一种基于塑性变形的起重机轮压检测方法与流程

本发明涉及特种设备技术领域，特别是一种基于塑性变形的起重机轮压检测方法。

背景技术：

在起重机的设计中，轮压是设计者所必须考虑的一个重要因素。轮压对起重机的整体结构布局，载荷分布计算等有较为重大的影响。经过查阅相关资料，目前对于起重机轮压，尚未有较为统一的方法进行测量。目前起重机行业中，主要采用在起重机轨道上贴应变片，通过测量在车轮压力下产生的应变来进行轮压的测量。然而，该方法只能在微观上反映出车轮上某一点的轮压，如果遇到起重机偏载的工况，就无法精确地反馈出轮压的分布。而且该方法成本较高、效率低，应变片的安装位置误差对检测的结果影响较大，实现的过程较为复杂。

文献《基于y向应变-轮压模型的起重机最大轮压测试方法研究》（张志斌、葛藤等《起重运输机械》2018（01）：85-88）中提出一种基于弹性接触力学与磁应力测量相结合的起重机轮压测试方法。该方法首先利用磁应力测量仪测量出轨面垂直方面上的应力，同时将应力转变为应变，再根据有限元仿真计算出来的轮压和应变的关系来得到轮压。申请公告号108760108a的发明专利也公开了采用应变片来测量轨道的应变，并根据起重机的整机质量和应变之间建立的关系来推算轮压。由于应变测量是微小区域的变形，这两种方法需要十分精准的测量指定位置的应力应变，一旦位置测量偏差将严重影响测量结果。然而在磁应力测量或是贴片位置存在较多人为影响因素，难以较为准确测量出理论上的应变。同时，车轮还存在偏载，造成单边应变测量失真，轮压换算结果偏差。

申请公告号cn106872090a的发明专利公开了利用压力传感器来直接测量车轮压力的方法。该方法可以通过现有、成熟的传感器直接测量出来。然而起重机的轮压均较大（基本大于50kn），目前类似规格的压力传感器尺寸均较大，且随着压力的增大，其传感器的尺寸还将显著增大。传感器增大后将影响车轮通过和压力测量，即使能保证通过也将导致部分车轮腾空，造成所测量的车轮压力偏大，与实际结果形成偏差。

技术实现要素：

为克服上述问题，本发明的目的是提供一种基于塑性变形的起重机轮压检测方法，可以同时测量起重机多个车轮的轮压，测量结果精确可靠。

本发明采用以下方案实现：一种基于塑性变形的起重机轮压检测方法，所述方法包括如下步骤：步骤s1、制作一金属试样和一轮径的车轮压头模型，将车轮压头模型安装于一材料试验机上，通过材料试验机对金属试样进行碾压实验得到实验测试结果，并将测试结果绘制成在一设定车轮压头轮径下，不同压力和金属试样变形之间的变化关系曲线；

步骤s2、利用有限元仿真软件对实验测试结果进行分析，并进行验证建立一仿真模型；

步骤s3、在仿真模型中建立与车轮压头模型直径一致的车轮模型，并改变车轮轮压来获得起重机轮压与金属试样变形之间的关系曲线，并绘制对照表；

步骤s4、通过现场起重机车轮对金属试样碾压，测量金属试样经车轮碾压后所发生的变形量，将变形量与所述对照表进行比对来获得该起重机的轮压。

进一步的，所述步骤s1中制作一金属试样具体为：对一铜板采用激光切割，切割后断面需打磨去除热变形和氧化处理，并保证表面光亮形成金属试样，并在金属试样前端和后端设置一夹板，所述夹板限制金属试样在实验测试时发生侧移，两个夹板和金属试样形成一“工”字型结构。

进一步的，所述步骤s1中制作轮径的车轮压头模型具体为：将45钢进行淬火处理，采用线切割根据实验需求制作成轮径下的相似形状压头，用砂轮机打磨表面，使压头平整度达到0.01~0.03mm，并放置在马弗炉中加热至700~900度，保温20~40分钟后进行油淬，最后采用砂轮机对表面进行打磨至光亮获得所述车轮压头模型。

进一步的，所述步骤s1碾压实验进一步具体为：将制好的车轮压头模型放置在材料试验机的圆盘中心正下方，并进行固定；实验时，先用游标卡尺对金属试样受压面的厚度进行测量，随后，将金属试样放置在车轮压头模型的正下方，将压力分别设置为10kn、15kn、20kn、25kn、30kn、35kn和40kn，测试速度设置为40~60mm/min，当压力达到设定值时，保持一设定时间，然后卸载并对发生变形的金属试样进行变形厚度的测量；通过不同载荷下的多次测量，不同压力和金属试样变形之间的变化关系曲线。

进一步的，所述步骤s2进一步具体为：利用有限元仿真软件进行实体模型绘制、物理属性设置、建立金属试样和车轮模型、以及结果输出得到仿真模型；所述实体模型绘制为：利用有限元仿真软件中选用静态结构分析模块对金属试样和不同轮径的车轮进行绘制；所述物理属性设置为：车轮选用q235钢，金属试样的材料为牌号t2的铜板，该金属试样的弹塑性特性为多线性等向材料特性；所述建立金属试样和车轮压头模型为：利用有限元仿真软件对金属试样和车轮的有限元单元属性均设为solid187或solid186；网格划分时，车轮选择六面体来划分，金属试样选择四面体划分；所述结果输出得到仿真模型为：在车轮内径表面施加设置三个载荷步，施加均布载荷的方向为垂直向下，在有限元仿真软件中调整车轮尺寸或是压力大小，即得到金属试样相应的节点最大位移，将改变轮径尺寸或是轮压后，金属试样变形后节点的最大位移连成线，即得到起重机轮压与金属试样变形之间的关系曲线，建立仿真模型。

本发明的有益效果在于：一、测量速度快，可以同时实现针对所有车轮的测量，并进行直观比较和保存。

二、测量方法简单、低成本，不需要携带任何大型仪器，只需要金属试样、夹板和游标卡尺。

三、由于试样的尺寸较大，发生的变形宏观，能准确反应整个车轮的实际受压情况，再加上有经过实验验证的压力与变形曲线来对照，因此测量结果可靠。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明的实施例中金属试样和夹板的结合结构示意图。

图3是本发明的实施例中车轮压头模型的结构示意图。

图4是本发明的实施例中金属试样和车轮压头模型的放置示意图。

图5是本发明的实施例中实测和仿真计算的金属试样y方向节点最大位移与轮压之间的变化关系示意图。

图6是本发明的实施例中在车轮压头内径表面施加三个载荷步曲线图。

图7是本发明的实施例中载荷步中均布载荷的设置示意图。

图8是本发明的实施例中金属试样的应力分布示意图。

图9是本发明的实施例中金属试样y方向的节点位移云图。

图10是本发明的实施例中仿真计算金属试样y方向节点最大位移与轮压的变化关系图。

图11是本发明的实施例中现场测量时金属试件置于起重机轨道上的结构示意图。

图12是本发明的实施例中现场测量时起重机车轮对金属试样碾压的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种基于塑性变形的起重机轮压检测方法。首先利用实验测试得到在一定轮径下，一些压力和金属变形之间的关系；其次利用有限元仿真计算之前的实验测试结果，并进行反复验证，直至获得可靠的模型、参数，及最终的仿真模型；再而利用经过验证的有限元仿真模型，在仿真模型中建立与车轮压头模型直径一致的车轮模型，并改变轮压来获得起重机轮压与金属试样变形之间的关系曲线，，并绘制详细对照图表；最后，通过现场测量金属试样经车轮碾压后所发生的变形量，根据对照图表获得该车轮的轮压。

请参阅图1至图12所示，本发明的一实施例提供了一种基于塑性变形的起重机轮压检测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s1、制作一金属试样1和一轮径的车轮压头模型2，将车轮压头模型安装于一材料试验机上，通过材料试验机对金属试样进行碾压实验得到实验测试结果，并将测试结果绘制成在一设定车轮轮径压头下，不同压力和金属试样变形之间的变化关系曲线；（这里需要说明的是，该碾压实验可以是制作不同的轮径，并不限定一种的轮径，不同轮径或者不同的金属试样均属于本专利保护的范围。）

步骤s2、利用有限元仿真软件对实验测试结果进行分析，并进行验证建立一仿真模型；

步骤s3、在仿真模型中建立与车轮压头模型直径一致的车轮模型，并改变轮压来获得起重机轮压与金属试样变形之间的关系曲线，并绘制对照表，如图5；

步骤s4、通过现场起重机车轮对金属试样碾压，测量金属试样经车轮碾压后所发生的变形量，将变形量与所述对照表进行比对来获得该起重机的轮压，如图10。

其中，所述步骤s1中制作一金属试样具体为：金属试样选用材质为牌号t2的铜板（依据gb/t5231-2001）。试样加工的形状如图2所示，厚度为2mm，工艺为激光切割，尺寸偏差控制在±0.2mm。切割后断面需打磨去除热变形和氧化部分，同时保证表面光亮（砂纸30号）。此外，为了防止试样在车轮碾压之后发生侧移和突变，采用经过强化的不锈钢制作出如图2所示的夹板3，厚度为2mm。该夹板因强度较高且与车轮的接触面较大，可以重复使用。两个夹板3和金属试样1形成一“工”字型结构。

所述步骤s1中制作一车轮压头模型具体为：因为试样在经过不同的轮径压力下，发生的变形不尽相同。因此，为了模拟各种轮径的车轮对其压缩变形效果，需要在材料试验机上加装与车轮轮径相似形状的压头。为了保障压头不发生变形，在材料上选择45钢，并进行淬火处理。加工时采用线切割将45圆钢制作成如图3所示的尺寸，用砂轮机打磨表面，使压头平整度达到0.01~0.03mm，并放置在马弗炉中加热至700~900度，保温20~40分钟后进行油淬，最后采用砂轮机对表面进行打磨至光亮获得所述车轮压头模型。

所述步骤s1碾压实验进一步具体为：将制好的车轮压头模型放置在材料试验机的圆盘中心正下方，如图4所示，并进行固定；该材料试验机为济南试金集团有限公司生产的wew-1000c型万能材料试验机；实验时，先用游标卡尺对样品受压面的厚度进行测量，要求测量3次，取平均值。随后，将试样放置在压头的正下方。将压力分别设置为10kn、15kn、20kn、25kn、30kn、35kn和40kn，测试速度设置为50mm/min，当压力达到设定值时，保持30秒，然后卸载并对发生变形的试样进行变形厚度的测量。在测量时，选择厚度最小处（即变形最大处）进行测量，同样测量3次，取平均值。通过不同载荷下的多次测量，绘制不同压力和金属试样变形之间的变化关系曲线，如图5所示。通过实验和仿真的比对，可以看出两者基本符合，最大偏差在5%之内，因此很好的验证了仿真模拟的正确性。

为了能够减少试验的次数，将车轮对试样的碾压过程进行有限元仿真并验证，从而细化变形与轮压关系，建立更加完善的仿真模型。其中试样的尺寸根据上述的内容确定，而车轮和轨道选取常用尺寸来进行仿真。仿真时车轮硬度较大，而被碾压的试样则为弹塑性体，即超过弹性变形时将产生塑性变形。考虑到试样和车轮间无相对滑动，所以将它们两之间的接触认为是绑定的。具体的仿真步骤为：利用有限元仿真软件进行实体模型绘制、物理属性设置、建立金属试样和车轮模型、以及结果输出得到仿真模型；仿真模型经过试验验证后，再在该模型中改变轮压，获得起重机轮压与试样变形之间的关系曲线，进而建立基于变形－轮压模型。

利用有限元仿真软件进行实体模型绘制：

有限元仿真软件选择的为ansysworkbench，版本为13.0。仿真选用静态结构分析模块（staticstructural），建模时采用该软件自带的建模模块，且要注意便于后期金属试样和车轮尺寸的修改。利用有限元仿真软件中选用静态结构分析模块对金属试样和车轮进行绘制；

物理属性设置：

选用车轮的材料为q235钢（抗拉强度250mpa，屈服强度235mpa，弹性模量2×105mpa）。金属试样的材料为牌号t2的铜板（屈服强度50mpa，泊松比0.34，弹性模量100gpa，切线模量980mpa，密度8360kg/m³），由于试样的弹塑性特性为多线性等向强化模型，所以选择多线性等向材料特性。建模时的坐标以y向为重力方向。此外，考虑到试样和车轮间无相对滑动，所以将它们两之间的接触认为是绑定的。

建立金属试样和车轮模型：

车轮和试样的有限元单元属性均为solid187或solid186，由ansysworkbench软件自行优化选择。网格划分时，车轮选择六面体来划分，划分后单元共14084个，节点62698个；试样选择四面体划分，划分后单元共422个，节点991个。

边界条件的设置：

在车轮内径表面施加设置三个载荷步如图6，施加均布载荷的方向为垂直向下，其大小随时间变化的关系如图7。同时，在试样下表面仅施加y方向的位移约束。

结果输出得到仿真模型：

如图8和图9分别为金属试样的应力分布和y方向的节点位移云图。由图可知，最大应力和位移均出现在试样的两侧，最大处y向位移达到0.158mm。因此，通过所建立的仿真力学模型，在软件中调整车轮压力大小，即可以得到相应的节点最大位移。将不同轮压下，金属变形后节点的位移连成线，即可得到起重机轮压与试样变形之间的关系曲线，建立基于变形－轮压模型。以上是基于轮径相同的情况，但实际上起重机的轮径常因设计轮压不同而发生变化。尽管如此，针对不同的轮径，依然可以通过该仿真力学模型来进行仿真，从而获得变形与轮压关系。

另外，本发明的起重机现场轮压测试方式如下：

1、现场准备：

将起重机开至轨道较为平整的区域，同时要求大车车轮至少能运行0.5m以上的距离，同时测量车轮的轮径。

2、测试步骤：

①对距离车轮和轨道接触面为20mm的区域轨道进行表面处理。处理时，先用砂轮机对轨道的表面进行打磨至光亮，再用酒精擦拭表面，清除金属颗粒和油污。然后，针对可能压到该区域轨道的车轮表面进行清理，清理方法与轨道表面的一致。

②对经过规定尺寸加工出来的金属试样，将其断面用30号砂纸打磨去除热变形和氧化部分，同时用80号砂纸进一步打磨样品表面和断面，使其平整和光亮。

③用游标卡尺对金属试样受压面的厚度进行测量，要求测量3次，取平均值。同时对试样的宽度进行验证保证为20mm，误差控制在±0.06mm以内。

④将试样放置在刚才打磨、擦拭的轨道表面。要求先用钢板尺测量轨道中心位置，然后控制试样放置在轨道的正中间，再将底部粘有双面胶的夹板按图11拼接好，并确保夹板粘牢在轨道上。

⑤控制起重机大车缓慢向试样方向移动，直到轨道压在试样中间段时（如图12），停止运行，并开始用秒表计时。当计时达到30秒后，立即将车轮沿之前的方向匀速移动，开出试样。

3、数据测量：

取下金属试样，先用布和酒精擦拭试样，随后用游标卡尺测量试样的厚度。测量时，选择厚度最小处（即变形最大处）进行测量，测量3次取平均值。根据之前做好一定轮径下的变形与轮压之间的关系，查所述变形与轮压关系对照表得到实际测得的轮压。为保证测量精度，可以采用上述方法，进行多次测量后取平均值。

总之，本发明成本低，测试过程简单方便，对试样的安装精度要求不大，可以同时测量起重机多个车轮的轮压，测量结果非常直观且易保存，便于后期比较。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。