起重機直接稱重柱狀顯示力矩限制器研制

湖南百特隨車起重機有限公司 常德 415106

1 基本情況

1.1 起重機力矩顯示與控制基本情況

力矩限制器是獨立的完全由計算機控制的安全操作系統，能自動檢測出起重機所吊載的質量及起重臂所處的角度，并能顯示出其額定起重量實際載荷、工作半徑和起重臂所處的角度。實時監控檢測起重機工況，自帶診斷功能，快速危險狀況報警及安全控制。具有黑匣子功能，自動記錄作業時的危險工況，為事故分析處理提供依據。

1.2 現有技術

現有力矩限制器在顯示方式上有很多種，基本為根據系統的價格配置相應的顯示系統，但一般為單一儀表界面顯示，顯示界面豐富的一般內置在駕駛室，如汽車起重機的高端的力矩限制器；而隨車起重機的力矩顯控系統則簡單得多，基本只提供了幾個LED數碼管顯示力矩、幅度、高度等數據，在臨近超載時進行聲音和燈光的提示，顯示提醒較原始。用戶在外界無法直接感知起重時力矩動態變化狀態，對于隨車起重機這類無法在駕駛室內操作起重作業的情況來說非常有局限性。

現有力矩限制器計算實時起重力矩的時候一般采用回歸分析法和查表法兩種辦法。

1）回歸分析法 其回歸方程可計算某一工況下額定起重量與實際工作幅度之間的關系。從而計算出實際工作幅度下所對應的額定起重量。按照GB 7950-1999《臂架型起重機力矩限制器通用技術條件》要求，在計算過程中，計算數據的有效位數不小于四位，且相關系數不小于0.999 9。由于用戶并不需要如此多的數據，故一般廠家提供的起重特性數據計算的相關系數應小于要求值的。以某8 t隨車起重特性表為例，在臂長14 m時起重性能數據見表1。

表1 起重特性數據

相關系數r計算公式為

式中：為所有工作幅度的平均值，為所有額定起重量的平均值。

經計算，r＝0.955 825 433＜0.999 9，所以不適合用回歸分析法。

2）查表法 當臂長超過表中規定數值時，將該欄數值與比它更長一級的臂長數值相比較，按照其更長臂長對應的額定起重量進行力矩限制。該方法計算數據量相對回歸分析法要少，安全系數更高，比較適合流動起重機的安全力矩限制。因現有力矩限制器的起重量是通過變幅液壓缸上下腔壓力、臂長、幅度、各臂及相關機構自重計算得出，明顯是因機構運動的復雜性、液壓系統壓力的變化性為了達到國標所要求的綜合精度±5%的精度。因此，同樣需要大量數據運算，增加系統的復雜性。其稱重數據不能作為計量用，而采用三滑輪直接測量因測量裝置龐大會影響隨車起重機的使用，在實際用戶使用中不會采用。

1.3 直接稱重柱狀力矩限制器

直接稱重法是在吊鉤內置標準稱重傳感器，稱重數據通過無線數傳回力矩顯控系統。由于稱重數據是由吊鉤直接稱重而來，無需由多個傳感器的數據進行反推，故可大大提高測控精度，特別是稱量精度得到了極大提高。稱重數據可作為計量用，因其側重裝置內置在吊鉤內，對起重作業無任何影響。在基本臂的臂頭位置額外配置有8位柱狀的COB LED顯示器，動態實時顯示起重力矩數據非常醒目直觀，與力矩限制器主控器屏幕一起動態顯示力矩動態變化數據，大大提高了用戶對載荷提升的敏感度，有利于起重作業的安全。

2 系統開發介紹

直接稱重柱狀力矩限制器通過采集變量值及系統自身的常量值，由處理器運算后得出起重機工作時的力矩，由臂頭的COB LED柱狀顯示器及USART HMI顯示屏顯示力矩狀態，通過查表法確定輸出警告信號。當正常工作時，根據載荷的增加6位綠色COB LED依次點亮；當實測起重力矩達到相應工況90%時，黃色COB LED點亮，且高分貝蜂鳴器間隔0.5 s響起；當實測起重力矩達到相應工況100%時，紅色COB LED點亮，且高分貝蜂鳴器持續響起，此時電磁卸荷閥卸荷。如起重機配置有電液比例閥，系統亦可控制電液比例閥朝安全方向動作，保證起重機安全作業。為防止出現過卷損壞鋼絲繩，配置有無線防過卷開關，當處理器查詢到過卷信號時，高分貝蜂鳴器同樣持續響起，電磁卸荷閥卸荷。

本系統以隨車起重機的結構為例來說明，為方便方案說明，將傳統力矩測定方式與本方案測定方式進行了對比。

2.1 傳統力矩測定方式的隨車起重機的工作參數

傳統力矩測定方式的工作參數及命名見圖1、圖2。傳統力矩限制器需采集的變量值包括吊臂長度BC、變幅角度α、變幅液壓缸大小腔壓力Ys和Yd；系統常量值包括起重機吊臂后鉸點與回轉中心的距離r、基本臂質量g1、二節臂質量g2、三節臂質量g3、四節臂質量g4以及全縮時它們與回轉中心的距離cL1、cL2、cL3、cL4值；吊臂鉸點尺寸三鉸點尺寸La、Lb、Lc；變幅液壓缸大小腔面積 A1、A2。其中， 通 過 cL1、cL2、cL3、cL4、α、BC、r 值計算出 gL1、gL2、gL3、gL4，通過 La、Lb、Lc、α利用三角函數計算出變幅液壓缸力臂Lm。

圖1 傳統力矩測定方式的工作參數及命名

圖2 傳統力矩測定方式的工作參數及命名

額定起重力矩Mn為額定起重量與相應工作幅度的乘積，由起重特性表得出。吊臂系統自身力矩Mb為吊臂各部件自重與其相應幅度的乘積。

實際總力矩M為實測起重力矩與吊臂系統自身重力產生的力矩之和，即

式中：A1為變幅液壓缸大腔面積，A2為變幅液壓缸小腔面積，實測起重力矩Ms為實測起重量與相應工作幅度的乘積。

考慮到吊臂吊重時的擾度，必須進行修正。幅度R計算公式為

式中：K為修正系數，T為要測得的吊重，f為單位吊重在變幅液壓缸產生的壓力[1]。

由于此法計算復雜，實際中對于普通場合可利用起重特性表實測幅度R與理論幅度值BC·cosα值的實際對應關系，然后利用查表法得出R值。

由式（2）、式（3）計算得出Ms與Mn，通過查表法比較從而輸出力矩限制信號。由式（2）、式（3）、式（4）計算出計算吊重，用在力矩限制器顯示。由此可見，用傳統方法計算復雜，偏差相對較大。

2.2 傳統力矩測定方式的隨車起重機的工作參數

本方案力矩測定方式的工作參數及命名見圖3。直接稱重力矩限制器需采集的變量值包括吊臂長度BC、變幅角度α、吊重G。額定起重力矩Mn為額定起重量與相應工作幅度的乘積，由起重特性表得出。實測起重力矩Ms為實測起重量與相應工作幅度的乘積，即

圖3 力矩測定方式的工作參數及命名

其中，Ms/ Mn為輸出動態力矩信號值。

2.3 其他安全裝置

1）過卷開關量 起重機卷揚機卷起重物時，監測吊鉤是否與起重機臂頭發生碰撞的開關量。正常為高電平，碰撞時為低電平。

2）支腿壓力開關 用于監測支腿是否離開地面。

3）起重特性表 標定起重機在多個作業幅度內的額定起重量的表格，如圖4所示。

圖4 標定起重機在多個作業幅度內的額定起重量的表格

3 系統組成

直接稱重柱狀力矩限制器包括傳感器、主控制器、信號輸出系統、系統等，基于國產STC8A8K64S4A12單片機開發，見圖5。

圖5 系統構成

傳感器包括內置在稱重吊鉤內的直接輪輻式10 t拉壓稱重傳感器（見圖6）。稱重傳感器采用輪輻式稱重傳感器直接安裝在吊鉤上支座上，通過螺紋連接浮動稱重軸，浮動稱重軸承載吊重，從而完成稱重。整個結構不影響吊鉤的正常使用，非常方便。稱重傳感器由與之配套的帶RS485通訊口的處理板與STC15W4K48S4通訊，數據處理后由SI4438無線數傳至主控器。內置在吊臂中的CY30-MB串口激光測距長度傳感器。取消了外置拉線盒。WDS-JD-01角度傳感器，無線防過卷及支腿壓力開關包含的開關量輸出信號。

圖6 直接輪輻式10t拉壓稱重傳感器

主控器包含STC8A8K64S4A12及繼電器，max 485、TL431、電源管理電路等輔助器件的主控板。信號輸出系統包括HRB-N80蜂鳴器，7寸USART HMI顯示屏，8位COB LED的柱狀顯示器。柱狀顯示器直接安裝在臂頭上，且具有足夠的亮度，如進度條般的顯示力矩變化值，非常醒目直觀。

4 單片機的開發環境

采用Keil C51開發環境，在Keil C51開發環境中編譯好C語言程序后通過串口直接下載程序至采用STC8A8K64S4A12的主控板非常方便。主控制流程圖如圖7所示。

圖7 主控制流程圖

通過STC8A8K64S4A12的UART2串口與UART HMI觸控顯示屏通訊，可實現用戶的交互操作。可顯示起重作業的各個關鍵參數，以及直觀的力矩載荷進度條，在達到90%載荷時進度條會變成黃色，當超過100%時則會變成紅色，并在屏幕上閃爍超載三角警告標識。同時，通過顯示屏也能觸控輸入調試參數，方便出廠及維護時系統參數的調整。

5 結論

本系統采用直接吊鉤稱重系統，內置激光測長裝置，在臂頭配置有裝置COB LED力矩顯示器，整個測量系統計算簡單，未增加影響正常使用的額外測量裝置，吊重數據可直接作為計量使用。UART HMI的加入既能顯示力矩控制界面，也能通過觸控方式與主控器進行交互。使得整個系統人性化，可維護性大大的提升。