鐵路橋式起重機(jī)限重傳感器的研制與應(yīng)用

李 誠 上海新海信通信息技術(shù)有限公司

1 引言

起重機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中起到極其重要作用。每臺(tái)起重機(jī)械根據(jù)用途不同，允許的最大起重重量也不同。為了保證起重機(jī)械和人身安全，在每臺(tái)橋式類型起重機(jī)和升降機(jī)等設(shè)備上均安裝有起重機(jī)限重器。當(dāng)起重機(jī)起吊的物體超過限重值時(shí)，限重傳感器檢測的信號控制起重機(jī)自動(dòng)停止工作，及時(shí)防止事故的發(fā)生。

2 現(xiàn)狀分析

由于目前使用的限重傳感器是圓柱體，兩端分別有防轉(zhuǎn)定位凹面，上面壓上定位板，防止傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)和串動(dòng)。但由于傳感器安裝在吊機(jī)最上方，又有振動(dòng)，會(huì)使定位板脫落等情況，造成傳感器發(fā)生串動(dòng)發(fā)生事故。

圖1 限重傳感器安裝在起重機(jī)上位置圖

圖1 為限重傳感器安裝在起重機(jī)上位置圖。它是一種柱狀傳感器，穿入固定支座孔內(nèi)，傳感器中間固定鋼絲繩拉力支架，用于傳遞鋼絲繩拉力至傳感器受力面上。

目前使用的限重傳感器是圓柱體（如圖2 所示），兩端分別有防轉(zhuǎn)定位凹面，上面壓上定位板，防止傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)和串動(dòng)。但由于傳感器安裝在吊機(jī)最上方，又有振動(dòng)，會(huì)使定位板脫落等情況，造成圓柱體傳感器發(fā)生向左或者向右串動(dòng)，從而引發(fā)事故。

3 新型限重傳感器工作原理

設(shè)計(jì)一種新型限重傳感器替代目前機(jī)重機(jī)限重傳感器，它具有精度高(千分之一) ，安裝方便，專門設(shè)計(jì)的固定式定位板具有防轉(zhuǎn)動(dòng)定位等特點(diǎn)。

圖3 新型限重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

新型限重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，圖4 是傳感器三視圖。它由限重傳感器、運(yùn)算放大器、控制執(zhí)行器和載荷指示計(jì)等部分組成。超載限制器是由傳感器、運(yùn)算放大器、控制執(zhí)行器和載荷指示計(jì)等部分組成。WTAU 起重機(jī)限重器將顯示、控制和報(bào)警功能集于一身。當(dāng)起重機(jī)起吊物品時(shí)，限重傳感器產(chǎn)生變形，把載荷重量轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過運(yùn)算放大，指示出載荷的數(shù)值。當(dāng)載荷達(dá)到額定值的90%時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號；當(dāng)載荷超過額定載荷時(shí)，切斷起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。

圖4 傳感器三視圖

限重傳感器采用高精度電阻式應(yīng)變片為敏感元件，具有精度高、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)低等特點(diǎn)。該拉力傳感器結(jié)構(gòu)采用矩形工字梁結(jié)構(gòu)，剪切力在工字形截面中的應(yīng)力分布比較均勻。電阻應(yīng)變片粘貼在拉力傳感器中部的盲孔中部，其四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化基本相同。這大大提高了傳感器的線性，因此傳感器比較容易做成較高的精度。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

限重傳感器基本原理類同于一般應(yīng)變式傳感器，但這里采用了二個(gè)雙應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片，粘貼在盲孔的兩側(cè)。半橋型應(yīng)變片如圖5 所示。

圖5 半橋型應(yīng)變片

傳感器在工作時(shí)，應(yīng)變片中R1如受正剪切力，那R2亦受負(fù)剪切力，而另一個(gè)雙應(yīng)變處事中的R3受正剪切力，R4受負(fù)剪切力，如圖6 所示。

圖6 工作電橋

當(dāng)在1、3 端加上一個(gè)電壓，則在2、4 兩有一個(gè)正比力的電壓輸出。從圖中可以看出這是一個(gè)圓柱型梁并在梁兩端適當(dāng)位置加工了兩個(gè)盲孔，這樣將圓形變成了工字梁，這一變化避免了矩形梁寄生應(yīng)力，使應(yīng)力的工字梁區(qū)均勻一致，這就大大提高了傳感器的精度。

5 受力分析

①此傳感器可簡化成兩端受力集中拉伸或載荷柱式梁，力學(xué)模型示意圖如圖7 所示。

圖7 力學(xué)模型示意圖

②中間受力載荷作用的柱式梁應(yīng)力計(jì)算

③梁的剪應(yīng)力及剪應(yīng)變計(jì)算

工字梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變區(qū)位置及應(yīng)力分布如圖8 所示。

圖8 工字梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變區(qū)位置及應(yīng)力分布圖

剪切梁傳感器的一般均在應(yīng)變梁的拐點(diǎn)E 處加二個(gè)盲孔，局部形成工字梁，其剪應(yīng)力可用茹拉夫斯基公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

剪切截面對中軸的靜矩Sy：

剪切截面對中軸的慣矩Jy：

45°方向的主應(yīng)力和主應(yīng)變計(jì)算，沿梁中線軸成45°方向壓力的長度變化，正是純剪切力狀態(tài)下的主應(yīng)力方向，其主應(yīng)力與最大剪切力，主應(yīng)變與最大剪應(yīng)變滿足下列關(guān)系：

6 技術(shù)參數(shù)

傳感器信號輸出根據(jù)現(xiàn)場需要，可以做成電流輸出或電壓輸出。輸出信號經(jīng)過專用屏蔽電纜送入變送器和控制器使用。技術(shù)參數(shù)如下：

額定載荷：20 t；

額定輸出：1.0±0.1%mV/V；

零點(diǎn)輸出：1.00%F.S；

滯后性：0.1%F.S；

綜合誤差： 0.1%F.S；

重復(fù)性： 0.1%F.S；

蠕變： 0.03%F.S；

絕緣電阻：≥5 000(100CDC)MΩ；

推薦電壓：5 VDC～15 VDC；

工作溫度：-20℃～+60℃；

材質(zhì)：合金鋼；

激勵(lì)：+紅；-黑；

信號：+綠；-白。

7 結(jié)束語

該限重傳感器從根本上防止了由于限重傳感器定位板松動(dòng)后導(dǎo)致傳感器串動(dòng)并脫離吊具的重大事故發(fā)生。這種新型限重傳感器沒有改變主體結(jié)構(gòu)尺寸，具有良好的互換性。該傳感器通過規(guī)范的產(chǎn)品檢測后可以快速安裝替換現(xiàn)有傳感器，從根本上解決限重傳感器串動(dòng)脫離吊機(jī)基座的問題。