鐵路橋式起重機限重傳感器的研制與應用

李 誠 上海新海信通信息技術有限公司

1 引言

起重機械在國民經濟生產中起到極其重要作用。每臺起重機械根據用途不同，允許的最大起重重量也不同。為了保證起重機械和人身安全，在每臺橋式類型起重機和升降機等設備上均安裝有起重機限重器。當起重機起吊的物體超過限重值時，限重傳感器檢測的信號控制起重機自動停止工作，及時防止事故的發生。

2 現狀分析

由于目前使用的限重傳感器是圓柱體，兩端分別有防轉定位凹面，上面壓上定位板，防止傳感器轉動和串動。但由于傳感器安裝在吊機最上方，又有振動，會使定位板脫落等情況，造成傳感器發生串動發生事故。

圖1 限重傳感器安裝在起重機上位置圖

圖1 為限重傳感器安裝在起重機上位置圖。它是一種柱狀傳感器，穿入固定支座孔內，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），兩端分別有防轉定位凹面，上面壓上定位板，防止傳感器轉動和串動。但由于傳感器安裝在吊機最上方，又有振動，會使定位板脫落等情況，造成圓柱體傳感器發生向左或者向右串動，從而引發事故。

3 新型限重傳感器工作原理

設計一種新型限重傳感器替代目前機重機限重傳感器，它具有精度高(千分之一) ，安裝方便，專門設計的固定式定位板具有防轉動定位等特點。

圖3 新型限重傳感器結構示意圖

新型限重傳感器結構示意圖如圖3 所示，圖4 是傳感器三視圖。它由限重傳感器、運算放大器、控制執行器和載荷指示計等部分組成。超載限制器是由傳感器、運算放大器、控制執行器和載荷指示計等部分組成。WTAU 起重機限重器將顯示、控制和報警功能集于一身。當起重機起吊物品時，限重傳感器產生變形，把載荷重量轉化為電信號，經過運算放大，指示出載荷的數值。當載荷達到額定值的90%時，發出預警信號；當載荷超過額定載荷時，切斷起升機構的動力源。

圖4 傳感器三視圖

限重傳感器采用高精度電阻式應變片為敏感元件，具有精度高、穩定性好、溫度系數低等特點。該拉力傳感器結構采用矩形工字梁結構，剪切力在工字形截面中的應力分布比較均勻。電阻應變片粘貼在拉力傳感器中部的盲孔中部，其四個應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 結構設計

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

圖5 半橋型應變片

傳感器在工作時，應變片中R1如受正剪切力，那R2亦受負剪切力，而另一個雙應變處事中的R3受正剪切力，R4受負剪切力，如圖6 所示。

圖6 工作電橋

當在1、3 端加上一個電壓，則在2、4 兩有一個正比力的電壓輸出。從圖中可以看出這是一個圓柱型梁并在梁兩端適當位置加工了兩個盲孔，這樣將圓形變成了工字梁，這一變化避免了矩形梁寄生應力，使應力的工字梁區均勻一致，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，力學模型示意圖如圖7 所示。

圖7 力學模型示意圖

②中間受力載荷作用的柱式梁應力計算

③梁的剪應力及剪應變計算

工字梁結構的應變區位置及應力分布如圖8 所示。

圖8 工字梁結構的應變區位置及應力分布圖

剪切梁傳感器的一般均在應變梁的拐點E 處加二個盲孔，局部形成工字梁，其剪應力可用茹拉夫斯基公式進行計算：

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°方向的主應力和主應變計算，沿梁中線軸成45°方向壓力的長度變化，正是純剪切力狀態下的主應力方向，其主應力與最大剪切力，主應變與最大剪應變滿足下列關系：

6 技術參數

傳感器信號輸出根據現場需要，可以做成電流輸出或電壓輸出。輸出信號經過專用屏蔽電纜送入變送器和控制器使用。技術參數如下：

額定載荷：20 t；

額定輸出：1.0±0.1%mV/V；

零點輸出：1.00%F.S；

滯后性：0.1%F.S；

綜合誤差： 0.1%F.S；

重復性： 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：合金鋼；

激勵：+紅；-黑；

信號：+綠；-白。

7 結束語

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后導致傳感器串動并脫離吊具的重大事故發生。這種新型限重傳感器沒有改變主體結構尺寸，具有良好的互換性。該傳感器通過規范的產品檢測后可以快速安裝替換現有傳感器，從根本上解決限重傳感器串動脫離吊機基座的問題。