碟簧在塔吊鋼絲繩超載報警器中的應用

王敏潔　李作文　孫利民

摘 要：在我國經濟發展的重要時期，隨著塔式起重機（塔吊）的使用頻率不斷提高，塔吊超載垮塌事故也隨之頻繁發生。針對此狀況，可應用力學模型研制一種可靠、簡單、價格低廉的鋼絲繩超載報警器，來確保塔吊的安全運行。因此，對碟簧在新型報警器中的應用展開了論述，通過與目前常用的報警器進行比較，分析了碟簧在報警器中應用的優越性，并研究了碟簧的相關計算、校核、選取和試驗。

關鍵詞：超載報警器；塔式起重機；鋼絲繩；碟簧

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.013

目前，我國正處于經濟大發展的重要時期，城鎮化建設全面鋪開，建筑工地星羅棋布，同時，因塔吊超載而造成的垮塌事故也層出不窮。塔式起重機的安全運行與起重機鋼絲繩的載荷有著密切的關系，因此，在起重機的正常運行中，應嚴格控制起重機鋼絲繩的負載，使其處于額定載荷內。針對這種情況，研制了一種新型塔式起重機超載報警器，并在報警器中應用了碟簧，將鋼絲繩拉力轉變為了碟簧壓縮變形量。碟簧的體積小、承載能力強、加壓均勻、緩沖和減震能力強，可采用不同的組合（疊合或對合），以得到不同的負荷、非線性、漸增性、零剛度和負剛度的變性特性曲線。其最明顯的優點是可在很小的變形條件下，承受變化范圍較大的載荷，這對提高報警器的精度有重要作用。

1 報警器概述及其工作原理

目前，使用較廣泛的是電阻應變式測力傳感器，可將測力傳感器直接與鋼絲繩串接，測力傳感器彈性元件在鋼絲繩產生的張力的作用下應變，利用應變計將此應變轉換為電阻變化，再通過測量電橋將電阻變化轉化成電壓變化測量。一方面，此方法的靈敏度較低，如果長期使用此方法，則傳感器的應變元件易產生塑性變形，進而導致測量結果不準確；另一方面，該傳感器完成了力、應變、電阻與電壓之間的轉換，過程過于復雜。

另一種傳感器主要利用電磁檢測原理，根據鋼絲繩的捻制股波特點，并利用了電磁傳感器的信號變化推算鋼絲繩拉力。與傳統方法相比，這種檢測方法簡單、精度高，但因鋼絲繩的結構復雜，該技術在使用時受到了限制。比如，磁彈效應的存在使外力對鐵磁材料的磁化特性造成了一定的影響，且在鋼絲繩檢測領域中很少有鋼絲繩受力大小對其磁化效應影響的研究成果。本次研制將碟簧應用于塔吊鋼絲繩報警器中，與市場上其他報警器相比具有一定優越性，還可在一定程度上彌補以上2種常用裝置的不足。

本次研制的塔吊超載報警器屬于測力傳感式聲光報警器，由碟簧、受力拉桿和報警電路等構件組成（如圖1和圖2所示）。當塔吊吊載重物時，鋼絲繩逐漸被拉直，拉桿向下移動，碟簧被壓縮，鋼絲繩拉力轉化為碟簧壓縮變形量，壓縮量與載荷有一定的比例關系，通過壓縮量可控制開關的狀態。在電路部分中，采用霍爾翼片開關和機械限位開關雙重保護，并將其固定在底座上，隨著碟簧的壓縮向下運動。當載荷超過額定值，即達到限定壓縮量時，開關動作，電路接通，報警器報警，從而達到對起重量超載進行限制的作用。該報警器應用碟簧完成了從抽象拉力到可測量壓縮變形量的轉化，目前市場上的報警器很少具有該功能。

2 碟簧的力學特征

碟形彈簧簡稱“碟簧”，是在軸向上呈錐形并承受負載的特殊彈簧（如圖3所示）。國標GB/T 1972—2005規定了它的技術要求。其可分為三類，按其外徑D和壓平時的高度h0與厚度t的比值D/t、h0/t分成A，B，C三個系列，可以分別滿足不同的需求（如表1和表2所示），又因其具有獨特的優點而被廣泛應用于鉆機、模具、液壓件和軍工中。

將報警器固定于鋼絲繩上，體積不宜過大。碟簧呈薄片形，非常適合軸向空間中較狹小的場合；碟簧的承載能力強，可在較小的變形條件下承受變化范圍較大的載荷，適用于塔吊類高負荷機械。當將鋼絲繩拉力轉化碟簧所受壓力時，由于碟簧的緩沖和減震能力較強，壓縮量不會出現過大的波動，從而保證了測量結果的精確性。此外，碟簧負載變形曲線呈非線性關系，極限行程與厚度的比在不同數值范圍內特性曲線的特點也不同。由于碟簧具有的固有特性，對于不同的鋼絲繩，可選擇不同的極限行程與厚度比來滿足需求；按需要進行碟簧之間的組合，以得到不同負荷、非線性、漸增性、零剛度和負剛度的變形特性曲線；進行積木式的裝配和更換，從而為維修、換裝帶來方便。現階段，關于碟簧力學特性的研究已近完備，將其應用在報警器中不存在技術上的障礙。

3 碟簧壓縮量計算

第二步，根據計算得到的碟簧壓力數據，即碟簧載荷F，查詢表3中的碟簧參數，初選碟簧為C系列的63×31×1.8×4.15.已知D/t=63/1.8=35，計算得出K1=0.69.應用式（3）計算碟簧壓平時的載荷Fc，得出Fc=4.467 kN。

第三步，根據碟簧載荷F與碟簧壓平時的載荷Fc的比值≈0.895，查單片碟簧特征曲線得f/h0=0.62，則f=0.62h0=0.62×2.35=1.457 mm。

第四步，按照總變形量fz1=5 mm所要求的組數i=fz1/f=5/1.457≈3.4，因此取4個碟簧組。未受負荷時的自由高度H（總）=i×[H0+（n-1）]=23.8 mm。理論壓縮量為f（總）=i×f1=4×1.457=5.828 mm。最終確定如下組合：4個碟簧組，每組2個碟簧，總高度為24 mm，壓縮量約為5.828 mm。

第五步，碟形彈簧校驗。對于靜載荷作用下的碟簧，通過校驗f=h0時的應力σOM來驗證碟簧的安全性。壓平時的σOM應接近碟簧材料的屈服點σS，對于材料為60Si2MnA的碟簧，其屈服點的σS為1 400～1 600 MPa。通過計算，可以得出σOM的數值，σOM=1 000.26 MPa，符合要求，初選碟簧合適。

4 試驗結果分析

試驗用WDW200D萬能材料試驗機進行拉伸測試，測得在許用拉力下碟簧的實際均壓縮量為5.75 mm，與理論值接近，并設定此值為極限壓縮量，經反復拉伸試驗，記錄了當開關動作時的鋼絲繩實際拉力和碟簧實際壓縮量，具體數據如表4所示。

經計算，在5%誤差范圍內，達到最小破斷拉力時的報警器報警的精度較平穩、可靠，運行效果較好，試驗圖如圖4所示。

在實際應用中，需要根據鋼絲繩的種類確定不同碟簧及其組合方式、數量、壓縮量，并可對同一種鋼絲繩進行批量生產。

5 結束語

通過以上分析計算和試驗可看出，碟簧在塔吊超載報警器中的應用彌補了現階段報警器的一些不足，其制作原理簡單、操作方便、報警效果好、系統可靠性高，能有效防止塔吊工作中的鋼絲繩超載，并執行報警監視。目前，該超載報警器處于試驗階段，屬于國家級大學生創新性實驗計劃項目，希望社會各界人士能不斷提出新的要求，我們將繼續探索和完善碟簧在該報警器的應用，從而提高報警器的性能。

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： In an important period for China's economic development， with the increasing frequency of use of the tower crane （crane）， crane overload collapse accident also subsequently occurs frequently. This condition can be applied mechanics model developed a reliable， simple， inexpensive wire rope overload alarm， to ensure the safe operation of the tower crane. Therefore， application of disc spring in new type of alarm in the exposition， by comparing with the common alarm， analysis the superiority of the application of disc spring in alarm， and the relevant calculation of the disc spring， checking， selection and testing.

Key words： overload alarm； tower crane； wire rope； disc spring