秦緒友，黃海楊

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000）

卷揚(yáng)式啟閉機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水利工程。卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的荷載限制器作為啟閉機(jī)重要的安全保護(hù)裝置，能夠提高啟閉機(jī)使用的安全性，有效防止啟閉機(jī)因?yàn)槌d作業(yè)而造成的事故。因此SL41—2018《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定：啟閉機(jī)應(yīng)裝設(shè)電子式或機(jī)械式荷載限制器。

1 荷載限制器分類

水利工程卷揚(yáng)式啟閉機(jī)常用的荷載限制器有機(jī)械式和電子式兩種。

機(jī)械式荷載限制器應(yīng)用較少，常用在嚴(yán)寒、高海拔地區(qū)的啟閉機(jī)。因?yàn)樵趪?yán)寒、高海拔地區(qū)，電子式荷載限制器故障發(fā)生率有所增加，因此要求啟閉機(jī)除設(shè)置電子式荷載限制器外，同時(shí)設(shè)置機(jī)械式荷載限制器。

電子式荷載限制器由荷載傳感器和控制裝置兩部分組成，荷載傳感器主要有壓磁式和電阻應(yīng)變式兩種。壓磁式傳感器是利用磁性材料的壓磁效應(yīng)來達(dá)到力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，具有功率大、型號強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、牢固可靠、抗干擾性能好和過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是線性度和測量精度一般，頻率響應(yīng)低。電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，具有測量精度高，線性度好，頻率響應(yīng)特性較好，適用于高低溫、振動等多種工作環(huán)境，測量電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)荷載傳感器多使用電阻應(yīng)變式傳感器。

2 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理

電阻應(yīng)變式傳感器采用電阻應(yīng)變片作為敏感元件，以惠斯頓電橋原理為基本測量線路，當(dāng)應(yīng)變片受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路，生成一個(gè)與外力成正比例的電壓信號。將電壓信號輸入控制裝置，信號經(jīng)過放大之后，一路通過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，經(jīng)微處理器的運(yùn)算分析處理后，進(jìn)行顯示。另一路送入比較器與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較，當(dāng)荷載達(dá)到額定值的90%時(shí)，發(fā)出黃燈預(yù)警信號；當(dāng)荷載達(dá)到額定值的110%時(shí)，發(fā)出紅燈警報(bào)顯示及蜂鳴音響報(bào)警，并自動切斷電源主回路，實(shí)現(xiàn)超載限制，避免危險(xiǎn)發(fā)生。傳感器控制原理如圖1所示。

圖1 傳感器控制原理圖

3 電阻應(yīng)變式傳感器種類

電阻應(yīng)變式傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)型式及布置方式的不同可分為軸銷式傳感器、軸承座式傳感器、定滑輪式傳感器、柱壓式傳感器、旁壓式傳感器等。

3.1 軸銷式傳感器

軸銷式傳感器一般安裝在平衡滑輪上，替代平衡滑輪軸，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是由于平衡滑輪一般懸掛在機(jī)架的下方，當(dāng)傳感器出現(xiàn)問題需要檢修或者更換時(shí)，傳感器不方便拆裝。因此軸銷式傳感器一般在中、小型卷揚(yáng)式啟閉機(jī)用的較多。軸銷式傳感器布置示意圖如圖2所示。

圖2 軸銷式傳感器布置示意圖

3.2 軸承座式傳感器

軸承座式傳感器只能安裝在起升卷筒的非傳遞動力的卷筒軸的下方，用來替代軸承座，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，檢修維護(hù)方便，測量精度較高；缺點(diǎn)是布置在卷筒軸的下方，傳感器除受到鋼絲繩的拉力外，還會受卷筒自身重力的影響，對于一些大噸位高揚(yáng)程的啟閉機(jī)，卷筒重量大，卷筒軸較粗，需要的軸承座較大，造成傳感器型號的選型較大，成本增加。因此軸承座式傳感器一般在中、小型卷揚(yáng)式啟閉機(jī)用的較多。軸承座式傳感器布置示意圖如圖3所示。

圖3 軸承座式傳感器布置示意圖

3.3 定滑輪式傳感器

定滑輪式傳感器主要安裝于定滑輪或者平衡滑輪軸的下方，軸孔通常設(shè)計(jì)一邊是圓孔，一邊為腰型孔，傳感器通常布置在腰型孔端軸的下方，主要承受鋼絲繩的拉力。傳感器采用雙剪切梁式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是綜合精度高、安裝簡單方便、檢修維護(hù)方便、長期穩(wěn)定性好、兼容性好，因此被廣泛應(yīng)用于大、中型卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。定滑輪式傳感器布置示意圖如圖4所示。

圖4 定滑輪式傳感器布置示意圖

3.4 柱壓式傳感器

柱壓式傳感器主要安裝于平衡梁或杠桿梁等底部下面，只能垂直安裝，只承受壓力。相較于定滑輪式傳感器，測量精度更高，穩(wěn)定性更好，對測量精度和穩(wěn)定性要求較高的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)可以選用。柱壓式傳感器布置示意圖如圖5所示。

圖5 柱壓式傳感器布置示意圖

3.5 旁壓式傳感器

旁壓式傳感器安裝在啟閉機(jī)的鋼絲繩固定端部位，通過檢測鋼絲繩的張力大小來判斷設(shè)備是否處于超載狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)。安裝時(shí)，將鋼絲繩嵌入傳感器固定板內(nèi)，再用扳手把螺母擰緊壓住鋼絲繩，使其直徑略有變形，最后加防松螺母。注意螺栓壓的太緊或太松都會使傳感器的輸出信號不一致。旁壓式傳感器在工程實(shí)際中使用較少，一般用在啟閉機(jī)改造工程中。用來解決原啟閉機(jī)無荷載限制器或者其他型式的傳感器不方便安裝的問題，啟閉機(jī)可以不用更換軸承座、平衡滑輪或定滑輪，僅在鋼絲繩固定端增加旁壓式傳感器即可，處理較為方便。旁壓式傳感器布置示意圖如圖6所示。

圖6 旁壓式傳感器布置示意圖

4 荷載傳感器承載分析

對不同類型的傳感器和不同倍率的啟閉機(jī)進(jìn)行受力分析，分析啟閉機(jī)倍率及傳感器型式對傳感器受力的影響，我們做以下假設(shè)：

（1）忽略啟閉機(jī)吊具自重的影響。

（2）啟閉機(jī)卷筒均采用雙聯(lián)卷筒，卷筒自重為G。

（3）對于旁壓式傳感器，鋼絲繩進(jìn)出傳感器的夾角為2θ。

（4）定滑輪式傳感器布置在平衡滑輪軸下。

根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》[2]得出鋼絲繩拉力S：

式中，Q為起升載荷，a為滑輪組倍率，η為系統(tǒng)效率。傳感器受力分析見表1。

由表1可知，所有荷載傳感器的受力均與啟閉機(jī)荷載成線性關(guān)系。傳感器型式相同時(shí)，啟閉機(jī)倍率越高，荷載傳感器的受力越??；啟閉機(jī)倍率相同時(shí)，旁壓式傳感器的受力最小，軸銷式傳感器的受力最大；除軸承座式傳感器受卷筒自重影響外，其余類型傳感器的受力只與啟閉機(jī)承受的載荷及啟閉機(jī)倍率有關(guān)。

表1 傳感器受力分析表

傳感器受力除受啟閉機(jī)承受的載荷及啟閉機(jī)倍率影響外，還受到卷筒及滑輪組的效率影響，由于摩擦力的存在，鋼絲繩繞入和繞出滑輪組的拉力不同，啟閉機(jī)倍率越高，滑輪組的效率越低，鋼絲繩拉力受到的影響越大。

5 荷載傳感器的安裝注意事項(xiàng)

（1）荷載傳感器不得安裝于直接雨淋和有強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，如果安裝在戶外，傳感器需要加裝防護(hù)罩。

（2）傳感器和電氣控制柜之間采用屏蔽電纜連接?？刂齐娎|與其他設(shè)備的動力電纜分開布置，避免受到電磁干擾的影響。

（3）傳感器安裝完成后，分別對系統(tǒng)的零點(diǎn)、滿值點(diǎn)和報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和試驗(yàn)，經(jīng)調(diào)整試驗(yàn)合格后再投入使用。

（4）由于摩擦力的影響，傳感器的讀數(shù)與啟閉機(jī)實(shí)際荷載不同，針對此問題，建議在傳感器的控制裝置中編入計(jì)算程序，根據(jù)工程實(shí)際情況確定相應(yīng)的計(jì)算方法和計(jì)算程序，使傳感器顯示的荷載與啟閉機(jī)實(shí)際的啟吊荷載一致[3]。

6 結(jié)論及展望

設(shè)計(jì)啟閉機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，合理選擇傳感器的型式，降低成本，提高啟閉機(jī)使用的安全性。對于中、小型卷揚(yáng)式啟閉機(jī)一般選用軸銷式傳感器、軸承座式傳感器和定滑輪式傳感器；對于大型及超大型卷揚(yáng)式啟閉機(jī)一般選用定滑輪式傳感器和柱壓式傳感器。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器的布置形式越來越多樣化，烏東德水電站的12 500 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)首次采用附著式測力傳感器的安裝方式[4]，將定滑輪組的一側(cè)腹板作為檢測的應(yīng)變梁，利用附著同步變形原理將被測應(yīng)變梁的變形轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片的變形，從而間接檢測定滑輪支座的受力情況，避免摩擦力對鋼絲繩拉力的影響，測量精度得到極大提高。

此外，啟閉機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)在水利工程中的應(yīng)用也越來越多，啟閉機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)對啟閉機(jī)的主要構(gòu)件的工作應(yīng)力、起升傳動機(jī)構(gòu)的振動模態(tài)、鋼絲繩內(nèi)部缺陷、門架結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)和傾覆、主梁對接焊縫開裂等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和判別缺陷、故障現(xiàn)象和原因，及時(shí)提供預(yù)警、報(bào)警和安全評價(jià)報(bào)告，為水電工程管理運(yùn)行安全提供技術(shù)性支持。