水工门式启闭机金属结构应力测试与分析

徐罗军，谢学武，徐超，余桥芳

（1.湖北特种设备检验检测研究院宜昌分院，湖北 宜昌 443000；2.武汉先思科技有限公司，湖北 武汉 430000）

水工门式启闭机广泛安装在中大型水力发电站坝顶，用于开启或关闭钢闸门、拦污栅，属于一种专用的起重设备。由于水工门式启闭机工作在潮湿环境中，在工作中受到重载作用，经过一定年限的服役，主要受力结构件表面会出现腐蚀、裂纹、变形等缺陷，结构件或连接件表面的缺陷将影响水工门式启闭机的结构强度,尤其是服役时间较长或使用时间趋近于设计寿命的水工门式启闭机,在恶劣工作环境中受到腐蚀，影响生产安全。为了保证生产安全，有必要对该类设备进行安全评估，对其金属结构进行应力测试是安全评估的重要项目之一。

1 应力测试技术介绍

应力测试技术是一种较为成熟的测试技术手段，该技术是利用监测仪器来监测受力结构的应力变化，在进行水工机械进行安全评估过程中，应力测试技术能够准确判断出水工机械钢结构强度实际情况，给整机的安全评估提供参考。目前，国内外在结构应力检测方法的研究应用上，主要有电阻应变测试法、PVDF（聚偏氟乙烯Polyvinylidene Fuoride)压电薄膜测量法、基于图像处理的结构应变测试法三种。电阻应变测试法是将电阻应变片利用胶水或其他办法直接粘贴在被测试件的测点部位处，随着被测试件应变位移的变化，而引起应变片的纤维伸长或缩短，从而产生电阻变化。电阻的变化由电阻应变仪转换为其他信号输出，然后，通过放大、滤波等信号处理方法，最终得到有效的应变值。电阻应变测试法通常分为惠斯通电桥法和TDC（时间数字转换技术 Time-to-Digital Converter）测试法。惠斯通电桥法是将应变片敏感栅的阻值变化变换为电压的变化值，TDC测试法是通过电容充放电时间的变化来反映应变片电阻值的变化。

在实际的结构应力检测中，一般分为静态应力应变检测和动态应力应变检测。通过静态应力应变检测，可以获得被测试件的应力应变分布规律和应力集中情况的相关信息，根据检测得到的试件强度来判断金属结构设计是否合理。通过动态应力应变检测，可以确定试件的动态应变随时间变化的规律，利用雨流计数法对其进行频谱分析，编制随机载荷谱，从而对其疲劳裂纹和疲劳寿命进行研究。

2 水工门式启闭机金属结构应力测试

本文以某大型水电站2×125T拦污坝门式启闭机为研究对象，使用应力测试设备对启闭机在不同工况下的状态进行应力测试，收集数据并进行整理分析。在应力测试点的选择过程中，根据有限元分析和仿真软件模拟结果得到的水工门式启闭机中应力较大和应力集中的部位为具体测试点。测试过程中，不仅测定门机结构在工作过程中所受的最大应力，还用测试结构来验证有限元分析结果的正确性。最终目的是确认门式起重机危险部位的应力大小，为之后的可靠性评估报告提供依据。

2.1 水工门式启闭机金属结构组成

水工门式启闭机主要钢结构分为两个部分，分别是上部的小车钢结构和下部的门架钢结构。小车钢结构主要包括前梁、后梁、侧边梁、箱型梁、主梁和日字梁，其中起升机构布置在小车钢结构上，在工作过程中所用载荷的压力均通过卷筒支座传递到小车钢结构上。门架钢结构主要包括立柱、底梁、中梁、上部横梁、上部联系梁。门架主梁上部为小车运行轨道，小车承受的压力通过车轮传递到主梁上，门架下部支腿连接上主梁和下部的行走机构。

2.2 测试流程

水工门式启闭机钢结构的应力测试一般采用常见的传统应力测试法——电阻应变测试法，详细的测试流程见图1。测试前确定现场电阻应变片的粘贴工艺，主要包括应变片的准备、测点位置的处理、贴片、导线的焊接与固定以及应变片粘贴的质量检查，特别是现场贴片的质量直接影响着应力测试的准备度。现场贴片完成后，按照不同的工况进行动态测试和静态测试，实施数据收集处理，最后根据数据对金属结构不同测点的应力情况进行分析。

图1 应力测试流程图

2.3 测点选择

根据有限元分析的应力应变结果显示，起重机上部小车结构比下部门架钢结构的最大应力、应变值高出很多如图2、图3所示，故此次测试的测试点均分布在上部小车结构和门架主梁结构上，且根据起重机的结构及工作特点，本次测试的测试点均安排在小车结构的对称轴的一侧。

图2 小车结构受力仿真图

图3 门架结构受力仿真图

考虑到测试时的布线问题，将测试仪器布置在门架钢结构顶部平台中的灰色区域（如图4所示）。同时，小车上所有处于上方的测试点（前梁测试点除外）的导线经日字梁（如图5所示）与主梁交界处延伸至前梁中部，由小车行走机构的电机所在处引出（前梁测试点的导线也从这里引出），然后，至门架钢结构顶部平台，到测试仪器的布置位置；小车上所有处于下方的测试点（前、后梁测试点除外）的导线经日字梁与主梁交界处延伸至箱型梁下方，再沿箱型梁引出至门架钢结构顶部平台，到测试仪器布置位置（前梁测试点的导线直接向右引出至测试仪器布置位置，后梁测试点的导线直接向右引出至门架钢结构顶部平台上，再引至测试仪器布置位置）；小车车轮处的测试点的导线引出至门架钢结构顶部平台，到测试仪器布置位置。

图4 测试平台布置图

图5 小车结构示意图

参考有限元分析（见图1、图2）得到的应力应变理论分析结果，决定测试的所有测试点主要分布在小车车架上和门架主梁中央处。所有测试区域的测试点均使用单向应变片（5.5×3mm）或应变花（10×10mm）中的一种。

2.4 应变片的准备及构件测点部位表面的处理

在准备贴片前，将待用的应变片利用放大镜进行外观检查，利用万用表进行阻值测量。外观检查目的在于观察敏感栅有无锈斑，裂缝、断丝、缺陷，是否排列整齐，基底和覆盖层有无损坏，引线是否完好。阻值测量使用数字万用表进行，目的在于检查敏感栅是否有断路、短路，并进行阻值分选，确保应变片可以保持在最理想的状态，对于共用温度补偿的一组应变片，阻值相差不得超过±0.5。同一次测量的应变片，灵敏系数必须相同。

对测点表面进行打磨处理，要清除表面油漆、氧化层和污垢，然后磨平或锉平，用砂纸进行打磨,保证测点表面光滑程度达到要求。打磨面积约为应变片面积的5倍左右，打磨完成后，用划针轻轻划出贴片的准确位置。最后，用棉球蘸取无水酒精对打磨部位进行反复擦拭，直至棉球上见不到污垢为止。

2.5 贴片及质量检查

待清洗剂挥发后，测试人员戴上聚乙烯材质手套，首先，在贴片位置滴一点502胶，用应变计背面将胶水涂匀，然后用镊子拨动应变片，调整位置和角度。定位后，用手指轻轻按压应变片，挤出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。用透明胶将应变片的引脚线固定在测点旁，将引线和导线进行锡焊连接。

应变片贴好后，主要对其外观、电阻以及绝缘电阻进行检查。外观检查：观察贴片方位是否正确，应变片有无损伤，粘贴是否牢固和有无气泡。电阻测量：利用万用表检查有无断路、短路情况，贴片前后应变片阻值应无较大变化。绝缘电阻测量：利用绝缘电阻测试仪检测应变片的基底的绝缘电阻是否在可靠范围内（大于200MΩ）。待上述检查完毕，确认贴片质量较好后，在应变片上涂上704硅胶对已贴好的应变片进行密封防护处理,并将导线用胶带固定，导线两端应根据测点的编号做好标记。

2.6 现场数据采集及处理分析

现场测试采用两台静态应变仪（120通道）并联，具体的采集方式选择公共补偿的连接方式即1/4桥的方式对应变片进行连接，为了保证测试的准确性，在第一列全部贴上补偿片，在每个采集通道里面依次设置连接方式、材料属性、灵敏度系数、导线电阻等，同时，对所有通道及其电阻平衡清零且导出零点。

将现场采集的数据利用表格的形式进行记录、处理分析，具体如表1、表2。

表1 75t载荷下主梁各测点的应变数据表

表2 75t载荷下主梁各测点的应力值及安全系数表

测试结果分析：根据设计计算书和结构受力情况，确定测试工况在75t状况下，通过对比，主梁底部最大应力出现在测点2，即该点为最危险应力点，安全系数为14.6，其最大静态应力尚未超过设计值和许用值。

3 结语

应力测试技术作为一种成熟的技术广泛应用到大型设备的安装、改造以及安全评估中，这种技术既不会对被测试件造成损伤,也不会改变相应材料的力学性能,精准的应力应变测试不仅可以对计算模拟结果进行验证与优化，还能为设备运行、安全评价提供可靠性建议。

尽管应力测试已被广泛应用，但每种应力测试方法都存在其局限性。应变片是由一层很薄的金属薄片形成，其本身的属性决定了其在测试过程中会受到结构、温度或其他不确定因素的影响，从而产生零点漂移现象；在进行应力测试时，如果是设备工作环境差、温差大的情况，会使被测结构产生的应变发生变化，导致测应力和实际应力相差较大，这些都会造成测量结果的不正确。在实际测试过程中，要注意避免这些问题，才能保证测试结果的可靠正确度。