1概述

目前國(guó)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(duì)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(cè)中，對(duì)于起重機(jī)械的重要零部件的檢測(cè)，大多數(shù)是采用目測(cè)的方法來(lái)判斷，而人眼的精度是有限的，很多細(xì)微缺陷是無(wú)法識(shí)別的，重要零部件的變形以及扭轉(zhuǎn)程度等指標(biāo)是無(wú)法量化的，也無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)超期服役的起重機(jī)械的壽命評(píng)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(zhǎng)短的重要因素，而使用后的重要零部件是無(wú)法用常規(guī)方法繪圖。而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是目前國(guó)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(jué)技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)具有表面細(xì)微缺陷檢測(cè)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(duì)于起重機(jī)械的安全性能評(píng)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(jué)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(duì)比，完成起重機(jī)主要受力部件的安全性能分析與評(píng)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(jué)的檢測(cè)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(duì)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(duì)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(jué)和有限元分析相結(jié)合的檢測(cè)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)吊鉤表面細(xì)微缺陷的檢測(cè)，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(guò)測(cè)試驗(yàn)證；對(duì)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(shì)的危險(xiǎn)程度和發(fā)展情況進(jìn)行評(píng)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(wàn)；最高精確度4um；信噪比為/40000。在圖像處理過(guò)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(guò)程中使用了連通區(qū)域標(biāo)記等處理，對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行了快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)，并最大限度地減少對(duì)硬件系統(tǒng)的依賴性。接著對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析。具體的評(píng)估方法圖見(jiàn)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(hào)分別為2.5、4和5；鉤型為MM型，強(qiáng)度等級(jí)P，機(jī)構(gòu)工作級(jí)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(duì)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(dòng)，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(tái)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(duì)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(duì)型號(hào)為5t、8t、10t的吊鉤的柄部進(jìn)行扭轉(zhuǎn)20。后，同時(shí)對(duì)與未扭轉(zhuǎn)情況下分析的有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(guò)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(duì)安全還是存在隱患。