顯示實時吊重擺角的新一代起重機開發(fā)研究

林漢丁

摘 要：針對起重機司機無法判斷吊裝中吊鉤是否處于垂直狀態(tài)，以及至少近三十年滯留在從吊鉤鋼絲繩上檢測吊重擺角卻未得到普遍應(yīng)用，文章介紹一種不存在難點、疑點的吊重擺角檢測裝置，并闡述了顯示實時吊重擺角起重機的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：起重機；吊重擺角；垂直吊裝；吊車

中圖分類號：TH213 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0007-02

1 吊重擺角檢測顯示的必要性

起重機穩(wěn)定性差，起重施工規(guī)范規(guī)定“使用流動式起重機起吊工件時吊鉤偏角不應(yīng)超過3？觷”（吊鉤偏角即吊重擺角），故垂直吊裝是起重機安全作業(yè)的基本要求，單機旋轉(zhuǎn)法吊裝立式重物要通過邊提升的速度與邊回轉(zhuǎn)之速度的配合才能實現(xiàn)垂直吊裝；單機滑移法吊裝立式重物要通過起重機提升速度與其它機械牽引立式重物滑移速度的配合才能實現(xiàn)垂直吊裝；起重機抬吊時，依據(jù)速度投影定理，若要實現(xiàn)立式設(shè)備或重物的垂直吊裝，主機的提升速度與輔機的移送速度之比值，應(yīng)等于主機的吊點與輔機的吊點連線的斜率，由于吊裝中斜率在不斷改變，尤其是大仰角下吊裝更難控制，但是，目前起重機設(shè)計先進操控靈活，許多還采用先導式手柄，只要在司機操作室裝設(shè)吊重擺角的動態(tài)顯示，即可依此控制起重機消除吊重擺角，實現(xiàn)垂直吊裝。因而無論從實現(xiàn)起重機垂直吊裝還是從防止斜吊、控制吊鉤偏擺或克服力矩限制器未能反映斜吊狀態(tài)，以及實現(xiàn)操作自動化，起重機吊重擺角的檢測都是不可或缺的。

2 從吊鉤鋼絲繩上檢測吊重擺角的難點、疑點

起重機吊重擺角的檢測，多年來通過檢測吊鉤鋼絲繩（吊繩）的角度得到或通過機器視覺技術(shù)檢測吊鉤垂直姿態(tài)，由于機器視覺技術(shù)受同視、光線、周圍環(huán)境等多種條件限制，難以普遍用于起重機吊重擺角的檢測。以下僅從吊繩檢測吊重擺角的方案進行分析：從吊繩測量吊繩擺角的共同點是由滑輪組多根吊繩中選擇一根吊繩作為檢測對象，由于提升滑輪組由定、動滑輪與穿繞的吊繩及吊鉤組成，吊繩無論順穿或花穿吊繩之間并不完全平行，定、動滑輪間也常存在一定相對偏扭角度，尤其是當定、動滑輪間距縮小時，故從吊繩測量吊重擺角并不精確，為什么只從吊繩上檢測吊重擺角。據(jù)筆者不完全檢索，國外至少早在20世紀80年代就有SU1257050A1俄國專利文獻于1986年9月15日公開了從吊繩檢測吊重擺角的方案，如圖1SU1257050A1所示，將三角型框架1通過二側(cè)托輪3夾于吊繩5上，且三角型框架1在吊繩擺動時可繞滑輪軸4轉(zhuǎn)動，在三角型框架的臺面上裝設(shè)角度測量儀2以檢測吊繩5的擺角。

問題是檢測吊繩的擺角卻不允許在運行中的吊繩上裝設(shè)角度測量儀，不在吊繩上裝設(shè)角度測量儀又要準確檢測吊繩的擺角是個難題，這是因為要將吊繩的偏擺信號傳出，角度測量儀就要接觸吊繩，而吊繩總是在運行之中，故在向角度測量儀傳遞吊繩的偏擺信號同時，也就不可避勉向角度測量儀傳遞因吊繩的運行而產(chǎn)生的干擾信號，以圖1所示的檢測方案為例，設(shè)吊繩順時針方向運行，因托輪3夾于吊繩之間，吊繩必須與托輪接觸以傳遞出吊繩偏擺信號，與此同時也就傳遞因吊繩順時針方向運行，在與托輪的摩擦力作用下而產(chǎn)生的干擾信號，即使此時滑輪組呈鉛垂狀態(tài)，而三角型框架的臺面也會出現(xiàn)左高右低的微小變化，從而導致角度測量儀錯誤顯示出提升滑輪組垂直度偏差角度或吊重擺角，且吊繩運行的起、停以及運行方向在不斷改變，而起重施工規(guī)范[1]規(guī)定“使用流動式起重機起吊工件時吊鉤偏角不應(yīng)超過3？觷”故對此種小角度的擺角檢測，要將干擾有效排除至不影響正常的檢測難度大，盡管檢測方案各異但是或多或少總會受到影響，為此從吊繩測量吊重擺角的方案總是不盡人意。我國ZL02104525.9吊車吊繩的角度測量裝置，從2003年公開至今也有十年，而我國近些年此類專利申請量增多，并由有實力的起重機制造廠提出了多種方案。

雖然對吊重擺角的檢測早就得到重視，構(gòu)思巧妙方案各異的從吊繩測量吊重擺角的嘗試不斷，但是迄今起重機上依然缺失吊重擺角的顯示，故究其原因應(yīng)與滯留在從運行的吊繩上檢測吊重擺角有關(guān)，因而要尋找其他可行方案。

3 直接檢測提升力作用線擺角的方案

由于吊重擺角是指通過吊鉤的滑輪組提升力作用線偏離鉛垂線的角度，因而吊重擺角可以通過直接檢測吊裝中提升力作用線偏離鉛垂線的角度得到。

現(xiàn)介紹一種吊重擺角檢測方案，即同等量增加起重機提升滑輪組動滑輪兩側(cè)護板長度尺寸后，在所增長出的兩側(cè)護板內(nèi)側(cè)空置的位置上固定裝設(shè)滿足吊重擺角0？觷時所設(shè)的平臺面為水平面的平臺。在所述的平臺面上居中建立直角坐標，裝設(shè)檢測所述的平臺面相對于水平面傾角的角度測量儀，因為所述的平臺面與水平面間的夾角，數(shù)值上就等于吊重擺角。

3.1 以萬向水平儀對吊重擺角檢測原理說明

3.2 裝設(shè)吊重擺角檢測裝置的實施

用于吊重擺角檢測可供備選的角度測量儀眾多，考慮傳統(tǒng)傳感器體積較大，受慣性力影響大而精度低，應(yīng)將MEMS傳感器列為首選。

以下例舉一種用雙軸角度傳感器檢測吊重擺角的裝置：

①首先將起重機提升滑輪組動滑輪兩側(cè)護板（或稱夾板）尺寸各增長30 cm，在護板下部仍保持固定一橫梁，吊鉤用螺毋固定在橫梁上，從而拉大滑輪與吊鉤鉤頭間距，提供了在護板內(nèi)側(cè)空置（該處及空間未被佔用）的位置上裝設(shè)檢測裝置的空間，由于在護板兩側(cè)空置的位置上裝設(shè)，簡化了結(jié)構(gòu)且有利于裝置的裝設(shè)與防護，但為了無線傳輸要采取措施，如將裝設(shè)無線發(fā)射器一側(cè)的護板用無磁性的玻璃鋼制造。

②在護板內(nèi)側(cè)空置的位置上固定裝設(shè)滿足吊重擺角0？觷時所設(shè)的平臺面為水平面的平臺；在所述的平臺面居中建立十字垂直坐標，裝設(shè)檢測所述的平臺面相對于水平面二維傾角的MEMS雙軸角度傳感器；同時裝設(shè)無線發(fā)射器；并在另一側(cè)護板內(nèi)側(cè)裝設(shè)大容量電池對裝置供電。

③在起重機操作室裝設(shè)無線接收器、天線，和控制顯示器。

圖4為雙軸傾角無線采集方框圖，主要由傳感器模塊，無線發(fā)射模塊，無線接收模塊，PC機4部分組成。傳感器模塊和無線發(fā)射模塊（配天線）裝設(shè)于動滑輪護板增長后的護板內(nèi)側(cè)上，無線接收模塊（配天線）和PC機裝設(shè)于起重機操作室或監(jiān)控點。其中傳感器模塊由雙軸傾角傳感器、調(diào)理電路組成，無線發(fā)射模塊由A/D轉(zhuǎn)換部分、無線收發(fā)單片機和發(fā)射電路組成，無線接收模塊由無線收發(fā)單片機、接收電路，及串口電路組成，PC機部分主要由PC機及串口通信軟件、LED指示電路組成。

但是由于起重機種類眾多、型號規(guī)格各異，在檢測方案確定、包括角度測量儀具體選用上要從是否可行以及技術(shù)上、經(jīng)濟上進行比較確定。

3.3 從動滑輪護板裝設(shè)角度測量儀檢測吊重擺角的特點

一是角度測量儀可直接裝設(shè)在被檢測物體上；二是檢測吊重擺角是檢測所設(shè)平臺面相對水平面的角度；三是依MEMS傳感技術(shù)檢測運行的所設(shè)平臺面相對水平面的角度屬于可靠的現(xiàn)有技術(shù)，且起重機吊鉤相對只是屬于緩慢運行的物體，因而于動滑輪護板裝設(shè)角度測量儀檢測吊重擺角不存在難點、疑點，故可在起重機上普遍應(yīng)用。

4 顯示實時吊重擺角起重機的優(yōu)勢

在起重機上裝設(shè)吊重擺角檢測裝置，即成為具有顯示實時吊重擺角的起重機，同時具有新的技術(shù)效果：

①結(jié)束了起重機司機無法判斷其吊鉤是否處于垂直狀態(tài)。

②將改變吊裝時由吊裝指揮者，依據(jù)監(jiān)視被吊重物垂直吊裝者提供的信息指揮起重機司機操控實現(xiàn)垂直吊裝的、這種既不及時又不準確的作法。

③由于實時顯示吊重擺角，可為穩(wěn)鉤、減小吊重擺角的操作提供依據(jù)。

④由于實時顯示吊重擺角，可有效防斜吊。

⑤起重機旋轉(zhuǎn)法吊裝重物時，可依起重機司機操作室顯示的吊重擺角，調(diào)整起重機邊提升速度與邊旋轉(zhuǎn)速度間的配合，實現(xiàn)垂直吊裝。

⑥起重機滑移法吊裝重物時，可依起重機司機操作室顯示的吊重擺角操控提升速度實現(xiàn)垂直吊裝。

⑦起重機抬吊時，主、輔機可各依據(jù)司機操作室顯示的吊重擺角操控主機提升與輔機跟送的速度，主、輔機配合以消除吊裝中吊重擺角，實現(xiàn)垂直吊裝。

⑧可為完善起重機力矩限制器未能反映斜吊提供實時的吊重擺角。

⑨可為進一步開發(fā)完善起重機監(jiān)控仍至操作自動化提供必要的、實時吊重擺角。

5 結(jié) 語

在起重機上裝設(shè)吊重擺角檢測裝置，為起重機增添了新的功能，從而開發(fā)出具有顯示實時吊重擺角的新一代起重機。

參考文獻：

[1] SH/T 3536-2011，石油化工工程起重施工規(guī)范[S].