无线应力应变测试技术在游乐设施检验中的应用

王晓亮 陈卫卫 马东云

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

无线应力应变测试技术在游乐设施检验中的应用

王晓亮 陈卫卫 马东云

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

大型游乐设施运行工况复杂，结构受力多变，无法准确计算其应力结果。传统应力应变测试技术无法满足大型游乐设施运行形式复杂、传输距离远和安装空间小等使用条件。本文介绍了无线应力应变测试技术的基本原理，及其在大摆锤检验中的应用实例。测试结果表明无线应力应变测试技术在大型游乐设施检验中具有很好的前景。

无线应力应变测试 游乐设施 大摆锤

近几年，游乐设施受到了大家的欢迎，尤其是大摆锤，其在观览车类游乐设施中增长速度最快、年客流量大［1］。但是，大摆锤也是存在潜在风险最多的游乐设施之一。例如：大摆锤发生过回转支承中高强螺栓断裂、减速机齿轮传动失效、减速机传动轴断裂等等［2］。学者们对大摆锤做了许多的研究。孙超［1］对大摆锤减速机齿轮进行了有限元接触的分析，为大摆锤的疲劳分析、寿命预测以及齿轮优化设计提供了依据。刘海生［3］对大摆锤转筒及吊臂进行了受力分析，得到了其应力分布场。宋伟科［4］对大摆锤驱动头进行了动力学建模与仿真研究，进行了驱动轴疲劳强度计算，为大摆锤的结构优化设计提供了理论基础。闫石［5］对大摆锤的结构进行了分析及测试研究，提出风载、设备自重及乘客重量引起的负载在大摆锤的工作负载中占比不大，大摆锤工作时承受的负载主要来自设备剧烈的运动，大臂上各点处应力值随驱动力周期性的加载也呈现周期性变化。

虽然有限元软件可以对结构复杂的几何体进行建模分析得出计算结果，但是，计算结果精确度浮动性比较大，而且对建模水平和边界条件依赖较大、模拟的载荷工况与实际工况有较大差别。而应力应变测试技术能很好的克服这些问题，可以用于完成结构及零件等的受力情况的分析与研究，对工作的可靠性进行判定，还可以用于验证设计计算结果的正确性，确定设备运行过程中的某些现象的机械原理［6-7］。基于传统应力应变测试系统存在的问题，发现其已无法满足大型游乐设施运行形式复杂、传输距离远和安装空间小等使用条件。近几年开发的无线应力应变测试具有测试稳定性强、精度高、低功耗、高效率、高可靠性等优点，在大型设施检测中得到越来越广泛地应用。因此，本文采用无线应力应变测试系统对大摆锤关键部位进行分析，以期为工程实践提供指导。

1 无线应力应变测试技术

无线应力应变测试系统主要是基于无线应变传感器节点的一种数据采集系统，主要由数据采集软件、无线应变节点、无线网关、带线及适配插座的应变片组成，见图1。

图1 无线应力应变测试系统

无线应力应变测试系统省略了繁琐的布线工作，无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰，整个测量系统具有极高的测量度和抗干扰能力。其主要原理是将应变片的阻值变化通过无线应变传感器节点转变为电压信号，无线传输给计算机，利用应用软件对采集到的电压信号进行处理分析。目前，最为成熟、运用最为广泛的是电阻式应力应变测试。

1.1 应变片的工作原理［8］

如图2所示，电阻应变片主要由引出线、覆盖层、敏感栅、基底以及粘结剂组成［9］。敏感栅作为最主要的组成部分，其可看作普通的电阻丝。因此，栅丝的阻值将随其几何形状和材料性能的改变而不同［10］。

图2 应变片的构成

假设有一根横截面直径为D，原始长度为L，电阻率为ρ的金属电阻丝，那么，该电阻丝的初始电阻值为：

式中：

在轴向外力作用下，电阻丝会产生变形，沿着外力的方向拉伸（或收缩），相应地，截面尺寸会减小（或变大）。因此，电阻值会随之发生变化，这就是电阻应变效应，如图3所示。

图3 电阻应变效应分析

假设电阻沿轴向的变化为ΔL，截面尺寸变化为ΔD，已知导线的横截面原面积为A，其相对变化为：

式中：

μ ——金属电阻丝的泊松比；

表示为：

在电阻丝伸长过程中，电阻值也发生变化，其值为：

其中K为单根金属电阻丝的灵敏度系数。式（3）表明，金属丝的电阻变化率与其轴向应变成正比例关系。因此，在将应变信号转换为电信号的过程中，优先选用能较好地产生电阻变化的材料。

1.2 应变花的工作原理［11-12］

实际工程应用中，有些测试部位的应力状况比较复杂，在此种情况下，并不能准确地确定其主应力方向，仅仅利用应变片不能达到目的［13］。因此，对于应力状况复杂的构件，人们往往采用应变花来分别测出任意三个方向的线应变，再根据相关计算公式求出主应力和主应变。如图4所示，设沿三个方向θ1、θ2、θ3贴应变片（方向不做要求，随意设置），测得三个方向的应变分别为ε1、ε2、ε3，根据应变状态理论公式［12］：

图4 应变花测量原理

从而解出三个未知参数εx、εy、γxy，再根据以下公式计算出主应力σmax、σmin和主方向与x轴的夹角φ。

最后根据第四强度理论，求出该测试点的合成应力

式中：

1.3 应变电桥的工作原理［14-15］

苗头预测法的运用并不只是简单地把纠纷变化的苗头预测出来，更关键的是，劳动争议调解员对预测出来的纠纷发展的苗头要给予高度重视，并及时积极行动起来，进行妥善地处理，把苗头抑制并消除在萌芽状态，防患于未然。如果预测到了纠纷变化的各种苗头后．不去积极预防，反而是“一拖二躲三搪塞”，只会使纠纷越来越复杂，越来越难处理，并使劳动争议调解员的信誉受到影响，最终失去劳资双方当事人的信任。

电阻应变计通常采用电桥测量电路，电桥就是将电阻的变化转变为电信号的电路。电桥接桥方式分为三种形式：单臂、半桥和全桥。假设：供桥电压为U，电桥输出电压为U0。三种桥路的输出电压U0和应变ε的线性关系分别为：

单臂：

半桥：

全桥：

在实际的测量中，利用不同电桥的基本特性，采用不同的连接方法可以达到不同的测量目的。三种电桥的优缺点比较见表1。

表1 三种电桥优缺点

2 游乐设施检验中的应用

2.1 设备参数

以大型游乐设施中的大摆锤为例，进行无线应力应变测试。大摆锤的主要结构如图5所示。主要工作原理为：在电机驱动下，大臂绕水平轴摆动，同时电机驱动座舱绕大臂轴旋转。大摆锤的主要结构和运行参数见表2。

图5 大摆锤设备

表2 结构和运行参数

本次测试采用基于802.15.4协议的新型SG403/ SG404无线传感器应变节点。SG403/SG404节点具有使用简单方便，结构紧凑等优点。综合考虑便携性、操作复杂程度等因素，在能满足试验要求的情况下，尽量选择比较简单的桥路，本次测试采用的是单臂电桥，见图6。

图6 无线应变节点及电桥方式

大型游乐设施无线应力应变测试中，测试点的确定和选择主要考虑以下三个方面：

1）依据游乐设施设计规范，选择相应的重要零部件和关键轴。

2）应力测试布点要考虑整机的运动特点，最好考察整机的最大应力状态。

3）现场中发现的制造安装与原设计有较大误差的部位。

本次测试选择了6个测试点，分别对大摆锤中的立柱顶端内侧、立柱底端外侧、主力臂底部右侧、回转圆盘支撑臂顶端、回转圆盘支撑臂底端、座椅支撑座底部进行了满载工况和偏载工况（25%满载）测试。具体应变片布片位置见表3，具体布片见图7。

表3 布片位置

（续表）

图7 布片位置示意图

3 结果分析

由于大摆锤自重较大，因此不能忽略自重应力的影响。被测试设备采用的材质为S355、测试部位的抗拉强度σb为制造单位提供的材质单中的数据、自重应力σ0为制造单位提供的计算分析数据，见表4。

表4 抗拉强度、自重应力表/MPa

经过满载工况和偏载工况（25%满载）的应力测试，得到6个测试点的应力-时间历程图，图8给出了满载工况下，6个测试点的应力-时间历程图。

图8 应力时间历程图

以满载应力测试分析为例：满载应力值σ满可由应力应变测试直接得出数据，由于考虑到自重应力σ0的作用，故最大满载应力σ满max= σ0+σ满，进而可以计算出测试部位的安全系数n = σb/σ满max。偏载同理，计算结果见表5、表6。

表5 满载应力表

表6 偏载应力表

（续表）

对比分析表5、表6可以得出：

1）满载与偏载（25%）两种工况下，测试点1、测试点2为大摆锤受力比较大的部位；

2）满载工况下，大摆锤的最小应力值测试点为测试点3，测试点4、5、6即座舱附近的应力值较为稳定，偏载（25%）工况下，大摆锤的最小应力值测试点为测试点6，这是由于偏载较满载的负重减小，因此应力值比满载时降低大约27.7%。

3）通过对应力测试结果的计算分析，满载与偏载（25%）两种工况的最小安全系数值分别为12.8和12.5。根据《游乐设施安全规范》的标准要求，一般构件的安全系数n≥3.5，所以6个测试点在满载工况及偏载（25%）工况下的安全系数均符合要求。

4 结论

本文应用无线应力应变测试技术对大摆锤进行测试，确定了满载工况及偏载（25%满载）工况下大摆锤关键受力部位的安全系数符合标准要求，找出了游乐设备中安全系数较低的薄弱部位，为以后的设计改进有很好的指导作用，对游乐设施事故的发生起到了预防作用。无线应力应变测试技术作为一种有效的测试技术，实现了无线传输信号，解决了传统应力应变测试无法应对游乐设施复杂工况测试的难题，在游乐设施检验检测中具有很好的前景。

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Application of Wireless Stress-strain Test Technology in Amusement Facilities Inspection

Wang Xiaoliang Chen Weiwei Ma Dongyun
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

Based on the characteristics of complex operation condition， variable structure and difficulties in calculating accurately stress results of large amusement equipment.The stress-strain test system was widespread used.However， traditional stress-strain test technology does not satisfy the complex operation conditions of large amusement facilities.The basic principles of wireless stress-strain test technology were introduced in this paper and applied in a large pendulum particular test.The testing results showed that the wireless stress-strain test technology has good prospects in large amusement facilities inspection.

Wireless stress-strain test Amusement facilities Big pendulum

X941

B

1673-257X（2016）09-0039-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.010

王晓亮（1988～），男，硕士，助理工程师，从事游乐设施的检验检测工作。

（2016-06-13）