為了驗(yàn)證零部件的安全性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，通常需通過(guò)多項(xiàng)測(cè)試來(lái)評(píng)估其性能。在這些測(cè)試中，部分零部件將承受直至破壞的極限載荷。這一方法對(duì)于承受高機(jī)械負(fù)載的部件尤為重要，例如商用車(chē)輛和工程車(chē)輛。通常使用應(yīng)變片來(lái)測(cè)量作用在零部件上的力。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的后續(xù)分析，可以檢查系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

測(cè)量載荷以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保零部件以最佳方式制造，需要對(duì)其進(jìn)行各種類(lèi)型應(yīng)力的全面測(cè)試。其目的是在確保足夠的安全性和耐用性的同時(shí)，在材料和制造成本之間實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶?。測(cè)試分為運(yùn)行工況下或極限工況下的載荷測(cè)量，以及破壞性測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中，應(yīng)變片是一種常用的數(shù)據(jù)采集工具。通過(guò)在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位粘貼應(yīng)變片，并施加載荷直到材料發(fā)生疲勞破壞，可開(kāi)展破壞性測(cè)試。工程機(jī)械及其部件通常在專(zhuān)用測(cè)試中心進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗(yàn)，以準(zhǔn)確評(píng)估其最大過(guò)載能力。結(jié)合應(yīng)變曲線分析，設(shè)計(jì)部門(mén)可據(jù)此驗(yàn)證結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，從而優(yōu)化材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

大量應(yīng)變片的高精度同步測(cè)量

為提升測(cè)試效率并節(jié)約成本，必須采用高度協(xié)調(diào)的測(cè)量技術(shù)解決方案。同時(shí)，需同步采集來(lái)自多個(gè)應(yīng)變片的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同吊臂節(jié)段結(jié)構(gòu)中機(jī)械應(yīng)力的精確測(cè)量。

為滿(mǎn)足應(yīng)力變化記錄的精度要求，每個(gè)測(cè)量通道的采樣率應(yīng)不低于200Hz。此外，為確保各通道之間的數(shù)據(jù)同步性，還需具備足夠高的總采樣帶寬。考慮到測(cè)試過(guò)程中可能出現(xiàn)的瞬時(shí)應(yīng)力峰值，系統(tǒng)的測(cè)量范圍必須足夠大，以完整捕捉峰值信號(hào)，避免信號(hào)失真或數(shù)據(jù)丟失。

高效流程，快速獲得準(zhǔn)確結(jié)果

在本次研究中，兩臺(tái)起重機(jī)的吊臂各安裝了48個(gè)應(yīng)變片。其中一些應(yīng)變片作為單應(yīng)變片使用，而另外三個(gè)應(yīng)變片則以應(yīng)變花的形式粘貼在側(cè)翼中心，用于測(cè)量應(yīng)力曲線。為消除溫度干擾，選用了與吊臂材質(zhì)匹配的自溫度補(bǔ)償型應(yīng)變片，并連接至STG6 BK20測(cè)量模塊。CSM提供的應(yīng)變片傳感器電纜在傳感器端完成半橋電路的內(nèi)部補(bǔ)償。

圖1：CSM STG6 BK20測(cè)量模塊可同步采集來(lái)自48個(gè)測(cè)量通道的數(shù)據(jù)，所有通道均通過(guò)CSMconfig軟件完成配置。

該測(cè)量模塊可將測(cè)量信號(hào)在內(nèi)部直接轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，輸出單位為μm/m。材料系數(shù)與傳感器參數(shù)可通過(guò)CSMconfig軟件輸入并保存在模塊中，從而簡(jiǎn)化后續(xù)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。同時(shí)，所有48個(gè)應(yīng)變片的數(shù)據(jù)都是同步采集的。

圖2：測(cè)量模塊與測(cè)試樣件一同被運(yùn)輸至測(cè)試區(qū)域。在測(cè)試中，樣件一端固定，另一端通過(guò)升舉施加目標(biāo)載荷。

所有STG6 BK20模塊都通過(guò)EtherCAT總線進(jìn)行高速通信，并統(tǒng)一連接至XCP網(wǎng)關(guān)。XCP網(wǎng)關(guān)作為所有測(cè)量模塊的EtherCAT主站，確保時(shí)間同步，同時(shí)支持與Vector vMeasure數(shù)據(jù)采集軟件的無(wú)縫集成。

部件在試驗(yàn)臺(tái)上的運(yùn)輸和測(cè)試

測(cè)試前，起重機(jī)吊臂逐個(gè)安裝應(yīng)變片和測(cè)量模塊，并運(yùn)送至試驗(yàn)臺(tái)。為確保流程高效，每當(dāng)一個(gè)吊臂處于測(cè)試階段時(shí)，下一件吊臂便已完成準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的無(wú)縫銜接。測(cè)試開(kāi)始前，通過(guò)CSMconfig對(duì)所有測(cè)量通道進(jìn)行歸零校準(zhǔn)。

測(cè)試過(guò)程中，吊臂一端固定于試驗(yàn)平臺(tái)，另一端逐步施加載荷，加載力通過(guò)稱(chēng)重傳感器精確測(cè)量，直至吊臂發(fā)生斷裂。所采用的STG6 BK20模塊具備充足的測(cè)量范圍，可覆蓋整個(gè)加載過(guò)程中的應(yīng)力變化。同時(shí)，測(cè)試還配備高速攝像機(jī)，有助于將斷裂過(guò)程可視化，為后續(xù)的損傷分析提供關(guān)鍵依據(jù)。

圖3：在Vector CSM測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)下，對(duì)起重機(jī)吊臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。

穩(wěn)定可靠的測(cè)量技術(shù)

該測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊湊、防護(hù)等級(jí)高，支持測(cè)試準(zhǔn)備與執(zhí)行階段并行工作，便于與測(cè)試樣件一同運(yùn)輸至測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

模塊化布線與CSMconfig工具可顯著提升部署效率?；贓therCAT總線的高速通信能力，使所有應(yīng)變片通道可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的同步測(cè)量。通過(guò)這種方式，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行機(jī)械載荷的測(cè)量。