吊管機(jī)新型力矩限制器系統(tǒng)的研制

高廣林 劉永紅 陳 濤 徐 艷

河北華北石油工程建設(shè)有限公司 河北任丘 6228212

吊管機(jī)新型力矩限制器系統(tǒng)的研制

高廣林 劉永紅 陳 濤 徐 艷

河北華北石油工程建設(shè)有限公司 河北任丘 6228212

新型吊管機(jī)力矩限制器系統(tǒng)的研制，解決了原有產(chǎn)品在吊管機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)拆裝時(shí)，其取力部件傳感器易被損壞的問(wèn)題，保證了吊管機(jī)設(shè)備的安全作業(yè)。闡述了吊管機(jī)力矩限制器系統(tǒng)新的取力方式及工作原理，并對(duì)該系統(tǒng)測(cè)力傳感器進(jìn)行了強(qiáng)度及有限元分析。

吊管機(jī) 力矩限制器系統(tǒng) 傳感器

吊管機(jī)是國(guó)內(nèi)、外長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)中不可缺少的重要裝備，同時(shí)也是施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)性較大、容易發(fā)生事故的設(shè)備，一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。為避免發(fā)生事故，保證其安全作業(yè)，力矩限制器就成為非常重要的保護(hù)裝置。

現(xiàn)今常用的吊管機(jī)力矩限制器其重量檢測(cè)部分通常分為鋼絲繩取力和變幅油缸取力兩種。前者直接使用傳感器在鉤頭鋼絲繩上測(cè)得鋼絲繩的受力，按鋼絲繩受力與吊重物的正比關(guān)系就可以得到物體的重量，數(shù)據(jù)處理過(guò)程方便。但由于吊管機(jī)自有的工作特性，測(cè)力傳感器很容易發(fā)生損壞，從而使吊管機(jī)無(wú)法得到有效保護(hù)。變幅油缸取力的方法為使用兩個(gè)油壓傳感器分別測(cè)得上下油缸的油壓，得到壓力差值，然后結(jié)合吊管機(jī)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)按一定的公式算得吊重重量。用這種方法難以掌握好傳感器信號(hào)與重物重量之間的關(guān)系，要得到簡(jiǎn)潔適用的公式，就必須建立準(zhǔn)確的吊管機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

與吊管機(jī)常用的起升繩取力和變幅缸取力不同，吊管機(jī)新型力矩限制器系統(tǒng)取力傳感器安裝于吊管機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)支撐滑輪組中，不改變?cè)O(shè)備原有結(jié)構(gòu)條件，將原來(lái)的滑輪銷軸更換為現(xiàn)在的銷軸測(cè)力傳感器，可以準(zhǔn)確檢測(cè)負(fù)載重力，同時(shí)不影響原有機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，不僅解決了由于測(cè)力傳感器安裝在吊臂頭部，在使用和吊管機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)吊臂拆下運(yùn)輸時(shí)，測(cè)力傳感器易被碰撞而損壞的問(wèn)題，也較好地把握了其中的規(guī)律，能用簡(jiǎn)便的計(jì)算公式進(jìn)行信號(hào)與重量之間的推導(dǎo)，提高了吊管機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

1 對(duì)力矩限制器系統(tǒng)的要求

吊管機(jī)工作時(shí)，吊臂的幅度不斷變化，力矩也隨之變化。不同工作幅度下所能吊的最大重量是不同的，幅度越大，所能吊的最大重量越??；同時(shí)，由于吊臂仰角的限制，吊管機(jī)的幅度不能過(guò)小或過(guò)大，所以吊管機(jī)的工作范圍應(yīng)在如圖1所示的陰影部分中。在工作中，力矩限制器系統(tǒng)應(yīng)具有報(bào)警及制動(dòng)功能，當(dāng)?shù)豕軝C(jī)工作狀態(tài)接近或超出額定負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該能發(fā)出報(bào)警及進(jìn)行相關(guān)的保護(hù)。此外，系統(tǒng)還需要能消除正常工作時(shí)重物起降及吊臂變幅對(duì)重量測(cè)量值的影響。

2 力矩限制器系統(tǒng)配置和工作原理

2.1 力矩限制器系統(tǒng)配置

力矩限制器系統(tǒng)由主機(jī)（含顯示器）、角度傳感器、軸銷測(cè)力傳感器、高度限位器（過(guò)卷開(kāi)關(guān)）及傾角傳感器組成（見(jiàn)圖2）。

2.1.1 顯示器

7in高亮度TFT液晶彩色顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024），能一次顯示所有用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)，如當(dāng)前重量、額定重量、當(dāng)前幅度、吊臂角度、吊臂長(zhǎng)度和當(dāng)前倍率等相應(yīng)數(shù)據(jù)。具有良好的人機(jī)對(duì)話界面，通過(guò)漢字提示，操作人員即可對(duì)吊管機(jī)力矩限制器主機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

2.1.2 主機(jī)

具有4路傳感器輸入、3路開(kāi)關(guān)輸入、6組繼電器獨(dú)立輸出功能，超載、超幅聲光報(bào)警、自動(dòng)控制且穩(wěn)定性好，精度高，同時(shí)具有“報(bào)警記錄”功能，記錄歷史故障。當(dāng)起重力矩達(dá)到額定起重力矩的90%，發(fā)出預(yù)警信號(hào)；達(dá)到額定起重力矩的100%，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；達(dá)到額定起重力矩的102%，輸出泄荷信號(hào)，停止危險(xiǎn)動(dòng)作，只能允許吊管機(jī)向安全方向運(yùn)行。

2.1.3 稱重傳感器

采用軸銷傳感器，是專門(mén)為工業(yè)用途而設(shè)計(jì)的，全密封結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片選用環(huán)氧酚醛箔式電阻應(yīng)變計(jì)，具有精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

行走在秋日的陽(yáng)光下，風(fēng)影不免有些恍惚，像一片小小的云，行得飄逸，走得空靈。一陣風(fēng)將紅琴吹來(lái)了，仿佛是一種幻覺(jué)。他抬起頭來(lái)，與她對(duì)視了一下，才確定是真實(shí)的。紅琴挎著籃子，來(lái)林子里采磨菇。她見(jiàn)了風(fēng)影，驚喜地叫了一聲，又一臉的疑惑，你不在廟里好好念經(jīng)，一個(gè)人跑出來(lái)做什么？如果讓你師父發(fā)現(xiàn)了，抓住了，會(huì)不會(huì)受罰？

2.1.4 水平傳感器

水平傳感器即雙軸傾角傳感器，采用高速數(shù)字處理器，對(duì)重力加速度信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，然后經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使輸出電壓隨傳感器傾斜角度的變化而變化，測(cè)量范圍±45°，分辨率0.1°，精度 0.5°。

2.1.5 傾角傳感器

為單軸傾角傳感器，采用工業(yè)器件，性能穩(wěn)定、可靠，抗沖擊、抗震動(dòng)，外殼防護(hù)等級(jí)IP67，0.5～4.5V電壓輸出，測(cè)量范圍-10°～110°。

2.1.6 防過(guò)卷開(kāi)關(guān)

防吊鉤高度過(guò)卷控制，它與一適當(dāng)重量的重錘配套，利用吊鉤的上下運(yùn)動(dòng)托起或放下重錘時(shí)斷開(kāi)或?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切斷卷?yè)P(yáng)機(jī)動(dòng)力電源連通剎車系統(tǒng)，從而達(dá)到限制鋼絲繩過(guò)卷的目的，也起到控制吊鉤在一定高度內(nèi)升降的目的。

防過(guò)卷開(kāi)關(guān)由行程開(kāi)關(guān)、金屬殼體、重錘、鋼絲繩等部分組成。金屬殼體內(nèi)置的行程開(kāi)關(guān)，結(jié)構(gòu)緊湊，能自動(dòng)復(fù)位。未配重錘的情況下為常閉式（即鉤頭碰到吊臂后，回路閉合）。產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理，性能先進(jìn)，動(dòng)作靈活，具有密封防水性能強(qiáng)，安全可靠、安裝方便等特點(diǎn)。

2.2 力矩限制器系統(tǒng)工作原理

當(dāng)儀器接通電源，儀器內(nèi)部各個(gè)模塊初始化；角度傳感器、重量傳感器、水平度傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜傳給信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的放大等處理后送給A／D轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給CPU處理；CPU進(jìn)行運(yùn)算處理后得到相應(yīng)的數(shù)值，相應(yīng)數(shù)值通過(guò)通信模塊送給觸摸屏顯示出來(lái)，同時(shí)部分?jǐn)?shù)值與儀器內(nèi)部E2PROM中預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，就發(fā)出報(bào)警聲和有漢字提示并輸出控制信號(hào)自動(dòng)切斷吊管機(jī)械向危險(xiǎn)方向的控制回路，但允許向安全方向運(yùn)行，從而達(dá)到防止發(fā)生危險(xiǎn)事故的目的；需要時(shí)也可以在觸摸屏上修改相關(guān)參數(shù)，通過(guò)通信模塊從而修改CPU內(nèi)部E2PROM中預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)部分參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試修改的目的，工作原理如圖3所示。

3 力矩限制器系統(tǒng)取力實(shí)現(xiàn)方案

3.1 顯示器及主機(jī)

觸摸屏顯示器安裝在吊管機(jī)駕駛室聯(lián)動(dòng)臺(tái)的側(cè)面，以便于司機(jī)察看，也不影響操作吊管機(jī)，主機(jī)安裝在吊管機(jī)駕駛室聯(lián)動(dòng)臺(tái)的前部，觸摸顯示器安裝位置如圖4所示。

3.2 銷軸式測(cè)力傳感器

3.3 角度傳感器

角度傳感器安裝于吊臂內(nèi)側(cè)，其零位對(duì)準(zhǔn)主臂中心線，安裝位置如圖6所示。

3.4 防過(guò)卷開(kāi)關(guān)

防過(guò)卷開(kāi)關(guān)安裝于吊臂頭部，碰撞重錘穿過(guò)吊鉤起升鋼絲繩未端，開(kāi)關(guān)與重錘之間由吊繩和專用鎖扣連接，拆裝簡(jiǎn)單方便，安裝位置如圖7所示。

3.5 水平傾角傳感器

水平傾角傳感器水平安裝于駕駛室，體積較小，安裝簡(jiǎn)單，可以用來(lái)預(yù)知吊管機(jī)相對(duì)于水平面的傾角變化量，進(jìn)一步提升了吊管機(jī)工作的可靠性和安全性。

將傳感器水平安裝，外殼標(biāo)簽上兩箭頭所形成的面與水平面平行時(shí)，輸出電壓為2.5V，按箭頭方向向上或向下偏轉(zhuǎn)，輸出電壓以2.5V為中心增大或減小，水平傾角傳感器使用如圖8所示。

4 軸銷測(cè)力傳感器模型、強(qiáng)度校核及有限元分析

4.1 強(qiáng)度分析模型

彈性體三維模型如圖9所示。

4.2 強(qiáng)度校核

強(qiáng)度計(jì)算采用有限單元法，有限單元法為通過(guò)結(jié)構(gòu)分析方法，其將結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，通過(guò)結(jié)構(gòu)的物理方程、幾何方程及邊界條件求出結(jié)構(gòu)的解。經(jīng)簡(jiǎn)化后的有限元模型為圖10所示，其有限單元格長(zhǎng)度為4.3mm，載荷及約束條件模擬傳感器使用現(xiàn)場(chǎng)施加。

4.3 有限元分析結(jié)果

彈性體在20t載荷下，其應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力為350MPa，小于傳感器材料的屈服極限，在靜力載荷條件下，結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，傳感器在受靜載荷20t條件下的應(yīng)力分布如圖11所示；其在30t載荷下，其應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力為526MPa，亦小于傳感器材料的屈服極限，在靜力載荷條件下，結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，傳感器在受靜載荷30t條件下的應(yīng)力分布如圖12所示。

SHL-A新型吊管機(jī)起重機(jī)力矩限制器吸取了市場(chǎng)上眾多現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)于一體，是老式數(shù)碼段位型力矩限制器的理想換代產(chǎn)品。限制器采用分離式設(shè)計(jì)，主機(jī)采用鋁壓鑄殼體，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊傳輸。顯示部分采用工業(yè)觸摸屏，界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔美觀，整體觸摸式操作，反應(yīng)快捷，性能穩(wěn)定可靠，可與各種起重設(shè)備配套使用。

通過(guò)改變測(cè)力傳感器的取力方式和安裝位置，使力矩限制器的測(cè)力傳感器這一關(guān)鍵元件得到有效的保護(hù)，降低了安全附件的損壞幾率，減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用支出及吊管機(jī)使用成本，真正做到了對(duì)吊管機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)，避免了因吊管機(jī)未被保護(hù)發(fā)生事故而造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，進(jìn)一步提升吊管機(jī)安全性，確保工作中人機(jī)安全。

1 吳邦春.一種新型汽車起重機(jī)力矩限制器的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，200（5 21）:112-113.

2 王福綿主編．起重機(jī)械技術(shù)檢驗(yàn)．北京：學(xué)苑出版社，2000.

3 梁桂航，宋正河，毛恩榮．汽車起重機(jī)全力矩限制器的研制【J】．中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，10(1)：52-55．

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