前，中國經歷了經濟飛速發展的時間段，各行各業發展非常迅速，當然，起重機械行業也並不例外。設計方法、製造工藝較西方發達國家相比，依然存在差距，致使起重機粗、大、重。行業內的絕大多數企業設計能力低下、生產裝備陳舊、管理不善等諸多問題，起重機械的生產企業大部分依然處於粗放型的生產模式。也正是這種大規模的生產模式，為現在存在的環境、社會問題火上澆油。可持續發展、科學發展觀、節能減排一直是國家重要的方針、政策內容，大型、重載的起重機械對能源的消耗不可小覷，因此對起重機械的精確計算，對其自身的減重，電能消耗的降低，基礎建設耗材的降低，其效益是可預見的。起重機車輪輪壓作為直接反應起重機對承載基礎作用效應的重要參數，也是起重機設計的首要依據。因此科學、合理、準確的輪壓測試數據對起重機的精確設計、計算有着非常重要的意義。

起重機輪壓是車輪對軌道的壓力，是起重機的重要參數。是由設計人員根據起重機的重量、額定載荷、跨度、移動小車位置等利用平衡條件計算出來的。實際情況，輪壓的分配與結構和基礎的剛度、結構的製造精度和軌道的平行度有關，然這些因素的相互作用對輪壓的影響是無法測定的。因此，理論計算出的起重機車輪輪壓是不準確的，只能將其作為設計之初的理論猜想，但是正確與否，需要經過試驗、測試來進行驗證，從而提高起重機輪壓理論計算的精度，為更多的起重機型儲備數據，為承載基礎及起重機設計提供科學、合理的數據支撐。因此研究一種方便、直接測試大型起重機輪壓的方法或設備是極其有必要的。

國內研究現狀

目前，起重機輪壓測試還沒有制定標準，也沒有標準的方法，也因此少有企業對輪壓測試提出要求，僅僅是在技術資料中表明最大輪壓。在起重機發展的歷史長河中，也有研究人員對這方面進行了關注，主要有2種測試起重力輪壓方法的論文。第一種：通過使用壓力傳感器及千斤頂頂升起重機運行機構平衡樑，這種方法需要對運行機構零部件進行拆卸、重物移動，多人配合，效率低下，測得的數據還需要根據支撐位置進行輪壓計算，是一種間接測試方法，測試成本較大；第二種：採用在軌道側貼應變片，起重機空載自重擠壓軌道，通過空載自重標定應變變形，起重機滿載後測量總應變反推起重機輪壓。這種實驗方法相對較方便，應變片貼片工藝要求較高，但是起重機空載自重由銘牌讀取，這本來就是理論計算值，與真實值存在差異，差異大小具有不可確定性，這種方法，也是一種間接測試的方法。因此，更直接、簡便、精確的輪壓測試方法是有必要的。

參考文獻

[3].《起重機設計手冊》（第二版）編委會.起重機設計手冊.中國鐵道出版社，2013.

二、研究方案（研究目標、研究內容、技術路線和擬解決的關鍵問題、擬採取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析）

2.1研究目標：

（1）一種方便、直接測試起重機輪壓的試驗方法

研究制定一種完善、便捷、高效、準確的大型起重機輪壓測試的方法。試驗方法過理論分析、其它方法比對驗證新研製的試驗方法的準確、可靠性。測試方法應能不影響起重機的正常工作、減少測試時的輔助人員、設備，及時準確的獲取起重機輪壓。

（2）一套基於測試方法的測試儀器、設備及傳感元器件

基於起重機輪壓理論計算及理論測試方法的研究，開發一套由壓力測試傳感器、測試設備、儀器組成的測試系統。

2.2 研究內容：

計算機軟件建模，對傳感器進行有限元分析，掌握傳感器受壓後應力、應變情況。傳感器需要承受大噸位的載荷，還需要傳感器的外形尺寸較小，以方便起重機的車輪直接滾動至傳感器的頂部，傳感器受到的壓應力非常大，要求傳感器具有高強度、高耐磨性。信號、數據採集系統通過對比信號對其進行計算，得出起重機輪壓。

研究內容主要包括以下方面：

(一) 傳感器模型建立，有限元模型分析

之前，沒有結構尺寸小、承受大載荷的壓力傳感器的經驗，無法瞭解此類傳感器在大載荷情況下應力及應變情況，通過三維製圖軟件，建立傳感器力學模型，對其進行有限元分析。得出傳感器在受壓過程中的應力、應變大小。

(二) 起重機輪壓測試傳感器設計

（1）傳感器外形設計。傳感器的外形設計主要考慮起重機車輪能直接開上傳感器的頂面，因此要求其設計成為扁平狀的結構形式。

（2）傳感器材料選擇。傳感器因需要設計得很小，且承受大噸位載荷的壓力，其本身的強度及耐磨性要非常好，因此需要選擇高強材料，並且經過不斷的試驗、比對及時調整材料的選擇。

(三) 數據採集系統的開發

傳感器受到車輪的碾壓，要求傳感器與外接設備進行良好的信號、數據通訊。外接設備按照設定頻率進行信號採集，數據運算，得出壓力值。

(四) 測試系統試驗

傳感器的外形設計，傳感器信號採集、放大、信號傳輸，需要完美的整合，傳感器的設計得當、得出數據的準確性、可靠性需要經過反覆的試驗，並進行反覆的設計修正。設計初期，在實驗室內，通過萬能試驗機對傳感器及數據採集系統進行反覆試驗。

2.3擬解決的關鍵科學問題：

（1）傳感器的材料選擇；

（2）小尺寸傳感器結構模型設計；

（3）測試系統正確性、準確性的驗證。

2.4研究方案與技術路線

採用成熟技術和攻關相結合、商用軟件和自主開發相結合的方針，突出重點、主攻核心技術和關鍵技術難點。

圖1本研究技術路線圖

（1）在充分調研的基礎上，立足大型起重機的特點，合理運用新技術和新方法，通過三維實體建模軟件建立傳感器幾何模型；

（2）製作傳感器實物，利用萬能材料試驗機，對傳感器進行壓縮試驗，檢查傳感器受壓後與有限元分析結構進行對比；

（3）在傳感器中埋設電信號傳輸部件，及電信號放大、無線發射裝置；

（4）外設裝置，接收傳感器電信號，數據整理、運算、顯示結果；

（5）軟件管理系統對採集到的信號進行管理、運算、顯示；

（6）通過萬能試驗機，對傳感器進行反覆壓縮試驗，測試系統的顯示值與試驗機加載力進行比對、校驗。