起重機超載保護系統稱重傳感器布置

雷佳佳

（中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063）

0 引言

在起重機中，用以提升或下降貨物的機構稱為起升機構，一般采用卷揚式。起升機構是起重機中最重要、最基本的機構，其工作的好壞直接影響整臺起重機的工作性能。起升機構一般由驅動裝置、鋼絲繩卷繞系統、取物裝置和安全保護裝置等組成。安全保護裝置有超負荷限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保護開關等，根據實際需要配用。其中，超負荷限制器安全保護系統簡稱超載保護系統，是起重機中非常重要的組成部分，本文將結合實際項目分析總結起重機上超載保護系統稱重傳感器的各類布置方式和設計特點。稱重傳感器實際上是一種將重量信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置。使用稱重傳感器時首先要考慮傳感器所處的實際工作環境，這點對正確選用稱重傳感器至關重要，它關系到稱重傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個系統的可靠性和安全性。超載保護系統稱重傳感器從受力方式可分為壓式、拉式和軸銷式三類，由于不同的受力方式具有不同的工作條件和技術要求，因此就有了不同的稱重傳感器安裝方法和規定。下文就將壓式、拉式和軸銷式的稱重傳感器在起重機超載保護系統中的具體布置型式分別介紹，并分析比較其優缺點以及提出布置方式優化的一些設想：

1 各類稱重傳感器的具體布置型式

1.1 拉式稱重傳感器的典型布置型式

拉式稱重傳感器一般安裝在動臂式起重機的鋼絲繩上（如圖1所示）。拉式稱重傳感器多數采用板環形彈性體作為敏感元件，它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出，進而顯示為可讀取的質量數值。拉式稱重傳感器受力后應力流線分布均勻、合理，有比較高的測量精度和靈敏度，密封性能良好，既可以安裝在起升鋼絲繩上用于讀取起升鋼絲繩的拉力，也可以安裝在變幅鋼絲繩上用于讀取變幅鋼絲繩的拉力，具體安裝位置如圖1所示。

圖1 拉式稱重傳感器布置

1. 2 壓式稱重傳感器的典型布置型式

壓式稱重傳感器最典型的安裝方式之一就是安裝在起升絞車的底座上（如圖2所示）。底座采用稱重底座式，稱重底座的一端采用兩套鉸支座，另一端壓在兩套電阻應變式壓力傳感器裝配上，當稱重底座受到吊重物傳遞給鋼絲繩的拉力時，由于杠桿原理，轉化為壓力傳遞給電阻應變式壓力傳感器，然后電阻應變式壓力傳感器將其轉變為可測量的電信號輸出為可讀取的質量數值，進而準確的顯示當前所吊重物的重量，型式可靠，量程范圍大，應用相當廣泛。當實際起重量超過95%額定起重量時，起重量限制器宜發出報警信號。當實際起重量在100% ～110%的額定起重量之間時，起重量限制器起作用，此時應自動切斷起升動力源，但應允許物品作下降運動。

圖2 壓式稱重傳感器布置一

壓式稱重傳感器典型的安裝方式之二是安裝在固定滑輪組裝配的底座上（如圖3所示）。這種安裝在固定滑輪組裝配底座上的壓式稱重傳感器也叫天車秤，是針對天車稱重而專門設計。整個天車秤對定滑輪組進行稱重，傳感器分別安裝在天車定滑輪軸的兩端正下方。在傳感器上的半圓形槽內安裝定滑輪的軸端，同時由限位板來限制傳感器和軸的位置，保證運動時的位置和安全。限位板直接安裝在傳感器墊板上。從而構成一個多傳感器的稱重裝置，實現對定滑輪的稱重，達到對起重重物進行稱重。傳感器數量是定滑輪軸數量的2倍。

圖3涉及的項目中，一共對兩臺小車進行稱重，每臺小車配二只傳感器，它們的信號匯總到接線盒中，再通過雙層屏蔽信號電纜，將信號傳輸到位于小車控制室的臺式儀表，兩臺車的信號匯總到同一只儀表上，儀表可以進行單秤或總和重量顯示。臺式儀表具有清零、去皮、累計、打印、報表、皮重存儲、皮重調用、皮重清除，調顯等功能，并接大屏幕，實現重量數據的大屏幕顯示。臺式儀表還可以設置定值輸出，發出報警信號。

圖3 壓式稱重傳感器布置二

壓式稱重傳感器另一種比較常用的布置方式是安裝在起升卷筒的卷筒軸一端（如圖4所示）。這種壓式稱重傳感器也可稱為軸承座式稱重傳感器，一般是大重量傳感器，生產廠家可以根據圖紙尺寸特殊訂貨配置。其原理是軸承座式稱重傳感器代替普通的軸承座安裝在起升卷筒的卷筒軸一端，一般用于起升繩拉力垂直于起升卷筒向下的起升機構中，通過起升卷筒筒體以及卷筒軸對力的傳遞，將吊重物作用在鋼絲繩上垂直向下的拉力轉化為卷筒軸通過軸承對軸承座式稱重傳感器的壓力，然后軸承座式稱重傳感器將其轉變為可測量的電信號輸出為可讀取的質量數值，進而準確的顯示當前所吊重物的重量。

圖4 壓式稱重傳感器布置三

壓式稱重傳感器還有一種比較特殊的型式叫做旁壓式傳感器，通常也俗稱三滑輪式稱重傳感器（如圖5所示）。這種三滑輪式稱重傳感器是一種高精度的張力測量傳感器，在動臂式起重機上應用比較廣泛，通常安裝在從起升卷筒通往定滑輪的一段起升繩的某一位置。該裝置包括三個滑輪、兩片側板、重量傳感器及連接件，三個滑輪安裝在兩片側板中間，兩片側板之間還設置有軸型重量傳感器。三滑輪式稱重傳感器的原理是利用鋼絲繩受力產生的張力反作用于滑輪產生的剪切力測量所吊重物的重量，精度可靠，量程范圍大，防護等級高，適用于戶外惡劣環境，一般采用萬向節固定，以便安裝后能適應鋼絲繩在運動過程中的擺動。這種三滑輪式稱重傳感器側板之間設置的軸型重量傳感器，其實也就是本文下面要單獨介紹的軸銷式稱重傳感器之中的一種。

圖5 壓式稱重傳感器布置四

1.3 軸銷式稱重傳感器的典型布置型式

軸銷式稱重傳感器是一種20世紀90年代開始發展起來的一種比較新型的稱重傳感器，軸銷式稱重傳感器實際上是一個承載器與稱重傳感器合二為一的集成化結構。此時，承載器就是一個技術性能完全符合要求的專用稱重傳感器，或者說，稱重傳感器本身就是一個整體型承載器。軸銷式稱重傳感器一般是一根承受剪力作用的空心截面圓軸，雙剪型電阻應變計粘貼在中心孔內凹槽中心的位置上。軸銷式稱重傳感器結構緊湊，幾何外形簡單，具有很強的抗扭轉、抗彎曲能力，裝配精度高，稱量準確度較好，因此廣泛使用在門式起重機的超載保護系統中。

軸銷式稱重傳感器最典型的安裝方式之一是安裝在門式起重機小車起升系統（布置圖如圖6所示）的導向滑輪組中某個滑輪上（具體安裝方式見圖6中的剖視圖）。其工作原理是利用穿過導向滑輪的鋼絲繩受力產生的張力反作用于導向滑輪產生的剪切力測量出鋼絲繩的拉力大小，進而通過編程運算顯示出所吊重物的重量。同樣，當實際起重量超過95%額定起重量時，起重量限制器會發出報警信號。當實際起重量在100% ～110%的額定起重量之間時，起重量限制器起作用，此時自動切斷起升動力源，但允許物品作下降運動。

圖6 軸銷式稱重傳感器布置

2 各類稱重傳感器布置方式優缺點的比較

稱重傳感器的類型和布置型式多種多樣，每一種布置型式都有自己的特點和特定功能，不能一概而論，為了清楚顯示各類稱重傳感器布置方式的優缺點，特將其列成表格，如表1所示。

3 稱重傳感器布置方式優化的一些設想

在起重機超載保護系統中，稱重傳感器的布置方式也是可以相互轉換的。例如在上文的壓式稱重傳感器的典型布置型式第一種，即壓式稱重傳感器安裝在起升絞車的稱重底座上的布置型式中，電阻應變式壓力傳感器裝配雖然也可以準確的顯示當前所吊重物的重量，但是由于稱重底座的測量點與電阻應變式壓力傳感器的接觸點是可以分離脫開的，如果某個具體設計項目需要將此處的接觸點改變為連接在一起不會分離脫開的型式，就可以采用軸銷式稱重傳感器。具體做法是將稱重底座的測量點與電阻應變式壓力傳感器的接觸點相接觸的這兩處改變為鉸接，鉸接點的鉸軸直接采用軸銷式稱重傳感器裝配，進而既可以代替原有的電阻應變式壓力傳感器裝配準確的顯示當前所吊重物的重量，又可以保證稱重底座與基座的連接沒有可能會脫開的點。

在我們起重機以往設計和應用的過程中，起重機超載保護系統稱重傳感器的布置方式多種多樣，并且可以預測的是，在將來起重機行業的發展過程中，會有更多種類豐富的新類型的稱重傳感器及其布置方式的出現。但是不管型式怎么變化，其總的原則不會變，那就是安全可靠、讀數準確，即通過不斷設計改進起重機超載保護系統稱重傳感器的布置方式，以使整機更安全更高效的實現其功能，達到更高的經濟性和安全性。

[1] 起重機設計規范[S],GB/T 3811-2008,中國國家標準化管理委員會,2008.

[2] 起重機設計規范[S],GB 3811-83,中國國家標準化管理委員會,1983.

[3] 中國機械工業標準匯編起重機械卷[S],中國標準出版社,2009.