(7)--多功能起重机力矩限制器设计.pdf

0 引言2 0 0 7年上半年，工程起重机行业利润总额同比增长1 0 5%，产品销售收入同比增长 5 6%，工业增加值同比增长5 4%。然而，起重机也是一种蕴藏危险因素较多，事故发生几率较大的工程机械，国内外每年都发生大量因起重机作业造成的设备损坏甚至人身伤亡事故。任何起重机都有其最大安全载荷限度，超过这个限度，轻则对设备部件造成损坏，重则发生整车倾覆的恶性事故。因此，必须控制起重机在安全限度内工作。在这种条件下，具有载荷、力矩限制功能的起重机力矩限制器应运而生。起重机力矩限制器主要是以起重力矩作为监测的核心。起重机力矩限制器是一种重要的起重机超载保护装置，它主要装备在汽车吊、轮胎吊和履带吊等大型起重机上。通过系统内的传感器对起重机的关键工作参数进行实时检测，经过分析计算和数据处理得到结果，并结合起重机的当前工况进行判断。当实际载荷接近起重机的非安全工作范围时，系统预报警;超过非安全工作范围时，系统报警并自动进行安全保护控制，禁止起重机向危险方向动作。本系统设计一种基于单片机的起重机力矩限制器，能够实现起重力矩的安全信息监测和报警功能。1 系统总体结构方案设计1.1系统的总体功能起重机力矩限制器是装备在起重机上的超载保护装置，为防止起重机由于操作不当和过大的起重力矩而发生倾翻、折臂等事故，起重机必须安装有力矩限制器，以保证安全作业，且作为安全保护装置的力矩限制器必须具有很高的可靠性、稳定性和检测精度。本系统的主要功能是实现起重机起重力矩的安全监测，实时显示起重机的工作幅度、实际起重量、额定起重量等。对于报警的设置，本系统当起重机实际起重量大于或等于 9 0%额定起重量时，进行报警信息显示和发出报警声音。1.2系统的总体方案起重机力矩限制器系统由检测、报警、输入输出和控制单元四部分构成。核心控制器采用的是工业用批次的A T 8 9 S 5 2 单片机。检测和控制单元是起重机力矩限制器的核心，其主要的功能有如下几方面:实时对各路传感器信号进行采样，取得起重机的某些工作参数，如力传感器信号、臂长信号等，经过计算得出相应工况下的实际起重量。当起重机实际起重量大于或等于 9 0%额定起重量时，对报警单元发出控制信号。输入输出部分有显示单元和键盘部分组成，实现人机交互功能。显示单元选择了 1 6 位 L C D 显示器，键盘用系统各种参数的设置。显示单元既可以显示系统的相关参数和实时测量数据，也可以显示报警信息。多功能起重机力矩限制器设计T h eD e s i g no fM u l t i-f u n c t i o nC r a n eT o r q u eL i m i t e r摘要：本设计以传感器检测技术为基础，实现对起重机起重臂工作状态信号的采集。设计了以单片机为核心的起重机力矩限制器，对采集到的信号进行处理。当起重机实际起重量大于或等于 90%额定起重量时，系统进行报警。本设计可以提高对起重机的安全监控，可以减少起重机安全事故的发生。关键词：起重机；力矩限制器；超载保护；单片机中图分类号：TP271文献标识码：B文章编号：1671-4792-(2008)12-0203-03Abstract:I nt h i sd e s i g n,t h es i g n a lo ft h ec r a n eb o o m sw o r ks t a t ei sc o l l e c t e db a s e do nt h es e n s o rd e-t e c t o rt e c h n o l o g y.T h ek e r n e lo ft h ec r a n eT o r q u eL i m i t e ri sm i c r o c o n t r o l l e rw h i c hw i l lh a n d l et h ec o l l e c t e ds i g n a l s.T h es y s t e mw i l lg i v ea na l a r mw h e nt h ep r a c t i c a lw e i g h to ft h ec r a n ei sg r e a t e rt h a no re q u a lt o9 0%r a t e dl i f t e dl o a d.T h i sd e s i g nc a ni m p r o v et h es a f e t ym o n i t o ra n dr e d u c et h ea c c i d e n tr a t eo ft h ec r a n e.Keywords:C r a n e;T o r q u eL i m i t e r;O v e r l o a d i n gP r o t e c t i o n;M i c r o c o n t r o l l e r多功能起重机力矩限制器设计203科技广场2 0 0 8.1 2报警单元包括显示单元报警部分和声音报警；基于系统通用性的考虑，用喇叭作为报警装置。通用型多功能起重机力矩限制器设计方案框图如图一所示：图一起重机力矩限制器设计方案框图2 系统各部分设计2.1检测部分设计（1）系统所用测量重量的传感器起重机力矩限制器系统的主要功能就是测量力矩，要计算出力矩就要知道起重臂所吊重物的重量和起重臂上起吊小车所移动的距离。所以本系统的前端检测部分要检测两项内容：一是重量，二是长度。从成本考虑使用电阻式传感器。电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路最后显示被测量值的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。电位器式电阻传感器是电阻式传感器的一种。电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件，主要用于测量压力、高度、加速度等参数。电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。电阻式传感器输出电阻的变化范围为 5 1 0-41 0-1，测量电路应精确地测量出这些小的电阻变化，常用桥式测量电路。电桥的工作原理:桥式测量电路有四个桥臂和一个供桥电源组成，如图二所示。电桥的一条对角线接激励电压，另一条对角线输出电压。其特点是，当被测量无变化时，四桥臂满足一定关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。图二 电桥电路输出电压 UO可以用 UB C和 UD C之差表示：当输出电压为零时，电桥平衡，故 R1R3=R2R4为电桥平衡条件。为了获得最大的电桥输出，在设计时，可使 R1=R2,R3=R4,实际中常取 R1=R2=R3=R4=R。当电桥电阻发生变化，电阻应变代入公式（1）得：力传感器的输出信号大都为毫伏级信号，所以桥式电路的输出电压也应为毫伏级的电压，通过计算和系统分析，电阻式传感器的电路图如图三所示。实际电路的输出电压完全符合系统要求，输出电压约为6.9 m V。图三 电阻式传感器电路（2）系统所用测量长度的传感器系统通过间接的方法来测量长度。用一个已知周长的绕线转轴，如果知道了它转动的圈数，那么圈数和转轴周长的乘积，便可知道绕线的长度了。本设计使用了光断续器。光断续器又称为光电开关，它是一种光电子器件，是专门用来检测物体的光传感器。它在结构上与光电耦合器相似，也有一个发光元件和一个受光元件，使用时将电信号转换为光信号，然后再将光信号变为电信号输出。2.2放大电路设计所谓单片机的前向通道指的是单片机应用系统的信号采集通道，主要完成采集传感器送来的模拟信号，经预处理后送 A/D 转换器转换。前端传感器送来的信号是毫伏级的信号，要经过放大电路将其放大到 0 5 V，送 A/D 转换器进行模拟数据转换，放大电路如图四所示。实际放大电路将传感器的输出电压 6.9 m V 电压放大到3.4 V，符合系统的要求。运算放大器采用的是 L M 3 2 4，L M 3 2 4是四通用运算放(2)（1）204大器集成电路，具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，广泛用于通信、仪器仪表中。图四放大电路2.3A/D 转换电路设计由于单片机只能处理数字量，因而应用系统中凡遇到有模拟量的地方，就要进行模拟量向数字量或数字量向模拟量的转换，这就需要解决单片机与 A/D 和 D/A 的接口问题。在本系统中，传感器传来的是模拟量，这就需要把模拟量转换成数字量后，才能送入单片机。A/D 转换器选择转换器芯片A D C 0 8 0 9。2.4 起重机力矩测量数据分析系统数据处理程序主要涉及到起重机力矩的计算。起重机的特性曲线表示起重机起重量与幅度的关系曲线见图五，它规定了在某一幅度下，安全起吊的最大起重量。起重机作业安全区是由钢丝绳强度线、臂架强度曲线和起重机稳定曲线的包络线限定的区域。起重特性曲线经常与起升高度曲线画在一起，有些起重机技术资料还给出同一起重机在不同工况下的多条特性曲线。图五汽车起重机的特性曲线根据起重机的受力分析可知，作用在臂架上的起升载荷可以分解为垂直手臂架的倾翻成行和对臂架的压力载荷，这两个分力随着幅度的变化而变化。在起升载荷、臂长不变的情况下，幅度越小，对臂架的压力越大，倾翻载荷越小，因而载荷产生的倾覆力矩也小；幅度越大，对臂架的压力降低，倾翻载荷越大。该特性曲线可分为三个区段，在小幅度时，起重量受臂架强度的限制，超载会发生臂架破坏；在大幅度时，起重量受起重机稳定性的限制，起重作业的主要危险是丧失稳定而引起整机倾覆；起重机的最大起升载荷还受钢丝绳强度的制约，超载会导致钢丝绳断裂。超出安全区的操作属于违规作业。起重机的特性曲线是进行起重作业的操作依据，应根据起重机的臂架幅度，严格控制起重量在特性曲线限制的安全区内不超载。同时，特性曲线也是起重事故分析的重要参考依据。对事故进行分析时，还应该综合考虑风力、操作速度不当所引起的惯性力、支腿支撑基础变化、臂架悬伸太长时臂端出现的弹性下挠等非起重量超载等原因给起重机带来的实际超载影响，这些都可以借助特性曲线进行分析。力矩限制是该起重机力矩限制器系统要实现的基本功能。系统具体要求为:主控单元根据起重机起吊特性 Q-R 曲线(载荷一幅度曲线)，计算出该作业状态下的最大允许吊重Q，根据测量的起升绳拉力等参数计算出实际吊重 q，然后计算二者的比值 q/Q，即负荷率。当起重机实际起重量大于或等于 9 0%额定起重量时，指示灯闪亮报警。3 结束语在本设计中，根据系统的功能要求，设计出能够实现其功能的硬件电路，编写出相应的系统软件。该起重机力矩限制器系统是基于单片机控制的系统。在设计中，实现了过载保护的部分功能。考虑到抗干扰问题，加入抗干扰处理后，改善电路设计，使本系统具有单片机控制系统的一系列优点，以及选材少、电路结构简单等优点，软件功能比较完善，性价比较高，将会具有一定的使用价值。参考文献 1 荀志远.起重机械事故原因分析及对策 J .起重运输机械,2 0 0 3,（8）:5 5-5 7.2 C l i f fS c h e x n a y d e r.P EC r a n eA c c i d e n t s J .P r a c t i c eP e r i o d i c a lo nS t r u c t u r a lD e s i g na n dC o n s t r u c t i o n,2 0 0 3,(7):6 7-7 3.3 赵向阳,张宏,胡景清.工程机械控制系统的新发展 J .徐州工程机械,2 0 0 3,(1 0):5 9.4 龙刚强.国外工程机械控制技术现状与发展趋势 J .工程机械与维修,2 0 0 3,(7):7 0-7 1.5 岳维峻.起重机力矩限制器生产状况及调试 J .建筑机械化,2 0 0 6,(7):3 7-3 9.作者介绍曹金城(1 9 8 2 ），男，硕士研究生，主要研究方向：智能控制；丁志文（1 9 8 2 ），男，硕士研究生，主要研究方向：实时系统,无线传感器网络；刘彦辉（1 9 7 5 ），女,助理工程师，主要研究方向：建筑智能化。多功能起重机力矩限制器设计205