论岸桥起重机拉杆应力测试应用

沈学军　郁锋

摘 要：岸邊集装箱起重机是一种大型、高效的集装箱装卸机械 ，从开发、设计、制造、安装、调试到运输的全过程，都必须实施全面控制，以确保其产品质量。拉杆是集装箱起重机一个重要的组成部分，其受力情况直接影响到起重机正常运作。本论文将结合电阻应变测量原理，介绍其在岸边集装箱起重机拉杆测试中的应用。

关键词：电阻测试技术；拉杆；电阻应变计；电桥

随着生产和科学技术的发展，现代测试技术在国民经济各个部门和科学研究各个领域的应用日益广泛，在一定程度上也是生产和科学技术发展水平的重要标志之一。有利于生产工艺和生产设备的研究与改进；有利于生产过程机械化和自动化水平的不断提高。

机械工程测试中的电测法，有电量电测法和非电量电测法之分。前者一般属于电工测量，而后者则指通过相应的物理效应，把待测的非电量首先转换成某种电量，然后再利用电测方法进行测量。其中非电量电测法有着更为宽广的领域。

1电阻应变计的工作原理

岸边集装箱起重机每一根前拉杆都必须测量其应变及其拉力。电阻应变计（又称电阻应变片）是拉杆测试中常用的一种传感元件。使用中，将应变计贴附在拉杆表面，并配以相应的测量仪表，就可测出应变或与应变有对应关系的其它非电物理量。

电阻应变计所以能将机械变形转换为电阻的变化，是以导体的电阻应变效应为基础的。现以使用最广的电阻合金应变计为例，对其工作原理加以讨论。

应变灵敏系数是由制造厂在每批产品中抽取一定数量的应变计，在专门的标定设备上实验得到的。

2应变计的分类和选择

应变计由于用途及使用材料的不同而制成各种形式，一般由基底、敏感栅及引线组成。它的性能与组成部分的材料性质和应变计的形式有关，其种类很多，大致有下列几种分法：

（1） 按敏感栅材料的种类，可分为金属和半导体栅两大类。

（2） 按敏感栅的配置可分为单轴，多轴及特殊型应变计。

（3） 按基底材料的不同。可分为纸基、胶基和其它基底的应变计。

在使用时，应根据被测的对象的特点、要求和工作条件来选择适用的应变计。这里推荐使用箔式应变计，箔式应变计是用电阻合金做敏感栅，有机树脂作基底，照相腐蚀而成。其耐久性、耐潮湿和电绝缘性能都较好。横向系数、蠕变和机械滞后均较小，箔栅很薄，其表面积对截面积之比较丝式应变计大得多，故其接受试件表面变形及散热能力都比丝式应变计好，因而可保证较高的变形测量精度。同时由于其制造的特点，可作成各种形状的特殊用途应变计。因为箔式应变计具有上述许多特点，所以目前国内外在应变测量中使用很广。

3应变计基底材料及粘结剂

应变计基底材料及粘结层主要作用是将机械变形正确的传递给敏感栅。

3.1对基底材料和性能的要求为：

（1） 粘结力强，且在一定温度范围内不受温度、潮湿等因素影响。

（2） 干燥或加热固化时收缩率小。

（3） 固化后吸潮性小，在使用温度范围内电绝缘性能好。

（4） 疲劳性能好。

（5） 化学性能稳定，使用期长，保存方便。

（6） 耐霉菌、耐化学药品性能好，对试件及敏感栅无腐蚀及溶解作用。

（7） 操作简便、使用方便，对人体无害。

3.2粘结剂的种类

应变计常用的粘结剂多采用合成粘结剂，大致分为有机和无机两类，无机粘结剂用于高温应变计的粘贴，常温和中温则用有机粘结剂。通常做拉杆测试时所采用的粘结剂一般为502胶水，其主要成分是氰基丙烯酸脂，适用于各种基底应变计的粘贴，使用温度为-50-80℃。

4应变计的粘贴与防护

应变计的粘贴质量关系着测试精度和测试工作的正常进行，因此使用前应当对应变计和粘贴剂做认真检查。

4.1试件表面处理

为使应变计牢固的粘贴在试件表面，必須将大于应变计面积2～3倍的位置处理平整光洁、无污染、锈斑及氧化物。并用细砂纸交叉打毛，划线后（贴正应变计的标计）用浸有丙酮的脱脂棉或纱布清洗干净，直至脱脂棉擦上去不显黑迹为止。如环境温度大，还应对试料加热烘干，使水分蒸发，然后再贴片。

4.2贴片

用脱脂棉蘸丙酮擦洗处理好的贴片表面及应变计背面，晾干后将502均匀的涂于应变计背面，将应变计找正位置贴上。然后垫上一层玻璃纸，用手指滚压赶出气泡，使片贴牢。

4.3贴片质量检查

首先检查应变计是否贴正，是否贴牢，有无气泡和发皱现象。然后用万用表检查应变计有无压坏断丝。最后用高阻表检查栅丝与试件的绝缘（一般应在500兆欧以上）。然后接通静态电阻应变仪，用铅笔头上的橡皮轻按片栅，静态应变仪若有数字跳动， 则说明被按处栅丝下面有气泡或剥离层等缺陷。经检查不合格者应查明原因设法补救，不能补救则重新贴片。

4.4导线处理

（1）应变计引线的固定为防止应变计引线被拉断，应设法进行保护固定，一般常温下可在引线下面粘贴一层橡皮膏（氧化锌橡皮膏或其他绝缘胶带），然后在引线上再盖一层使引线固定。或用固定端子片粘贴在适当位置进行连接。

（2）导线的选择应变计的与仪器之间所用导线应根据试验要求和使用环境加以选择。

（3）导线的焊接导线接头处多用锡焊，一般用熔点约180°C左右的锡焊，焊接要迅速准确，时间不宜过长，以免产生过多的氧化物或损坏应变计的基底和丝栅。焊完要用丙酮酒精等溶剂将焊剂清洗干净。

（4）应变计的防护对于粘贴良好的应变计必须有可靠的防护措施，否则无法保证应变计的正常工作。应变测量的要求应变计电路与试件间有较高而稳定的绝缘电阻，一般为200兆欧以上，动态可略低，静态应较高。为了保持恒定的绝缘应采取妥善的防护措施，使潮气、水、油与应变计隔绝。目前采用的防护剂大致有：①中性凡士林；②石蜡涂剂；③环氧树脂防潮剂；④合成橡胶防潮剂。

5电阻应变测量电路

测量电路的作用是将应变计的电阻变化转换成电压或电流的变化，以便于放大或记录，常用的电路有电位计式电路和桥式电路两种，前者多用于振动和冲击等高速变化的应变测量，后者因其精度高，制作较易，又便于配合放大电路和记录器进行高精度的测量，因而广泛用于各类型应变测量仪器和应变测量中。起重机拉杆应力测试大都使用桥式应变测量电路。

应变电桥由四个桥臂组成，可以采用单臂、双臂或四臂工作，各臂往往受到同号同值、异号同值及比例作用。为有效的利用电桥特性达到补偿温度、提高灵敏度及消除非因数等目的，必须合理安排应变计在桥路中的位置。

电桥由一片应变计和三个固定电阻组成时，当对应变计R1施加应变ε时，如电桥为全等臂电桥，应变计灵敏系数为K，输入电压为ei则电桥输出电压Δe可按下式计算

Δe=ei *R1/4R1=eiKε

此种桥路中，不能消除温度影响，故很少采用。如要消除温度影响，应在相邻桥臂用同样的應变计做补偿臂，（如下图）。当机械应变和温度影响同时加于应变计时，如（ΔR1/R1）T =（ΔR2/R2）T（由于所用应变计温度系数相同，并且处于同一温度场）时，温应影响即可消除。桥路中R1称工作片，R2称补偿片。

计算方法

F=*E*A

F 为拉力

为拉杆受力产生的应变

E 为钢结构的弹性模量

A为拉杆的横截面积

双拉杆的岸桥，前后拉杆对大梁自重的分配一般是6：4（前拉杆为6，后拉杆为4）。在同组拉杆中，左右拉杆受力偏差约为±10%。通常要用可调式拉杆（矩形螺纹调节或铰点偏心轴调整）进行测量。测量时将前大梁处于水平状态，在拉杆上贴应变电阻片测出前后左右拉杆组的应力值，如果受力不均匀，应进行调整。

6电阻应变仪的类型及原理

應变计将机械应变变换成电阻的变化，再经过测量电路（如电桥）转换成电压或电流的变化。但此时的电压或电流信号是很微弱的，必须进一步放大，才能以足够的功率推动指示或记录仪器，将其记录下来。专门用来完成这一任务的装置就是电阻应变仪。

静态电阻应变仪：工作频率为0赫，用以测量静应变。当多点测量时必须配用多点预调平衡箱，以解决接点和预调平衡问题，其中又分为手动预调平衡和切换（如YJ-5型、YJB-1型）及自动预调平衡和切换（如YJZ-4型）两类。岸桥起重机拉杆应力测试通常采用的型号为YJ-26型。

参考文献：

[1]蒋国仁主编.岸边集装箱起重机.湖北：湖北科学技术出版社.2001.11.

[2] 张秉荣、李泽培主编.工程力学.北京：机械工业出版社.1994.5.

[3] 沈久珩主编.机械工程测试技术.北京：冶金工业出版社.1985.5.