吊管機新型力矩限制器系統的研制

高廣林 劉永紅 陳 濤 徐 艷

河北華北石油工程建設有限公司 河北任丘 6228212

吊管機新型力矩限制器系統的研制

高廣林 劉永紅 陳 濤 徐 艷

河北華北石油工程建設有限公司 河北任丘 6228212

新型吊管機力矩限制器系統的研制，解決了原有產品在吊管機轉場拆裝時，其取力部件傳感器易被損壞的問題，保證了吊管機設備的安全作業。闡述了吊管機力矩限制器系統新的取力方式及工作原理，并對該系統測力傳感器進行了強度及有限元分析。

吊管機 力矩限制器系統 傳感器

吊管機是國內、外長輸管道工程建設中不可缺少的重要裝備，同時也是施工現場危險性較大、容易發生事故的設備，一旦發生事故，將會造成生命財產的重大損失。為避免發生事故，保證其安全作業，力矩限制器就成為非常重要的保護裝置。

現今常用的吊管機力矩限制器其重量檢測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得鋼絲繩的受力，按鋼絲繩受力與吊重物的正比關系就可以得到物體的重量，數據處理過程方便。但由于吊管機自有的工作特性，測力傳感器很容易發生損壞，從而使吊管機無法得到有效保護。變幅油缸取力的方法為使用兩個油壓傳感器分別測得上下油缸的油壓，得到壓力差值，然后結合吊管機的其他結構參數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與重物重量之間的關系，要得到簡潔適用的公式，就必須建立準確的吊管機的數學模型。

與吊管機常用的起升繩取力和變幅缸取力不同，吊管機新型力矩限制器系統取力傳感器安裝于吊管機的變幅機構支撐滑輪組中，不改變設備原有結構條件，將原來的滑輪銷軸更換為現在的銷軸測力傳感器，可以準確檢測負載重力，同時不影響原有機構的運行，不僅解決了由于測力傳感器安裝在吊臂頭部，在使用和吊管機轉場吊臂拆下運輸時，測力傳感器易被碰撞而損壞的問題，也較好地把握了其中的規律，能用簡便的計算公式進行信號與重量之間的推導，提高了吊管機運行的可靠性和安全性。

1 對力矩限制器系統的要求

吊管機工作時，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小；同時，由于吊臂仰角的限制，吊管機的幅度不能過小或過大，所以吊管機的工作范圍應在如圖1所示的陰影部分中。在工作中，力矩限制器系統應具有報警及制動功能，當吊管機工作狀態接近或超出額定負荷時，系統應該能發出報警及進行相關的保護。此外，系統還需要能消除正常工作時重物起降及吊臂變幅對重量測量值的影響。

2 力矩限制器系統配置和工作原理

2.1 力矩限制器系統配置

力矩限制器系統由主機（含顯示器）、角度傳感器、軸銷測力傳感器、高度限位器（過卷開關）及傾角傳感器組成（見圖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心的數據，如當前重量、額定重量、當前幅度、吊臂角度、吊臂長度和當前倍率等相應數據。具有良好的人機對話界面，通過漢字提示，操作人員即可對吊管機力矩限制器主機進行調整。

2.1.2 主機

具有4路傳感器輸入、3路開關輸入、6組繼電器獨立輸出功能，超載、超幅聲光報警、自動控制且穩定性好，精度高，同時具有“報警記錄”功能，記錄歷史故障。當起重力矩達到額定起重力矩的90%，發出預警信號；達到額定起重力矩的100%，發出報警信號；達到額定起重力矩的102%，輸出泄荷信號，停止危險動作，只能允許吊管機向安全方向運行。

2.1.3 稱重傳感器

采用軸銷傳感器，是專門為工業用途而設計的，全密封結構，應變片選用環氧酚醛箔式電阻應變計，具有精度高，長期穩定性好的特點。

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2.1.4 水平傳感器

水平傳感器即雙軸傾角傳感器，采用高速數字處理器，對重力加速度信息進行處理與運算，然后經過數模轉換器，使輸出電壓隨傳感器傾斜角度的變化而變化，測量范圍±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，采用工業器件，性能穩定、可靠，抗沖擊、抗震動，外殼防護等級IP67，0.5～4.5V電壓輸出，測量范圍-10°～110°。

2.1.6 防過卷開關

防吊鉤高度過卷控制，它與一適當重量的重錘配套，利用吊鉤的上下運動托起或放下重錘時斷開或導通開關，實現自動切斷卷揚機動力電源連通剎車系統，從而達到限制鋼絲繩過卷的目的，也起到控制吊鉤在一定高度內升降的目的。

防過卷開關由行程開關、金屬殼體、重錘、鋼絲繩等部分組成。金屬殼體內置的行程開關，結構緊湊，能自動復位。未配重錘的情況下為常閉式（即鉤頭碰到吊臂后，回路閉合）。產品設計合理，性能先進，動作靈活，具有密封防水性能強，安全可靠、安裝方便等特點。

2.2 力矩限制器系統工作原理

當儀器接通電源，儀器內部各個模塊初始化；角度傳感器、重量傳感器、水平度傳感器將檢測到的信號通過屏蔽電纜傳給信號調理模塊，信號經過相應的放大等處理后送給A／D轉換芯片，經過A／D轉換芯片將模擬信號轉換成數字信號送給CPU處理；CPU進行運算處理后得到相應的數值，相應數值通過通信模塊送給觸摸屏顯示出來，同時部分數值與儀器內部E2PROM中預先設定的數據進行比較，當達到或超過預設的極限值時，就發出報警聲和有漢字提示并輸出控制信號自動切斷吊管機械向危險方向的控制回路，但允許向安全方向運行，從而達到防止發生危險事故的目的；需要時也可以在觸摸屏上修改相關參數，通過通信模塊從而修改CPU內部E2PROM中預先設定的參數，從而實現部分參數通過現場進行調試修改的目的，工作原理如圖3所示。

3 力矩限制器系統取力實現方案

3.1 顯示器及主機

觸摸屏顯示器安裝在吊管機駕駛室聯動臺的側面，以便于司機察看，也不影響操作吊管機，主機安裝在吊管機駕駛室聯動臺的前部，觸摸顯示器安裝位置如圖4所示。

3.2 銷軸式測力傳感器

3.3 角度傳感器

角度傳感器安裝于吊臂內側，其零位對準主臂中心線，安裝位置如圖6所示。

3.4 防過卷開關

防過卷開關安裝于吊臂頭部，碰撞重錘穿過吊鉤起升鋼絲繩未端，開關與重錘之間由吊繩和專用鎖扣連接，拆裝簡單方便，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，安裝簡單，可以用來預知吊管機相對于水平面的傾角變化量，進一步提升了吊管機工作的可靠性和安全性。

將傳感器水平安裝，外殼標簽上兩箭頭所形成的面與水平面平行時，輸出電壓為2.5V，按箭頭方向向上或向下偏轉，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 軸銷測力傳感器模型、強度校核及有限元分析

4.1 強度分析模型

彈性體三維模型如圖9所示。

4.2 強度校核

強度計算采用有限單元法，有限單元法為通過結構分析方法，其將結構離散成有限個單元，通過結構的物理方程、幾何方程及邊界條件求出結構的解。經簡化后的有限元模型為圖10所示，其有限單元格長度為4.3mm，載荷及約束條件模擬傳感器使用現場施加。

4.3 有限元分析結果

彈性體在20t載荷下，其應力集中區的最大應力為350MPa，小于傳感器材料的屈服極限，在靜力載荷條件下，結構符合強度設計要求，傳感器在受靜載荷20t條件下的應力分布如圖11所示；其在30t載荷下，其應力集中區的最大應力為526MPa，亦小于傳感器材料的屈服極限，在靜力載荷條件下，結構符合強度設計要求，傳感器在受靜載荷30t條件下的應力分布如圖12所示。

SHL-A新型吊管機起重機力矩限制器吸取了市場上眾多現有產品的優點，集自動化技術、計算機技術和傳感技術于一體，是老式數碼段位型力矩限制器的理想換代產品。限制器采用分離式設計，主機采用鋁壓鑄殼體，通過標準Modbus協議進行通訊傳輸。顯示部分采用工業觸摸屏，界面設計簡潔美觀，整體觸摸式操作，反應快捷，性能穩定可靠，可與各種起重設備配套使用。

通過改變測力傳感器的取力方式和安裝位置，使力矩限制器的測力傳感器這一關鍵元件得到有效的保護，降低了安全附件的損壞幾率，減少了設備維護費用支出及吊管機使用成本，真正做到了對吊管機的實時監控和保護，避免了因吊管機未被保護發生事故而造成生命財產的重大損失，進一步提升吊管機安全性，確保工作中人機安全。

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

2 王福綿主編．起重機械技術檢驗．北京：學苑出版社，2000.

3 梁桂航，宋正河，毛恩榮．汽車起重機全力矩限制器的研制【J】．中國農業大學學報，2005，10(1)：52-55．

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