一種岸邊集裝箱起重機拉板式重量傳感器研發

閻旭文

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

岸邊集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)超載保護一般包括吊具單角保護、吊具左右側偏載保護以及總起重量保護。超載保護的核心檢測元件是重量傳感器，其數據測量的準確性和工作的可靠性決定了過載保護的性能，也在一定程度上影響著岸橋的作業效率。重量傳感器一般由敏感元件、傳感元件和測量電路3部分組成，主要分為壓式、銷軸式和拉板式3種類型。銷軸式重量傳感器已經成為岸橋項目的標配，近年來拉板式重量傳感器開始在岸橋項目上使用，并引起岸橋設計人員的關注，特別是在測量拉力更直接、安裝要求不高以及易于拆裝等方面優勢明顯。

2 銷軸式重量傳感器

2.1 結構與工作原理

常用的銷軸式重量傳感器是一個中空的圓柱體，通常由優質不銹鋼制成，具有一定的防銹和耐腐蝕性能。它由壓力承載區、傳感器支撐區和2個測量凹槽構成(見圖1)。測量裝置是由應變片組成的惠斯通電橋，安裝在傳感器內[1]。

1.支撐 2.卡板 3.放大器 4.信號輸出 5.測量凹槽 6.應變片(內置) 7.鋼絲繩滑輪圖1 銷軸式重量傳感器的結構

傳感器的中間部分為實際受力區域，即外力作用區域；傳感器左、右兩部分為支撐區。在外力作用下，2個凹槽處會產生剪力。2個凹槽受到剪力作用后，凹槽內的應變片發生形變(見圖2)。由剪切應力引起的變形轉換成與負載成正比的電信號[2-3]。

圖2 應變片受剪力作用形變

2.2 典型安裝與受力分析

在岸橋上，銷軸式重量傳感器主要有滑輪組和夾繩板2種安裝形式。

滑輪組形式是當前的主流安裝形式，主要由滑輪裝配、軸套、自潤滑軸承、卡板以及銷軸式重量傳感器等組成(見圖3)。

1.軸套1 2.重量傳感器 3.卡板 4.軸套2 5.滑輪 6.自潤滑軸承 7.軸套3圖3 滑輪組形式的安裝圖

滑輪組安裝形式中銷軸式重量傳感器的受力見圖4，鋼絲繩力通過滑輪傳導到軸套上，再通過軸套作用于傳感器的受力面。在這個外力作用下，傳感器的兩凹槽處產生剪力，由剪力引起傳感器內部應變片形變，輸出與鋼絲繩力成正比的電信號。

圖4 滑輪組形式的傳感器受力圖

夾繩板形式是一種非主流安裝形式，其結構主要包括夾繩板、傳感器安裝支架、卡板、軸套以及銷軸式重量傳感器等，具體安裝形式見圖5。

夾繩板形式的安裝中銷軸式重量傳感器的受力見圖6，鋼絲繩力通過夾繩板作用在傳感器上、下兩部分。根據作用力與反作用力原理，在固定支架的傳感器受力面上會受到一個同鋼絲繩拉力大小相同但方向相反的力的作用，此力通過支架傳導到軸套，再由軸套傳導到傳感器受力面，傳感器兩凹槽處產生剪力，由剪力引起傳感器內部應變片形變，輸出與鋼絲繩力成正比的電信號。

圖6 夾繩板形式的傳感器受力圖

2.3 缺點分析

銷軸式重量傳感器的工作原理和自身結構決定了其在實際使用中存在一些缺點，會造成傳感器測量精度下降，甚至有因拆裝不當直接造成傳感器損壞的風險。

(1)傳感器的輸出實際上是通過外力在傳感器上凹槽處產生的剪力來實現的，是間接測量的結果，傳感器的線性誤差會比較大。

(2)作用力在傳感器受力面的不同分布，即同樣的外力作用于受力面的面積不同，對剪切應力的影響非常大，會產生較大的測量誤差。

(3)傳感器左右兩邊支撐體的材質如果偏軟、強度不夠或者支撐體的寬度小于20 mm，都會導致傳感器的測量精度下降；支撐體在長時間頻繁受力后，會出現磨損，導致測量精度下降。

(4)傳感器左、右支撐體的安裝孔如果不同心，會造成安裝困難并且容易造成傳感器扭曲變形。

(5)傳感器在安裝時雖然加入了潤滑油，但因潤滑不充分，會發生“粘結”現象，從而導致傳感器表面受損，甚至是損壞。

(6)在現場調試和設備使用過程中，卡板沒有可靠固定，傳感器在設備作業過程中發生銷軸旋轉和軸向移動，致使傳感器定位不準，造成傳感器讀數不準。

3 拉板式重量傳感器

3.1 結構與工作原理

拉板式重量傳感器通常是由防銹、耐腐蝕的優質不銹鋼或合金鋼制成。測力點位于2個安裝孔的中心(見圖7)。拉力作用傳感器后，應變片隨彈性體的微變形而形變，橋式測量電路把這個應力轉變為與負載成正比例的電信號。經過溫度補償、校準等工藝過程，由內置或外置的放大器將信號轉變成需要的輸出信號。

圖7 傳感器結構與受力

3.2 安裝與受力分析

拉板式重量傳感器安裝形式采用“轉向滑輪+夾繩板”形式(見圖8)，安裝結構主要由轉向滑輪、夾繩裝置、拉板式傳感器、十字接頭、固定板裝置、連接銷軸、卡板以及墊圈組成。轉向滑輪與夾繩板聯合使用可以有效避免傳感器受扭矩和彎矩的作用。

1.固定板裝置 2.十字接頭 3.重量傳感器 4.夾繩裝置 5.銷軸 6.卡板 7.墊圈圖8 夾繩板形式的安裝圖

夾繩板形式的安裝受力見圖9，鋼絲繩拉力是通過夾繩板和銷軸直接作用在傳感器上，傳感器的彈性體受拉力作用產生形變，位于拉板中心的應變片隨彈性體形變而變形，直接輸出與鋼絲繩拉力成正比的電信號。

圖9 夾繩板形式的傳感器受力圖

3.3 優點分析

從安裝使用的角度而言，拉板式重量傳感器具有如下優點：

(1)傳感器的輸出信號實際上就是鋼絲繩力直接作用在傳感器上，使彈性體上的應變片隨彈性體形變產生的，是直接測量的結果，傳感器的線性誤差小。

(2)安裝與拆卸簡單，如需拆除更換，無需特殊工具和較長的時間，同時也不會發生因拆裝不當造成傳感器損壞。

(3)除了要注意安裝孔和連接銷軸的配合公差以及要避免讓傳感器受到扭矩和彎矩作用外，對裝配件的制作和安裝并沒有太多嚴格的要求。

(4)新岸橋投產后，傳感器運行穩定，在使用中沒有發生需要不定期重新標定重量傳感器的問題。

4 結語

超載保護對于岸橋起著至關重要的安全保護作用，作為超載保護核心元件的重量傳感器，拉板式傳感器與銷軸式傳感器相比，具有比較明顯的技術優勢。從安裝要求角度而言，銷軸式傳感器對裝配件制作和安裝要求高，且測量精度受安裝影響很大；拉板式傳感器安裝要求相對較低，且測量精度受安裝影響小。從維護保養的角度而言，拉板式傳感器在拆裝的便捷性上優勢明顯，但其成本稍高，約是銷軸式傳感器的1.1～1.3倍。鑒于以上分析，對港機終端用戶而言，從性價比、安裝難易程度和維護便捷程度等方面綜合考慮，拉板式重量傳感器是更優的選擇。