1概述

目前國內(nèi)起重機(jī)械頻繁發(fā)生安全事故，固然一部分原因是由金屬結(jié)構(gòu)的損壞造成的，但是還有一大部分則是由重要零部件的損壞引起的。這就促使人們對起重機(jī)械的重要零部件的安全性和可靠性進(jìn)行重新審視并做了多方面的研究，以減少或杜絕超速墜落、吊鉤斷裂、軸斷裂、齒輪斷裂等事故發(fā)生。在日常檢驗(yàn)檢測中，對于起重機(jī)械的重要零部件的檢測，大多數(shù)是采用目測的方法來判斷，而人眼的精度是有限的，很多細(xì)微缺陷是無法識別的，重要零部件的變形以及扭轉(zhuǎn)程度等指標(biāo)是無法量化的，也無法進(jìn)行檢測，只能利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷；特別在起重機(jī)械事故鑒定以及對超期服役的起重機(jī)械的壽命評估中，某個(gè)重要零部件的變形、扭轉(zhuǎn)甚至裂紋大小都是事故發(fā)生的可能原因或者使用壽命長短的重要因素，而使用后的重要零部件是無法用常規(guī)方法繪圖。而機(jī)器視覺技術(shù)是目前國內(nèi)外應(yīng)用較成熟的新技術(shù)，最大的特點(diǎn)是速度快、信息量大、功能多，而基于機(jī)器視覺技術(shù)的檢測系統(tǒng)具有表面細(xì)微缺陷檢測精確度高、部件的變形量和扭轉(zhuǎn)程度可以量化以及檢驗(yàn)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。而對于起重機(jī)械的安全性能評價(jià)，目前常規(guī)的方法均是先根據(jù)圖紙進(jìn)行虛擬三維建模，然后用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析，推算出可能的情況，然后再與實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證，但往往存在較大的誤差，為此本文將機(jī)器視覺采集到的三維模型進(jìn)行有限元分析，并將結(jié)果與主要受力部件原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，完成起重機(jī)主要受力部件的安全性能分析與評估。

2系統(tǒng)介紹

起重機(jī)械的重要受力零部件較多，因研究方法采用基于機(jī)器視覺的檢測系統(tǒng)，所以我們就選取起重機(jī)的典型零部件（如吊鉤）作為主要研究對象，以此方法類推至其他零部件（例如聯(lián)軸器、卷筒、齒輪等），針對各類吊鉤的特點(diǎn)，以光學(xué)為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)，提出一種基于機(jī)器視覺和有限元分析相結(jié)合的檢測系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)吊鉤表面細(xì)微缺陷的檢測，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用狀況危險(xiǎn)部位，確定應(yīng)力集中區(qū)，并通過測試驗(yàn)證；對發(fā)現(xiàn)的裂紋、變形、磨損以及其他危險(xiǎn)缺陷發(fā)展趨勢的危險(xiǎn)程度和發(fā)展情況進(jìn)行評估；找出影響安全性能的主要因素。其中系統(tǒng)的裝置由光源、攝像機(jī)、采集卡及PC軟件系統(tǒng)等組成，其中光源為兩盞LED強(qiáng)光燈作為輔助照明，攝像機(jī)選用stereoSCAN三維掃描儀，其分辨率：1384x1036、像素500萬；最高精確度4um；信噪比為/40000。在圖像處理過程中使用了圖像平滑濾波處理、閾值分割處理和腐蝕膨脹等形態(tài)學(xué)處理，在判斷缺陷的過程中使用了連通區(qū)域標(biāo)記等處理，對目標(biāo)特征進(jìn)行了快速而準(zhǔn)確地檢測，并最大限度地減少對硬件系統(tǒng)的依賴性。接著對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析。具體的評估方法圖見圖1。

3有限元分析

3.1吊鉤力學(xué)模型本論文分析采用5t、8t、10t這三種不同噸位的三維模型，根據(jù)GB10051.1-88，這三種吊鉤鉤號分別為2.5、4和5；鉤型為MM型，強(qiáng)度等級P，機(jī)構(gòu)工作級別M4，吊鉤材料為DG20Mn。

3.2有限元網(wǎng)格根據(jù)吊鉤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，在ANSYS中設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析，定義單元類型為Solid185（該單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力）。劃分網(wǎng)格后模型如圖2。

3.3材料物理參數(shù)

本次采用三維軟件建模，再將模型轉(zhuǎn)換成IGES格式導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，在ANSYS中，對模型賦予具體參數(shù)如表1。

3.4載荷工況與邊界條件

本論文分析載荷工況時(shí)，假設(shè)吊鉤僅受重力，受力方向豎直向下，該情況下不考慮吊鉤擺動，以吊鉤柄部上端面為約束面，約束x、y、z。三個(gè)方向的位移。在承受重力的情況下假設(shè)吊鉤受力部位有一重物，受力方向豎向下，同時(shí)在吊鉤側(cè)面受一橫向風(fēng)力，風(fēng)速取臺風(fēng)風(fēng)速的最小值32.7m/s和最大值36.9m/s，根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算公式Wp=V2/1600，計(jì)算出對應(yīng)風(fēng)壓為700N/m2和900N/m2。以吊鉤柄部

上端面為約束面，約束x、y、z三個(gè)方向的位移。

3.5應(yīng)力應(yīng)變分析

現(xiàn)對型號為5t、8t、10t的吊鉤的柄部進(jìn)行扭轉(zhuǎn)20。后，同時(shí)對與未扭轉(zhuǎn)情況下分析的有限元結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3，4，5所示。由以上各應(yīng)力分布圖可知，最大應(yīng)力均位于吊鉤柄部向下彎曲處，吊鉤內(nèi)側(cè)受拉應(yīng)力，外側(cè)受壓應(yīng)力，危險(xiǎn)截面發(fā)生在內(nèi)側(cè)彎曲處的概率最大。綜合以上應(yīng)力云圖，各吊鉤所受最大應(yīng)力均未超過屈服極限。在同等條件下，吊鉤扭曲后與扭曲前相比，在相同的作用力下，危險(xiǎn)位置不變，只是最大應(yīng)力變大了。最大應(yīng)變位置也相同，但應(yīng)變變大了。因此要是出現(xiàn)了吊鉤局部出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)對安全還是存在隱患。