（机械工程专业论文）桥式起重机主梁挠度激光测试技术的研究.pdf

哈尔滨t 业大学t 程预l 学位论文 摘要 在桥式起重机的安全监测过程中，主梁挠度是认识起重机安全状况的重 要手段。目前，针对测量主梁挠度的方法，即拉钢丝法、水准仪法、经纬仪 法所存在的不足，急需研究种方便、高效的适用于测量主梁挠度的新方 法。鉴于实际工作的需要，在研究的基础上开发了主梁挠度检测系统。 本课题分析了激光测量主梁挠度的可行性，提出了空载和试验载荷下测 量挠度的新方法，从而避免了由于现场没有额定载荷而无法进行试验的弊 端。本设计采用半导体激光器，经过透镜准直后，投射到四象限光电池的感 光面上，由四象限光电池对中系统跟踪光束中心后，通过容栅式位移传感器 识别出位移的变化，再将此变化输出给a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机采集。由于容栅 式传感器的输出时钟信号高达9 0 k h z ，单片机采用一般方法难以采集到， 为此，设计了一套专门的信号接口电路。在分析传感器输出信号时序的基础 上，发现两个输出数据之间有一段很长的的低电平段，决定利用此段采用查 询的方法进行接收数据，实践证明，取得了较好的效果。单片机将测量数据 通过通讯程序传输给p c 机。通过p c 机对测量值的处理，在显示屏上直接 显示出主梁拱度值和挠度变化曲线。p c 机上的数据处理程序采用可视化编 程语言d e l p h i 编写，特点是直观、方便，便于程序化编程。 通过现场实验数据验证了主粱挠度激光测量方法的准确性、可靠性。具 有体积小、性能可靠、测量精度高等优点。激光测量桥式起重机主梁挠度的 检测方法只是将激光技术应用于起重机安全监测的一次初步尝试。随着检验 技术的不断发展，激光技术在起重机安全检验方面会发挥出更大的作用。 关键词挠度：激光测量；单片机；传感器 塞尘堡三些奎兰三堡堡! ! 兰竺篁兰 a b s t r a c t i nt h es a f e t ym o n i t o r i n gp r o c e s s ，t h eg i r d e rd e f l e c t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a n s t ok n o wt h es a f ec o n d i t i o no ft h ec r a n e a tp r e s e n t ，i t 。s u r g e n t t o s t u d yan e w m e t h o du s e df o rd e f l e c t i o nm e a s u r e m e n ti nt h eg i r d e r ，w h i c hi sm o r ec o n v e n i e n t a n de f f i c i e n tt oc o m p a r ew i t ht h r e ec u r r e n t l yu s e dm e t h o d s ：p u l l i n gs t e e lw i r e m e t h o d ，l e v e lm e t h o d ，t h e o d o l i t em e t h o d a c c o r d i n gt o t h ed e m a n do fa c t u a l w o r k ，t h i sp a p e rd e v e l o p s t h e g i r d e r d e f l e c t i o ne x a m i n a t i o ns y s t e mo nt h e i n v e s t i g a t i v ef o u n d a t i o n t h i s p a p e ra n a l y z e s t h e a p p l i c a t i o np o s s i b i l i t y o fl a s e rm e a s u r i n gg i r d e r d e f l e c t i o n ，p u t sf o r w a r dt o an e w m e a s u r i n gm e t h o d t h e l a s e rd e v i c ea d o p t s s e n t i c o n d u c t o rl a s e r a f t e rl e n sa l i g n m e n t ，l a s e rb e a mp r o j e c t st of o u r e l e m e n t p h o t o e l e c t r i c c e l l ss e n s i t i v em a t e r i a l i tf o l l o w st h e l i g h t b e a mc e n t e ra sa c o r e ，t h e np u t s t ou s e d i s p l a c e m e n t s e n s o ro fv a r i a b l e c a p a c i t o ri d e n t i f y i n g d i s p l a c e m e n tv a r i e t y ，a n d d a t aa r e o u t p u t t o s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r a t 8 9 c 2 0 51 c o l l e c t i n g b e c a u s ed i s p l a c e m e n t s e n s o ro fv a r i a b l e c a p a c i t o r o u t p u t su p t o9 0k h zc l o c k s i g n a l ，s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r t h a t a d o p t s g e n e r a lm e t h o di s h a r dt oc o l l e c ti t b a s e do na n a l y z i n gs e n s o r s s i g n a lt i m e s e q u e n c e ，i ti si n d i c a t e dt h a ts e n s o r ss i g n a lo u t p u th a sav e r yl o n gp e r i o do f l o w - e l e c t r i c a l1 e v e lb e t w e e nt h et w od a t a t h i sd e s i g nm a k e su s eo fi n q u i r ym e t h o d r e c e i v i n gt h ed a t at h a tb e g i n sw i t ht h el o we l e c t r i c a l l e v e l f a c tp r o v e st h a ti t b r i n g sa b o u tg o o dr e s u l t s a f t e ri t c o l l e c t st h e d a t a ，s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r t r a n s f e r st op cb yt h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m p c 。sd a t ap r o c e s s o r sa r ew r i t t e n w i t hv i s i b l ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ed e l p h i ，w h i c hi se a s yf o rd e b u g g i n gi nt h e l a bp cc a nd i s p l a yt h ec a m b e rv a l u ea n dd e f l e c t i o nd i a g r a mo fg i r d e ro nt h e s c r e e n ，i tc o m e s t ot h ea n t i c i p a n tr e s u l t t h ef i e l d t e s t i n gd a t av e r i f i e st h a tt h em e t h o do fl a s e rm e a s u r i n gg i r d e r d e f l e c t i o nh a sg o o da c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y , a n di th a ss o m eo t h e ra d v a n t a g el i k e s m a l lv o l u m e ，r e l i a b l e p e r f o r m a n c e a n dh i g hp r e c i s i o n ，e t c a l o n gw i t h t h e e x a m i n a t i o n t e c h n i q u ed e v e l o p sc o n t i n u o u s l y ，l a s e rt e c h n i q u e w i l lp l a yab i gr o l e i nt h ea s p e c to fc r a n es a f e t ym o n i t o r i n g k e y w o r d s d e f l e c t i o n ，l a s e rm e a s u r i n g ，s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r ，s e n s o r 哈尔滨工业人学工程硪卜学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 起重机械是用来对物料起重、运输、装卸和安装等作业的机械设备。在现 代生产中，起重机不仅在物料运输领域起着重要作用，而且有些起重机直接参 与生产工艺过程，大大减轻了体力劳动，提高劳动生产率，实现生产的机械化 和自动化。同时起重设备还进入人们的工作和生活领域，例如公共场所的电 梯、娱乐场所的大型升降游艺机等，提高了人们的生活和生存质量。 目前广泛使用的起重机械主要有：桥式起重机、龙门吊、建筑用的塔吊、 铁路用的轨道吊、汽车吊、港口用的门座式起重机、装卸桥、电动葫芦等。之 所以把桥式起重机( 以下简称桥吊) 作为这次课题研究的重点，主要考虑到桥 式起重机是起重机械中最为重要的个组成部份，其应用在国民经济的各个生 产部门。 桥吊主要由桥架和起重小车组成，桥架沿铺设在桥墩上的轨道前后运行， 起重小车依靠小车运行机构沿上部主梁左右运行，加上使货物上下运动的起升 机构，就能将货物运至其跨度内的任意位置。桥吊是工作条件十分繁重的重型 机械设备，其载荷复杂多变，其一般体积较大，起重量较高，承受载荷大，承 受的载荷不固定，经常频繁的起升、制动、走行，往往几个动作同时进行，对 吊车的金属结构影响较大，极易造成金属结构的损坏，天长地久势必影响起重 机的安全运行。 1 2 课题的来源及研究的目的和意义 在起重机的金属结构组成部分中，主梁是承受弯矩、剪切、扭矩等复杂载 荷最为重要的一个受力部件，它担负着货物起升、下降、小车运行等多种复合 运动。主梁常见的变形有跨中出现下挠、旁弯，主梁腹板出现波浪变形等，其 中尤以主梁跨中下挠危害最大，主梁在载荷作用下产生下挠变形，使小车轨道 有一定的坡度，上坡时产生运行打滑，停车时出现自动滑移，极易带来险性事 故。为此，主梁预先设计有一定预拱度，使主梁弹性变形的曲线无论在空载或 满载均较为平缓“3 。但随着负载的长期作用，不可避免的会使预拱度降低，进 哈尔滨工业大学工程硕0 学位论立 而出现下挠变形，这对起重机安全是极其不利的，必须加强定期检查和监测。 国务院总理2 0 0 3 年6 月签署实施了第3 7 3 号国务院令，公布了特种设 备安全监察条例，这是国家正式以法律文件的形式将起重机械的安全管理和 检验检测纳入法制轨道上来，由此可见，起重机械在国民生产活动中处于十分 重要的地位和作用。对起重机这类特种设备实施有效的安全检查，对其性能进 行试验鉴定，是保证起重设备安全状态的重要环节。在此背景下，国家迫切需 要出现一种新型的起重机械检测仪器，能够迅速、准确地反映出起重机的钢结 构变形便显得十分重要。 本人目前在哈尔滨铁路局特种设备检验中心工作，由于受到黑龙江省质量 技术监督检验检疫局的授权，检验中心是哈尔滨铁路局下属的唯一一家负责全 局起重设备定期检验、验收检验、寿命检验的检验机构，主要担负着全铁路局 范围内的起重机械的安全检验工作。经过多年实践工作的摸索和经验的积累， 发现大多数桥吊主粱变形乃至失效都发生在跨中部位，轻者造成小车下滑，制 动失效，重者造成主梁开焊裂纹，甚至断裂报废，这会给铁路事业造成无法弥 补的损失。因此，在起重机的安全检测中，主梁的上拱度是分析机械使用状 态、使用寿命的最重要的指标之一。目前全铁路局共有2 0 0 0 余台起重机，遍 布黑龙江、吉林、内蒙古等地，若采用拉钢丝、水准仪等测量方法，实在难以 完成检验任务。苦于现状，迫切需要一种新型的检测仪器，以便准确、快速的 反映出起重设备的现状。正是在这种情况下，开发了以激光准直测量为基础的 桥吊主梁挠度检测系统。 1 3 国内外发展现状 起重机主梁挠度检测是起重机健康安全检测的一部分。起重机械的安全检 验始于1 9 世纪7 0 年代，经过1 0 0 多年的发展，在检验手段和检验技术上有了 相当大的发展。比较典型的是美国机械工程师协会( a s m e ) ，它们制定的 a s m e 规范目前已经成为世界上公认的超重机械等特种设备管理、检验权 威规范，其中详细规定了特种设备的制造、安装、使用、维修、检验等方面的 内容。英国的技术检查联合机构( a o t c ) 、德国的技术检验协会( t u v ) 也都详 细制定了检验方法。尽管各国在起重机主梁挠度的检验标准上有所不同，但都 把此项指标作为起重设备设计、检验的重要内容，并总结了一套完整的检验检 测方法，使起重机主梁挠度检测成为起重机安全性能的一个重要的量化参考数 值。 哈尔滨工业大学丁程硕上学位论文 1 3 1 国内发展现状 目前测试桥吊空载、重载上拱度的方法主要有拉钢丝法、水准仪法、挠度 计法、经纬仪法“1 。 1 3 1 1 拉钢丝法用直径为中0 4 9 o 5 2 m m 的钢丝，1 5 0 牛拉力在主梁上盖板 宽度中心拉直，但要避开轨道压板。在主梁端部用两根等高块置于钢丝下，使 钢丝压紧等高块，并垂直于主梁上盖板和钢丝，然后用直尺逐次测量出钢丝与 主粱上盖板表面之间的距离，然后将数据记录下来，从而计算出主梁跨中的上 拱度。此种方法的优点是所需设备极其简单，操作比较容易，但钢丝拉力不好 掌握，同时钢丝具有一定的弹性和韧性，拉直以后本身便具有一定的下挠度， 钢丝下挠对测量的数值影响很大，因此测出的数据准确性较差。”。 1 3 1 2 水准仪法将水准仪架在主梁端部，用一直尺在主梁各点待测部位依次 放好，把水准仪的望远镜的十字划对准直尺的刻度，并依次读出数值”1 。但是 直尺在两米左右以内，测量时有盲区，无法读数；支座振动对测量效果影响很 大；当跨度超过3 0 米以上时，一般水准仪读尺模糊，不容易调焦，影响精 确：并且许多吊车的小车与主梁上盖板之间的间隙较小，上盖板宽度又较窄， 迫使水准仪的水准线必须从小车下部穿过，而水准仪本身有一定的高度，造成 水准线穿不过去，无法读数。 1 3 1 3 挠度计法将一根带有细钢丝的线坠，用磁性座吸附在主梁跨中的下 部，钢丝中间缠在一个滑轮上，滑轮与个百分表相连，在试验前把百分表进 行调零后，使吊车主梁受载产生下挠变形，变形后，重力线坠带动滑轮转动， 从而带动百分表的指针转动，从转动的数值上可以直接读出下挠值。 l 3 1 4 经纬仪法把一个带有刻度的直尺吸附在主梁跨中部位，将经纬仪调水 平后，使其镜头中的十字划线对准尺上的某一刻度，然后使起重机主梁受载变 形后，从经纬仪镜头中十字划线变动的数值，便可以直接读出主梁的下挠值。 挠度计法、经纬仪法只能测量主梁的受载变形情况，不能反映出空载情 况。 1 3 2 国外发展现状 国外对桥式起重机金属结构健康监测的研究是从金属梁的健康监测研究开 始的，并开发了相应的光纤传感器。_ “。 m a 和a s u n d i 采用光纤偏振传感器( f o p s ) 和光纤弯曲传感器( f o c s ) 哈尔滨工业大学工程硕七学位论文 剥带不同裂纹的金属梁进行了整体健康监测。1 。试件的刚度下降和含裂纹梁的 损伤程度分别采用静态损伤因子( s d f ) 和动态损伤因子( d d f ) 描述。传感 器粘贴在铝梁底面中心，并得到结论：随着裂纹数量和长度的增加，铝梁的刚 度下降，和裂纹数量相比，裂纹长度对铝粱刚度的影响更大。二类传感器都可 以作为结构健康监测的定量监测元件。 h a l e 首先采用光纤传感器监测金属结构的疲劳裂纹”1 。将光纤用高模量粘 接剂粘在结构表面上，若结构开裂到光纤下，造成纤维断裂，传输的光就会衰 减，这种衰减可在远处检出，这就是裂纹适时检出装置的基本原理。h a l e 用包 覆光纤监测了金属板孔边裂纹的扩展。所用光纤芯径为1 0 0 u r n ，光纤外包覆直 径为1 4 0 u m 的聚合物以保持光纤强度，将光纤粘贴在待测结构表面上，用红 外衰减检出电子装置检测光的衰减。 l e e 等人采用基于强度的光纤传感器( i o f s ) 研究了由循环载荷引起的低 碳钢疲劳裂纹扩展的监测问题“3 。试件裂纹的起始长度为l m m ，采用m t s 液压 试验机对试件施加频率为4 h z 的正弦波形循环载荷。i o f s 将采集的数据经过 a d 转换后传送给计算机，计算机再将分析结果实时地显示到监视器上，从而 实现钢板疲劳裂纹扩展的实时监测。i c h i n o s e 等人也通过与此类似的方法采用 光纤传感器研究了由循环载荷引起的钢结构破坏区域的监测问题“”，。 加拿大r o t s e t 公司基于f a b 研一p e r o t 白光干涉原理研制的光纤传感器，具 有很高的精度和重复性。可安装在材料的表面或内部，连续地对诸如应变、应 力、位移、裂缝、孔隙压力、温度等状况进行监测“。”1 。f a b r y - - p e r o t 传感器 是在光纤中制造个真空腔，当光束通过传感光纤入射到腔内时，会在真空腔 的两个端面分别反射，并沿原路返回，此真空腔称为光纤珐珀腔( f p 腔) 。 如果用光纤把f p 腔与光源及光电探测器连接起来就可构成检测系统，只要 监测光纤f p 腔的腔长便可知结构的变形量“3 。 上述研究在起重机整体健康监测上做了很多工作，对多种影响因素进行了 基础性研究，但还没有设计出成型的仪器，推广起来还需一定时间“。 1 4 本文主要研究的内容 通过研究有关资料，我发现，激光技术只要解决得好，势必成为起重机挠 度检测的发展方向，因为它在工程测量中具有不可替代的优越性，具有准确快 速的特性，这币是我们检验机构不断追求的目标之一。激光具有方向性好、高 光亮度等特点，非接触、测量快“”。正是具有这些特点，可以说到目前为 1 i i ： 尔滨工业大学工程坝：i 学位论文 止，它是作为准直器件当中最为理想的一个工具。目前，激光已广泛应用于军 事、医疗、精密测量、大型建筑安装、印刷照排、微细加工、全息照相等各个 领域，但就起重机安全检验方面来说，国内还没有将激光技术应用到起重机拱 度检测方面的仪器，本课题将对激光技术进行深入研究，设计出一套符合实际 要求、测量准确、快速的起重机挠度检测仪器。 经过多次研究分析，发现若采用激光作为准直部件，相应的配以光接收器 以及数据分析部件，便可很好的解决桥吊主梁挠度检测问题。为此，着重从以 下几方面进行研究： ( 1 ) 激光测量挠度方法的可行性论证，确定主梁上拱度、下挠度、上拱度 曲线的激光测量方法。 ( 2 ) 由于检验现场大多没有额定载荷，研究在没有额定载荷的情况下，进 行主梁跨中下挠度的测量问题。 ( 3 ) 准直系统设计问题，本方案设计要求激光在4 0 米处仍具有很好的准 直效果，目前激光准直技术大多应用于精密短距离准直测量，如何保证激光长 距离准直，这是一个必须解决的问题。 ( 4 ) 光束中心跟踪问题，由于光电接收靶随着主梁上拱的变化，会不停地 上下移动，从而造成激光光束中心变化，必须研究一套传感器系统能够跟踪光 束变化，并将此变化用数值的形式存储起来。 ( 5 ) 数据处理采用单片机作为数据处理的核心部件，将单片机从传感器采 集来的数据上传给p c 机处理，并在屏幕上显示出上拱度曲线图和上拱度值。 ( 6 ) 精度分析必须根据具体的测量数据，分析激光测量主粱挠度方法的精 度和稳定性以及应用范围，验证采用试验载荷进行主梁跨中下挠度测量方法的 币确性。 哈尔滨工业大学1 ：程颂1 一学位论文 第2 章激光测量主梁挠度技术分析 2 1 主粱变形的危害性 主梁是桥式起重机的主要结构件，在载荷的作用下主梁会产生弹性的下挠 变形，给承载小车增加运行阻力。为了补偿主梁由其自重和载荷作用产生的下 挠变形，设计要求将主梁按一定曲线做成有上拱度的梁。按g b t 1 4 4 0 5 - - 1 9 9 3 通用桥式起重机标准规定主梁上拱度应在( 0 9 - - 1 4 ) s ( s 为超重 机跨度) 范围内。上拱度是起重机主梁设计与制造中的主要问题，在实际生产 中可采取不同的方法获取设计规定的上拱度。主梁下挠度是桥式起重机安全技 术检验中的一项重要指标。主梁刚度不足，会造成主梁承载后下挠过大，从而 影响起重小车的使用性能，增大其运行阻力，使重载小车向跨端运行时爬坡或 向跨中运行时溜车，引起制动定位不准确，而且恶化了主梁的受力状况，使主 梁发生永久变形，容易造成事故“8 。”3 。 2 2 主梁下挠变形危险点的确定 主梁下挠曲线如图2 - 1 所示，主梁可以简化为简支梁来计算其下挠”0 1 。主 梁下挠可表示为 图2 - 1 主梁下挠示意图 f i g u r e2 - 1d e f l e c t i o ns k e t c hm a po f g i r d e r 驴一巡篆半( a c s t )1 ) 哈尔滨工业大学工程倾1 ：学位论义 式中p 外载荷； a 外载荷作用点距a 端的距离； b 外载荷作用点距b 端的距离； 主梁跨度； e 弹性模量； ，截面惯性矩； 。a c 段的挠度曲线。 由公式( 2 - 1 ) 对x 求导可以得出，在x = ( 三2 一b 2 ) 3 处，主梁的最大挠度 为 t = 剑9 坠- 压e j 塑l ： ( 2 2 ) 再由公式( 2 2 ) 对b 进行求导可以得出，在b = l 2 处挠度最大。即当 a = b = l 2 时，最大挠度发生于主梁跨度中点。 当l b 时，即p 接近右端支座，那么x = 三4 5 0 5 7 7 l ，发生最大挠度 的地方仍接近于中点。 由此可见，跨中是主梁下挠变形上最不安全的一点。 2 3 测量方法 挠度测量分为两部分，一个是空载时的跨中上拱度，一个是受载时的跨中 下挠度。测量时，激光准直器置于端梁上表面上，光束可根据需要通过垂直水 准器调整成水平线，在水平面内可有微小的活动夹角。如中途有物体遮光，可 适当调整激光器高度，便于光电接收靶在全量程内接收激光光点。 2 3 1 主粱跨中上拱度 将空载小车停在桥架跨端，激光准直器置于主梁一端梁上面，向主梁另一 端发射光束，用光电接收靶上的四象限光电池跟踪光点，分别在两跨端和跨中 有筋板的上盖板处取光点。由容栅式位移传感器将相应的数字信号输给单片机 采集，再由单片机传给p c 机处理。测量方法如图2 2 所示。常用的桥吊主梁 跨中上拱度允许范围如表2 - 1 所示。 堕垒堡三些奎耋三辇璧圭耋堡丝兰 87 6 5 l 、激光准直器2 、激光束3 、光电接收靶4 、小车位置 5 、上翼缘板6 、腹板7 、下翼缘板8 、端粱 图2 2 主梁上拱度测量方法 f i g u r e2 - 2m e a s u r i n g m e t h o do f c a m b e r 表2 1 常用桥吊主梁跨中上拱度允许值表 t a b l e2 - 1a l l o w a b l ec a m b e rv a l u e so f u s u a l o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n ei nt h em i d d l eo f s p a n 跨中k 拱度( m m ) 跨度( m 1 上限 下限 1 0 51 47 094 5 1 3 51 8 9 01 2 1 5 1 652 3 1 01 48 5 1 9 52 7 3 01 75 5 2 253 1 ，5 02 0 2 5 2 553 5 7 02 2 9 5 2 853 99 02 5 6 5 3 1 54 41 02 8 3 5 主梁跨中上拱度为 居中= _ 一半 8 ( 2 3 ) 哈尔滨工业太学_ 程顺l 学位论文 式中h j 主梁跨中光高值( 册) ； 啊，h ：主梁两端光高值( r a m ) 。 2 3 2 主梁上拱曲线 测量方法与检测跨中上拱度基本相同，只是此时不是检测三个点，而足 每隔一段距离测一个点，由位移传感器测出每一点的光高值，并传给计算机。 通过不同测量点的数值不同，可以画出一条主粱上拱度的实际曲线。在主梁上 平均分布的测量点数越多，则曲线越接近真实曲线。并根据这条实际上拱度曲 线，分析出相应的理论上拱度曲线，通过对比两种曲线，找出上拱度值差别较 大的部位进行主梁补强处理。同时桥吊是每两年进行一次安全检测，可以与历 次检测出的l 拱度曲线进行比较，发现上拱度下挠的速度，再结合工作量的大 小，判断出其发展趋势，从而为桥吊维修、大修、报废提供量化的参考值。 2 3 3 主粱跨中下挠度 测量方法如图2 - 3 所示。 4 1 、激光准直器2 、激光柬3 、光电接收靶4 、小车位簧 图2 3 主梁跨中i 卜挠度测量方法 f i g u r e2 - 3d e f l e c t i o nm e a s u r i n g m e t h o do f g i r d e ri nt h e m i d d l eo f s p a n 将空载小车停在跨中，提升额定载荷离地后，稳定悬挂在空中适当高 度，悬停1 0 分钟后，按照检测跨中上拱度相同的方法检测跨中下挠值。2 。 堕堑堡二些查耋：! ；堡竺：耋堡丝兰 ：。：一 ! = _ e = 2 e = ! _ e = = ! = = e = g ! = _ 一 跨中下挠度 f t = f 高二p f | ( 2 - 4 ) 式中厶主梁上拱度( m ) ； 按测量上拱度方法测得的虚下挠度( m m ) 。 一j 一半 5 ) t ，砖矗i 相当于测量上拱度时的a ，h - ，h 2 。 从式( 2 4 ) 可知，当一= 0 ，一= 厶十，主梁为水平；当 后十，主梁下挠：当 o ， ，跨十，主梁保留上拱度。 额定载荷作用在主梁跨中的下挠度为 ，一旦 ( 26 ) 。4 8 e 式中p 额定超重量( k n ) ； 三主梁跨度( m ) ； e 弹性模量( k n m 2 ) ； l ，截面惯性矩( r f l m 4 ) 。 箱形截面的惯性矩 a 以( 祭等圳埘+ 等 ， 式中a 瑷一块翼缘板的截面积，a 翼= 6 岛； 占腹板的总厚度，占= 匹+ 巧z ； b 翼缘板宽度； 主梁高度。 各种尺寸标注如图2 4 所示。 每一种起重量、跨度的桥吊所对应的主梁截面尺寸是有国家标准规定的， 所以惯性矩可以由公式( 2 7 ) 算出。不同起重量、跨度的桥吊在额定载荷作用 下的主梁跨中下挠度值。如表2 2 所示。 哈尔滨工业大学工程硕1 学位论文 l l 西岛 l 一 h r 0 l l l 、f 千 b 图2 - 4 主梁截面示意图 f i g u r e2 - 4s e c t i o n a ld r a w i n go f g i r d e r 表22 现行通用桥吊额定载荷f 的跨中截面下挠度允许值表 t a b l e2 - 2a l l o w a b l ed e f l e c t i o nv a l u e so f c u r r e n tb r i d g ec r a n ei nt h em i d d l eo f s p a nw i t hr a t e d l o a ds i t u a t i o n 起重量( t ) 51 01 6 2 0 53 2 55 0 1 0 起重高度( m )1 51 51 41 21 4l i 工作级别 666 666 跨度( m )跨中截面允许值( m m ) 1 056 8 71 15 3 7 6 08 5 79 1 71 0 7 0 1 3 578 81 3 4 51 17 01 5 4 71 49 91 4 5 4 1 65g 8 81 7 0 41 99 4 1 98 81 8 0 51 9 5 6 1 951 0 3 31 8 0 02 l 3 32 1 3 4 2 06 02 26 0 2 251 0 6 81 8 8 32 4 0 52 38 52 43 72 71 0 2 551 0 9 61 8 7 72 50 02 6 4 92 61 82 9 2 9 2 8 ，51 11 91 91 82 7 1 92 72 02 9 4 83 3 3 0 3 i51 1 9 22 0 5 02 9 2 5 2 9 4 4 3 28 i3 71 0 哈尔滨1 ：业大学t 程碗j 学位论文 4 试验载荷下的下挠度检测 尽管上二面给出了检测方法和数据处理过程，但在国家标准的规定中，桥式 起重机的下挠度检验需进行满负荷试车( g b t 1 4 4 0 5 1 9 9 3 通用桥式起重机) ， 这对于小吨位桥式起重机而言，配重比较容易；但是对于大吨位桥式起重机而 占，配重工作很困难，有时甚至无法实现。“。为此，本方案提出一种在不满载 试车的情况下，进行主梁挠度检测的方法。 2 4 1 主梁下挠度检测的理论依据 国标提供的允许值仅是在额定起重量下的值，对于未达到该起重量的下挠 度允许值，根据弹性理论通过近似办法给定较为合理。 试验允许下l 挠度计算式为 f ：逝( 2 - 8 ) “ a 。 式中f 试验起重量下的计算允许下挠度； g 。试验起重量； g 。额定起重量； 【厂】额定起重量下的下挠度允许值，其值参照表所示。 主梁下挠度合格的判定条件： ，茎工 ( 2 - 9 ) 式中，试验起重量下测得的下挠度实测值； f 试验起重量下的计算允许下挠度值。 2 4 2 测量方法 测量方法与前面所述的主梁下挠度检测方法相同，只是此时的起重量不是 额定载荷，而是比额定载荷小得多的试验载荷。通过逐步加载的方法，测出在 不同的试验载荷下主梁跨中的下挠度值，从而画出一条下挠度曲线。由于主梁 基本是弹性梁，由上述弹性理论可知，在不同载荷下的下挠度值连起来应为一 条正比例直线，画出这条直线以后，便可以预知额定载荷下的主梁跨中下挠度 值，为判断主梁状况提供量化依据。 哈尔滨工业大学t 程硕 学位论文 2 4 常用的主梁上拱度曲线 拱度曲线分析：主梁按一定曲线作出上拱度，跨中拱度的设计值一般取 跨= s 1 0 0 0 ，式中s 为主梁跨度。上拱度曲线在跨中两侧呈对称分布。“。 现在上拱度曲线一般有二次抛物线、正弦曲线以及四次函数曲线。这三 种曲线以跨端为原点的计算公式为 二次抛物线： y = 4 后, t i x 导 ( 2 一i 0 ) j 日玄曲线： y 2 后十s i n l 8 0 。 ( 2 1 1 j 四次函数曲线： 川s 赫掣 2 ( 2 - - 1 2 ) 式中砖中主梁跨中最大上拱度值( m m ) 。 以跨度3 1 5 m 的桥吊为例，由公式( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 21 2 ) 每隔一段距 离算出一点的上拱度值，计算结果如表2 - 3 所示，上拱度曲线如图2 - 5 所示。 表2 - 3 跨度为3 1 5 m 时3 种曲线各点的上拱度值 t a b l e2 3e a c hc a m b e rv a l u eo f 3 1 5ms p a nw i t ht h r e ek i n d so f c u r v e ss i t u a t i o n ( m m ) x5 0 04 5 0 06 3 0 09 4 5 01 2 6 0 01 5 7 5 0 一次抛物线 21 52 02 63 03 l5 谁弦曲线 1 61 41 92 53 03 l5 四次函数曲线 o1 2 7 6 1 32 22 9 3 l5 x1 8 9 0 02 2 0 5 02 5 2 0 02 7 0 0 03 1 0 0 03 1 5 0 0 二次抛物线 3 02 62 01 520 证弦曲线 3 02 51 91 41 60 四次函数曲线 2 92 21 3 7 6 01 20 堕垒鎏三兰查兰三堡堡兰茎堡尘銮。 3 5 3 0 售2 5 e v2 0 倒 划1 5 赵 一1 0 5 0 5 0 0 01 0 0 0 01 5 0 0 02 0 0 0 02 5 0 0 03 0 0 0 0 距跨端原点长度( m m ) 。 + 二次抛物线一正弦曲线四次函数曲线 图2 - 5 常用的主粱上拱度曲线 f i g u r e2 - 5u s u a lc a m b e rc u r v eo f g i r d e r 在实际检测过程中，通过对大量检测数据的分析处理，发现大多数过去生 产的桥吊，主梁上拱度曲线都为二次抛物线，其次为正弦曲线，近几年生产的 桥吊才开始出现四次曲线，但相当少。因此说，二次抛物线是在检测结果进行 处理时，应首先考虑的上拱度曲线。 2 5 本章小结 本章根据激光测量的特点，研究了跨中上拱度、下挠度、上拱度曲线的测 量方法，并推算了各种跨度、起重量下的主梁跨中上拱度和下挠度的允许值， 给出了相关的计算过程。针对没有额定起重量无法进行下挠度检验的问题，提 出一种采用低于额定载荷很多的试验载荷进行跨中下挠度检测的新方法，从而 进一步提高了检验水平。 晴尔滨f 业大学工程硕上学位论文 第3 章激光挠度测量系统设计 3 1 系统总体设计 3 1 1 整体结构 激光挠度测量系统包括激光准直器、光电接收靶和微机数据处理三部分。 系统的结构示意图如图3 1 所示。 1 、6 光束对准装景；2 、半导体激光器；3 、安装支架；4 、1 2 垂直水准器；5 、光学镜组；7 、激光束； 8 、遮光罩：9 、叫象限光电池：1 0 、光电接收靶：l l 、容栅式位移传感器；1 3 、接收靶毓座：1 4 、调、1 ， 螺旋；1 5 、消磁扳钮；1 6 、磁性座 图3 1 系统结构示意图 f i g u r e3 - 1s y s t e mc o n s t r u c t i o ns k e t c hm a p 3 1 2 测量系统组成 测量系统由激光准直器、光电接收靶、测量电路、数据处理等部分组成。 系统组成如图3 2 所示。激光器发出一束准直光束，该光束位于桥吊上翼缘板 表面的上部，这条光束作为挠度测量的基准。测量时，光电接收靶沿吊车上翼 缘板移动，由于桥吊主梁有一定量的上拱度，致使光电接收靶会伴随着主梁上 拱度的变化而上下移动，从而使激光光束照射到四象限光电池的位置发生变 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 化，即光束中心与四象限光电池的中心发生偏移，四个象限接收的光能量不 同，通过四象限光电池的对角差额输出，便会将这个位移变化量转换为相应的 对角象限电流差信号，电流信号送入电流表后，电流表指针便会发生偏转，显 示出电流差的大小，再经过对中装置的处理，使电流表的指针回到零位，从而 使激光束重新回到四象限光电池的中心。光束中心的变化使容栅式位移传感器 产生位移变化，并将此变化转换成数字信号传输给单片机进行数据采集，再由 单片机传给p c 机进行数据处理，p c 机数据处理后，在屏幕上显示出上拱度值 和挠度曲线或打印出结果。 3 2 光学系统设计 3 2 1 光路设计原理 图3 - 2 系统组成图 f i g u r e3 - 2s y s t e mc o n f i g u r a t i o nc h a r t 主梁挠度激光测量方法采用半导体激光器发出的激光作为光源，半导体激 光器输出光束有较大且不对称的发散角和非圆对称的远场分布，故首先要对其 输出光束进行准直以压缩发散角。4 。因此将半导体激光器视做点光源，把半 导体激光器发光面置于准直透镜的焦点处，则该镜的出射光可近似视为准直光 ( 光束直径约为4 5 毫米) 。这样的光束准直效果较好，使之照射到四象限光 电接收靶上田t 2 。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 2 2 激光器的选择 激光器的种类较多，主要有气体激光器、固体激光器、染料激光器、准分 子激光器、化学激光器、自由电子激光器和半导体激光器。目前常用的是 h e - - n e 气体激光器和半导体激光器。 半导体激光器体积小、重量轻。几乎所有的半导体激光器其器件本身体积 大小都在1 m m3 以下。只需2 6 v 、2 0 - - 4 0 m a 的直流供电就能够驱动。除电 源装置以外不需要其它的激励设备和部件。电功率直接变换成输出光功率，能 量转换效率高。同时由于是单片状，所以具有牢固的机械结构“4 。半导体激 光器没有磨损的因素，因此不需要维修，使用寿命长、可靠性高，寿命己达 1 0 5 h ，大于1 0 年。 本设计要求仪器携带方便，适应周围环境能力强，使用寿命长。半导体激 光器的一些特有的特点正好符合我们的要求，因此采用半导体激光器。 3 3 光电接收靶设计 光电接收靶是用来观测激光光斑中心位置和测量光束中心偏移大小的装 置。它由四象限光电传感器、容栅式位移传感器、遮光罩、微安表、滑架等组 成。 四象限光电探测器主要由一块被分成四象限的光电池( 直径2 j 毫米) 组 成。四象限光电池不仅可以精确探测激光束的中心，而且在一定范围内，可以 测出从激光束中心算起的位移。令四象限光电池互为对角线接成一组，以差动 方式输出光电讯号，则两组光电池可同时测量相互垂直的两个方向的偏差位 移。 滑架可以沿着x y 两个方向微调光电探测器，使四象限光电池对准激光 束的能量中心。光电池输出的光电讯号，通过两个2 5 u a 电流表可以直接表 示出来。 容栅式位移传感器可以将四象限光电池中心的位移变化转化成二进制数字 信号传递给单片机采集。 四象限光电池固定于x 轴游标上，x 轴固定在y 轴游标上。 其结构如图3 - 3 所示。 哈尔滨丁业丈学丁程硕l 学位论史 1 、4 微安表；2 、y 轴坐标滑架；3 、x 轴坐标滑架；5 、四象限光电池；6 容栅式位移传感器 图3 3 光电接收靶结构图 f i g u r e3 - 3p h o t o e l e c t r i cr e c e i v i n gt a r g e ts t r u c t u r ec h a r t 3 3 1 四象限光电传感器 3 3 1 1 四象限光电传藤器特点目前用于激光准直测量的光电探测器种类很 多，有线阵c c d 、位敏传感器p s d 、c m o s 线阵光电探测器等等“1 。四象限光 电池是将光能转换成电能输出的一种光电探测器。由于四象限光电池具有的结 构简单，后续处理电路不复杂，对中调整简便，对光源要求不高等特点，正符 合激光挠度测量设计方案的要求，因此采用四象限光电池作为光电接收靶的传 感器。 四象限光电池可将目标发射的光点的强度和光点在光敏面上的位置转换为 电信号。把四个性能完全相同的光电二极管按着四个象限排列，称为四象限光 电二极管。四象限管相当于直角坐标系中的四个象限，四象限管是在同一芯片 e 作出的四个探测器，每一个探测器的光敏面占据四个象限中的一个象限。中 间有_ 字形沟道隔开。由于是在同一芯片上做出的，所以四个探测器具有非常 接近的性能参量。目前广泛使用的是硅光电二极管。象限之间的问隔称为死 区，工艺上要求做得很窄。光照面上二极管边缘各有一引出线，而基区引线则 哈尔滨丁业大学工程硕，l ：学位论文 为四个所共有。光照时，每一个象限都输出一个相应于光照面积的电流。将对 角输出电流差作为误差信号去控制光电二极管的方位，即完成光束的准直和跟 踪的功能。 3 3 1 2 对中检测原理激光柬对中检测原理如图3 4 所示，二只2 5 u a 微安表 的接线端各与四象限光电池的对角象限输出线相连。当激光投射到光电池上， 被照射的光电池象限输出电讯号。电讯号的大小表示该象限光电池获得激光能 量的大小，当电流表指针居中时，表示对角二相线能量相等。当二只电流表指 针都居中时，表示光电池的“+ ”字分划线将激光光斑分成了四等分，或者说 “+ ”字分划线的交叉点与激光光斑圆心重合。对准精度可达0 0 5 毫米。若两 块电流表的指针不居中时，可通过调整相应装置使其居中，从而达到光束对准 四象限光电池中心的要求，起到对中检测作用。 图3 叫激光束对中检测原理 f 培u r e 3 - 4m e a s u r i n g p r i n c i p l eo f l a s e rb e a mc e n t r e 3 3 2 容栅式位移传感器 3 3 2 1 容栅式位移传感器的特点容栅位移传感器是一种电容式传感器。可将 位置变化直接转换成电信号。与其它传感器相比，具有以下特点。“：线性好， 可优于0 0 1 ，从而可以制出高精度的测量系统。结构