雷佳佳

（中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063）

0 引言

在起重機(jī)中，用以提升或下降貨物的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為起升機(jī)構(gòu)，一般采用卷?yè)P(yáng)式。起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)中最重要、最基本的機(jī)構(gòu)，其工作的好壞直接影響整臺(tái)起重機(jī)的工作性能。起升機(jī)構(gòu)一般由驅(qū)動(dòng)裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、取物裝置和安全保護(hù)裝置等組成。安全保護(hù)裝置有超負(fù)荷限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保護(hù)開(kāi)關(guān)等，根據(jù)實(shí)際需要配用。其中，超負(fù)荷限制器安全保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)超載保護(hù)系統(tǒng)，是起重機(jī)中非常重要的組成部分，本文將結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目分析總結(jié)起重機(jī)上超載保護(hù)系統(tǒng)稱(chēng)重傳感器的各類(lèi)布置方式和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。稱(chēng)重傳感器實(shí)際上是一種將重量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。使用稱(chēng)重傳感器時(shí)首先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，這點(diǎn)對(duì)正確選用稱(chēng)重傳感器至關(guān)重要，它關(guān)系到稱(chēng)重傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命，乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。超載保護(hù)系統(tǒng)稱(chēng)重傳感器從受力方式可分為壓式、拉式和軸銷(xiāo)式三類(lèi)，由于不同的受力方式具有不同的工作條件和技術(shù)要求，因此就有了不同的稱(chēng)重傳感器安裝方法和規(guī)定。下文就將壓式、拉式和軸銷(xiāo)式的稱(chēng)重傳感器在起重機(jī)超載保護(hù)系統(tǒng)中的具體布置型式分別介紹，并分析比較其優(yōu)缺點(diǎn)以及提出布置方式優(yōu)化的一些設(shè)想：

1 各類(lèi)稱(chēng)重傳感器的具體布置型式

1.1 拉式稱(chēng)重傳感器的典型布置型式

拉式稱(chēng)重傳感器一般安裝在動(dòng)臂式起重機(jī)的鋼絲繩上（如圖1所示）。拉式稱(chēng)重傳感器多數(shù)采用板環(huán)形彈性體作為敏感元件，它通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線(xiàn)性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出，進(jìn)而顯示為可讀取的質(zhì)量數(shù)值。拉式稱(chēng)重傳感器受力后應(yīng)力流線(xiàn)分布均勻、合理，有比較高的測(cè)量精度和靈敏度，密封性能良好，既可以安裝在起升鋼絲繩上用于讀取起升鋼絲繩的拉力，也可以安裝在變幅鋼絲繩上用于讀取變幅鋼絲繩的拉力，具體安裝位置如圖1所示。

圖1 拉式稱(chēng)重傳感器布置

1. 2 壓式稱(chēng)重傳感器的典型布置型式

壓式稱(chēng)重傳感器最典型的安裝方式之一就是安裝在起升絞車(chē)的底座上（如圖2所示）。底座采用稱(chēng)重底座式，稱(chēng)重底座的一端采用兩套鉸支座，另一端壓在兩套電阻應(yīng)變式壓力傳感器裝配上，當(dāng)稱(chēng)重底座受到吊重物傳遞給鋼絲繩的拉力時(shí)，由于杠桿原理，轉(zhuǎn)化為壓力傳遞給電阻應(yīng)變式壓力傳感器，然后電阻應(yīng)變式壓力傳感器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出為可讀取的質(zhì)量數(shù)值，進(jìn)而準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前所吊重物的重量，型式可靠，量程范圍大，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。當(dāng)實(shí)際起重量超過(guò)95%額定起重量時(shí)，起重量限制器宜發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)實(shí)際起重量在100% ～110%的額定起重量之間時(shí)，起重量限制器起作用，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷起升動(dòng)力源，但應(yīng)允許物品作下降運(yùn)動(dòng)。

圖2 壓式稱(chēng)重傳感器布置一

壓式稱(chēng)重傳感器典型的安裝方式之二是安裝在固定滑輪組裝配的底座上（如圖3所示）。這種安裝在固定滑輪組裝配底座上的壓式稱(chēng)重傳感器也叫天車(chē)秤，是針對(duì)天車(chē)稱(chēng)重而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。整個(gè)天車(chē)秤對(duì)定滑輪組進(jìn)行稱(chēng)重，傳感器分別安裝在天車(chē)定滑輪軸的兩端正下方。在傳感器上的半圓形槽內(nèi)安裝定滑輪的軸端，同時(shí)由限位板來(lái)限制傳感器和軸的位置，保證運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置和安全。限位板直接安裝在傳感器墊板上。從而構(gòu)成一個(gè)多傳感器的稱(chēng)重裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)定滑輪的稱(chēng)重，達(dá)到對(duì)起重重物進(jìn)行稱(chēng)重。傳感器數(shù)量是定滑輪軸數(shù)量的2倍。

圖3涉及的項(xiàng)目中，一共對(duì)兩臺(tái)小車(chē)進(jìn)行稱(chēng)重，每臺(tái)小車(chē)配二只傳感器，它們的信號(hào)匯總到接線(xiàn)盒中，再通過(guò)雙層屏蔽信號(hào)電纜，將信號(hào)傳輸?shù)轿挥谛≤?chē)控制室的臺(tái)式儀表，兩臺(tái)車(chē)的信號(hào)匯總到同一只儀表上，儀表可以進(jìn)行單秤或總和重量顯示。臺(tái)式儀表具有清零、去皮、累計(jì)、打印、報(bào)表、皮重存儲(chǔ)、皮重調(diào)用、皮重清除，調(diào)顯等功能，并接大屏幕，實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)的大屏幕顯示。臺(tái)式儀表還可以設(shè)置定值輸出，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 壓式稱(chēng)重傳感器布置二

壓式稱(chēng)重傳感器另一種比較常用的布置方式是安裝在起升卷筒的卷筒軸一端（如圖4所示）。這種壓式稱(chēng)重傳感器也可稱(chēng)為軸承座式稱(chēng)重傳感器，一般是大重量傳感器，生產(chǎn)廠(chǎng)家可以根據(jù)圖紙尺寸特殊訂貨配置。其原理是軸承座式稱(chēng)重傳感器代替普通的軸承座安裝在起升卷筒的卷筒軸一端，一般用于起升繩拉力垂直于起升卷筒向下的起升機(jī)構(gòu)中，通過(guò)起升卷筒筒體以及卷筒軸對(duì)力的傳遞，將吊重物作用在鋼絲繩上垂直向下的拉力轉(zhuǎn)化為卷筒軸通過(guò)軸承對(duì)軸承座式稱(chēng)重傳感器的壓力，然后軸承座式稱(chēng)重傳感器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出為可讀取的質(zhì)量數(shù)值，進(jìn)而準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前所吊重物的重量。

圖4 壓式稱(chēng)重傳感器布置三

壓式稱(chēng)重傳感器還有一種比較特殊的型式叫做旁壓式傳感器，通常也俗稱(chēng)三滑輪式稱(chēng)重傳感器（如圖5所示）。這種三滑輪式稱(chēng)重傳感器是一種高精度的張力測(cè)量傳感器，在動(dòng)臂式起重機(jī)上應(yīng)用比較廣泛，通常安裝在從起升卷筒通往定滑輪的一段起升繩的某一位置。該裝置包括三個(gè)滑輪、兩片側(cè)板、重量傳感器及連接件，三個(gè)滑輪安裝在兩片側(cè)板中間，兩片側(cè)板之間還設(shè)置有軸型重量傳感器。三滑輪式稱(chēng)重傳感器的原理是利用鋼絲繩受力產(chǎn)生的張力反作用于滑輪產(chǎn)生的剪切力測(cè)量所吊重物的重量，精度可靠，量程范圍大，防護(hù)等級(jí)高，適用于戶(hù)外惡劣環(huán)境，一般采用萬(wàn)向節(jié)固定，以便安裝后能適應(yīng)鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的擺動(dòng)。這種三滑輪式稱(chēng)重傳感器側(cè)板之間設(shè)置的軸型重量傳感器，其實(shí)也就是本文下面要單獨(dú)介紹的軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器之中的一種。

圖5 壓式稱(chēng)重傳感器布置四

1.3 軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器的典型布置型式

軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器是一種20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種比較新型的稱(chēng)重傳感器，軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器實(shí)際上是一個(gè)承載器與稱(chēng)重傳感器合二為一的集成化結(jié)構(gòu)。此時(shí)，承載器就是一個(gè)技術(shù)性能完全符合要求的專(zhuān)用稱(chēng)重傳感器，或者說(shuō)，稱(chēng)重傳感器本身就是一個(gè)整體型承載器。軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器一般是一根承受剪力作用的空心截面圓軸，雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在中心孔內(nèi)凹槽中心的位置上。軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，幾何外形簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲能力，裝配精度高，稱(chēng)量準(zhǔn)確度較好，因此廣泛使用在門(mén)式起重機(jī)的超載保護(hù)系統(tǒng)中。

軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器最典型的安裝方式之一是安裝在門(mén)式起重機(jī)小車(chē)起升系統(tǒng)（布置圖如圖6所示）的導(dǎo)向滑輪組中某個(gè)滑輪上（具體安裝方式見(jiàn)圖6中的剖視圖）。其工作原理是利用穿過(guò)導(dǎo)向滑輪的鋼絲繩受力產(chǎn)生的張力反作用于導(dǎo)向滑輪產(chǎn)生的剪切力測(cè)量出鋼絲繩的拉力大小，進(jìn)而通過(guò)編程運(yùn)算顯示出所吊重物的重量。同樣，當(dāng)實(shí)際起重量超過(guò)95%額定起重量時(shí)，起重量限制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)實(shí)際起重量在100% ～110%的額定起重量之間時(shí)，起重量限制器起作用，此時(shí)自動(dòng)切斷起升動(dòng)力源，但允許物品作下降運(yùn)動(dòng)。

圖6 軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器布置

2 各類(lèi)稱(chēng)重傳感器布置方式優(yōu)缺點(diǎn)的比較

稱(chēng)重傳感器的類(lèi)型和布置型式多種多樣，每一種布置型式都有自己的特點(diǎn)和特定功能，不能一概而論，為了清楚顯示各類(lèi)稱(chēng)重傳感器布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)，特將其列成表格，如表1所示。

3 稱(chēng)重傳感器布置方式優(yōu)化的一些設(shè)想

在起重機(jī)超載保護(hù)系統(tǒng)中，稱(chēng)重傳感器的布置方式也是可以相互轉(zhuǎn)換的。例如在上文的壓式稱(chēng)重傳感器的典型布置型式第一種，即壓式稱(chēng)重傳感器安裝在起升絞車(chē)的稱(chēng)重底座上的布置型式中，電阻應(yīng)變式壓力傳感器裝配雖然也可以準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前所吊重物的重量，但是由于稱(chēng)重底座的測(cè)量點(diǎn)與電阻應(yīng)變式壓力傳感器的接觸點(diǎn)是可以分離脫開(kāi)的，如果某個(gè)具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目需要將此處的接觸點(diǎn)改變?yōu)檫B接在一起不會(huì)分離脫開(kāi)的型式，就可以采用軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器。具體做法是將稱(chēng)重底座的測(cè)量點(diǎn)與電阻應(yīng)變式壓力傳感器的接觸點(diǎn)相接觸的這兩處改變?yōu)殂q接，鉸接點(diǎn)的鉸軸直接采用軸銷(xiāo)式稱(chēng)重傳感器裝配，進(jìn)而既可以代替原有的電阻應(yīng)變式壓力傳感器裝配準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前所吊重物的重量，又可以保證稱(chēng)重底座與基座的連接沒(méi)有可能會(huì)脫開(kāi)的點(diǎn)。

在我們起重機(jī)以往設(shè)計(jì)和應(yīng)用的過(guò)程中，起重機(jī)超載保護(hù)系統(tǒng)稱(chēng)重傳感器的布置方式多種多樣，并且可以預(yù)測(cè)的是，在將來(lái)起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，會(huì)有更多種類(lèi)豐富的新類(lèi)型的稱(chēng)重傳感器及其布置方式的出現(xiàn)。但是不管型式怎么變化，其總的原則不會(huì)變，那就是安全可靠、讀數(shù)準(zhǔn)確，即通過(guò)不斷設(shè)計(jì)改進(jìn)起重機(jī)超載保護(hù)系統(tǒng)稱(chēng)重傳感器的布置方式，以使整機(jī)更安全更高效的實(shí)現(xiàn)其功能，達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

[1] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S],GB/T 3811-2008,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),2008.

[2] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S],GB 3811-83,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),1983.

[3] 中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編起重機(jī)械卷[S],中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.