（机械电子工程专业论文）履带起重机力矩限制器系统研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 履带起重机是广泛应用于国民经济建设各个领域的一种移动式起重机，力矩限制器 系统是履带起重机安全监控的核心设备，直接影响着履带起重机的作业安全，随着履带 起重机不断向着大型化、复杂化的方向发展，对其安全性、可靠性也提出了更高的要求。 目前国产2 0 0 吨以上的中大吨位履带起重机其力矩限制器系统主要依赖进口，国产系统 在准确性与可靠性方面存在较大的差距，缺乏理论与实践的支持，鉴于此通过对中大吨 位履带起重机力矩限制器系统的研究，来解决系统设计的瓶颈问题具有重要的理论与现 实意义。 本文以大连理工大学机械工程学院与上海派芬自动控制技术有限公司合作开发用 于山东奥奇重工机械有限公司q u y 3 5 0 型履带起重机上的力矩限制器系统的实际项目为 背景，对中大吨位履带起重机力矩限制器系统的关键技术进行了研究和产品设计。 ( 1 ) 在分析履带起重机力矩限制器系统的基本原理与应用特点的基础上，指出并 分析了其研究的关键技术与设计思路，提出了本文的研究重点。 ( 2 ) 完成了中大吨位履带起重机力矩限制器系统的基本原理设计，根据系统的功 能与性能要求进行了主控制器、人机界面、传感器等硬件系统设计和选型。 ( 3 ) 分析了大型履带起重机力矩限制器系统检测算法的关键问题，对大型履带起 重机力矩限制器检测的非线性问题进行了详细分析和研究，提出了非线性分析的二次曲 线法，并对该方法进行了m a t l a b 仿真分析。 ( 4 ) 本课题在山东奥奇重工机械有限公司q u y 3 5 0 型履带起重机上进行了现场实车 试验，试验数据与仿真分析数据进行对比，对模型进行修正和优化。 ( 5 ) 完成了履带起重机力矩限制器系统对起重性能表和试验数据进行回归分析的 方法设计，并采用最小二乘法进行了回归模型的建立和分析。 ( 6 ) 完成了基于c o d e s y s 的软件系统的设计与调试，完成了核心算法的编程与封装， 人机界面的设计，c a n 总线通信系统的设计，以及系统i o 的设计等。 本文进行了大型履带起重机力矩限制器系统的研究与设计，设计并建立了硬件系统 的调试平台，分析了系统非线性检测算法，并进行了仿真与试验研究，同时分析并实现 了建立起重性能表与试验数据的回归模型的方法，设计开发了软件系统与通信系统，研 究成果已经初步应用于实际项目开发，并为大型履带起重机力矩限制器系统的进一步研 究和开发提供了理论与实践基础。 关键词：履带起重机；力矩限制器；非线性研究 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 r e s e a r c ha n dd e s i g no nl o a dl i m i t e rs y s t e mo fc r a w l e rc r a n e a b s t r a c t c r a w l e rc r a n ei sak i n do fm o b i l ec r a n ew i d e l yu s e di nd i f f e r e n ti n d u s t r i e s ，a n dt h e l o a dl i m i t e rd e v i c eo fc r a w l e rc r a n ei st h ek e m e le q u i p m e n to fs a f e t ym o n i t o r i n g ，w h i c ht o l a r g ee x t e n td e t e r m i n e st h es a f eo p e r a t i o no fc r a w l e rc r a n ea n dw i t ht e n do fl a r g e s i z ea n d h i g h e rc o m p l e x i t yp l a c e sm u c hs t r i c t e rr e q u i r e m e n to ns a f e t ya n dr e l i a b i l i t y l o a dl i m i t e r s y s t e mf o ri n t e r m e d i a t ea n dl a r g et o n n a g eh o m e m a d ec r a w l e rc r a n e ，h o w e v e r ，i ss t i l l d e p e n d a n to ni m p o r tf o rc r a w l e rc r a n e w i t hc a p a c i t yb e y o n d2 0 0 - t o n ，b e c a u s eh o m e m a d el o a d l i m i t e rs y s t e ml a c k so ft h e o r e t i c a la sw e l la s p r a c t i c a ls u p p o r ta n dt h e r ee x i s t sab i g t e c h n o l o g yg a pc o m p a r e dw i t l lf o r e i g ns y s t e m s s ot h er e s e a r c ho fl o a dl i m i t e rs y s t e mf o r l a r g ea n di n t e r m e d i a t et o n n a g ec r a w l e rc r a n ei sn e c e s s a r ya n dt e n d st os o l v et h ed e s i g n o b s t a c l e b a s eo nt h el o a dl i m i t e rs y s t e ma p p l i e di nq u y 3 5 0c r a w l e rc r a n eo fs h a n d o n ga o q i h e a v ym a c h i n e r yc o ，l t da n dd e v e l o p e du n d e rc o o p e r a t i o no fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n go f d u ta n ds h a n g h a ip a l f e nm o b i l ec o n t r o lc o ，l t d ，t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo fl o a dl i m i t e r s y s t e mf o rl a r g ea n di n t e r m e d i a t ec r a w l e rc r a n ei sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n o fc r a w l e rc r a n el o a dl i m i t e rs y s t e ma n di t s o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e sa n dd e s i g nm e t h o da st h er e s e a r c hm a i n p o i n t sw e r ep r o p o s e d ( 2 ) t h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fl a r g ea n di n t e r m e d i a t ec r a w l e r c r a n el o a dl i m i t e rs y s t e m w a sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d a n db a s e do ns y s t e mf u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ， h a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d i n gm a i nc o n t r o l l e r ，m a l l - m a c h i n ei n t e r f a c e ，s e n s o ra n ds oo n ，w e r e d e s i g n e da n dt h ec o m p o n e n t si nt h es y s t e mw e r es e l e c t e d ( 3 ) 1 1 1 ed e t e c t i o na l g o r i t h mo ft h el a r g e - s i z ec r a w l e rc r a n el o a dl i m i t e rs y s t e ma st h e c r i t i c a lt e c h n o l o g yw a sr e s e a r c h e d t os o l v et h en o n l i n e a rp r o b l e mo fl o a dl i m i t e rd e v i c e d e t e c t i o n ，t h ec o n i cm e t h o df o rn o n l i n e a ra n a l y s i sw a sp r o p o s e da n ds i m u l a t e di nm a t l a b ( 4 ) t h eo n s i t ee x p e r i m e n to nq u y 3 5 0c r a w l e rc r a n eo fs h a n d o n ga o q ih e a v y m a c h i n e r yc o ，l t dw a sc a r r i e do u t , a n dt h e nt h em o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o nw e r em a d e b a s e do nc o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n tr e s u l t sa n ds i m u l a t i o nd a t a ( 5 ) t h er e g r e s s i o na n a l y s i so fl o a dl i m i t e rs y s t e m sp e r f o r m a n c et a b l ea n de x p e r i m e n t d a t aw a sa c c o m p l i s h e d ，a n dt h er e g r e s s i o nm o d e lw a sa l s oe s t a b l i s h e da n da n a l y z e db y e m p l o y i n gl e a s ts q u a r em e t h o d ( 6 ) t h er e s e a r c h ，b a s e do nc o d e s y s ，d e s i g n e da n dd e b u g g e dt h es o f t w a r es y s t e m ，i n i i 大连理工大学硕士学位论文 w h i c ht h ek e r n e la l g o r i t h mw a sp r o g r a m m e da n de n c a p s u l a t e da n ds y s t e m ss u c ha s m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o n ，1 0s y s t e mw e r ed e v e l o p e d i nt h er e s e a r c ho fl o a dl i m i t e rs y s t e mo f l a r g e - s i z ec r a w l e rc r a n e ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a s b e e nf i n i s h e d ：t ob u i l du pd e b u g g i n gp l a t f o r mo fh a r d w a r es y s t e m ；t op r o p o s ea n ds i m u l a t e t h en o n - - l i n e a rd e t e c t i o na l g o r i t h m ；t oc a r r yo u to n - s i t ee x p e r i m e n t ；t oe s t a b l i s ha n da n a l y z e r e g r e s s i o nm o d e lo fc r a n ep e r f o r m a n c et a b l ea n de x p e r i m e n td a t a ；t od e v e l o pt h es o f t w a r e s y s t e ma n dc o m m u t a t i o ns y s t e m i na d d i t i o nt oa b o v ew o r k ，t h er e s e a r c hf r u i tw e r ea p p l i e d i n i t i a t i v e l yi np r a c t i c a lp r o j e c ta n dp r o v i d e dt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i sf o rf u t u r er e s e a r c h i nl a r g e s i z ec r a w l e rc r a n el o a dl i m i t e rs y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：c r a w l e rc r a n e ；l o a dl i m i t e rs y s t e m ；n o n l i n e a rr e s e a r c h 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：履鲎起重扭左矩眍剑墨丕红盟究皇遮进 作者签名：筮丝蕴日期：_ 年捌三上日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：履鲎超重扭左缝医剑墨丕统翌究皇遮让 作者签名：盘塑盔日期：垄1 2 年堡月三上日 导师签名：型丝丝红 日期：攀年丝月三手日 大连理f 大学硕士学位论文 1 绪论 11 履带起重机发展综述 111 概述 履带起重机作为土要的工程机械产品，是一种履带式底盘、桁架臂结构，广泛应用 于各种作业场合的中大吨位起重机，以其按地比压小、爬坡能力强、带载行驶等优点， 并可借助附加装置实现一机多用等特点，在电力建设、桥梁施工、石油化工、水利水电 等行业领域得到广泛应用，具有其它起重设备无法替代的地位。随着现代经济的高速发 展，市政工程、工矿企业、码头、机场、核屯等方面建设规模越来越大，履带起重机凭 借其特有的优势，应用同益广泛，产品的系列、性能和功能日趋完善。履带起重机属于 特种作业设备，其安全性和可靠性是项重要的技术指标，力矩限制器系统是实现履带 起重机安全作业的核心设备。如图11 所示为履带起重机的应用。 图1l 履带起重机的应用 f i g1 1t h ea p p l i c a t i o n so f t h e c r a w l e rc r a n e s 112 履带起重机发展现状 履带起重机兴起于上个世纪5 0 年代，7 0 年代得到迅速发展，8 0 年代后随着欧美及 日本等工业强国的发展，履带起重机的研发和制造技术有了较大的发展，近几年来，国 内履带起重机经所了一个黄金发展时期，履带起重机日益向着大型化、自动化、智能化 方向发展。比较有代表性的是2 0 0 8 年底的上海b a u m a 展上亮相的三一9 0 0 吨履带起重 机代表了国内的先进水平。履带起重机是一种特种作业设备，伴随着履带起重机大型化 的进程，对其安全性和可靠性要求越来越高，国内外历次的履带起重机事故所导致的损 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 失是巨大的，力矩限制器系统是履带起重机工作状态检测和安全控制的核心部件，而目 前国内大吨位的履带起重机力矩限制器系统主要依赖进口。 目前，国外专业生产履带起重机的厂家很多，德国的主要生产厂家有利勃海尔 ( l i e b h e r r ) 公司、特雷克斯一德马格( t e r e x d e m a g ) 公司与森尼波根( s e n e b o g e n ) 公司， 美国主要生产厂家有马尼托瓦克( m a n i t o w o c ) 公司、林克一贝尔特( l i n k b e l t ) 公司与p h 公司，日本的主要生产厂家有神钢( k o b e l c o ) 公司、日立住友( h i t a c h i s u m i t o m o ) 公 司和石川岛( i h i ) 公司，其中利勃海尔、特雷克斯一德马格、马尼托瓦克、神钢与日立 住友等公司产品系列较全，市场占有率较高。 我国生产履带起重机历史较短，与世界先进国家相比，国内履带起重机的吨位小、 系列化程度低、技术含量低，在设计和制造上还存在一定的差距。近年来，随着我国基 础设施建设的加强，国内履带起重机产业迅速发展，技术水平很快提高，系列不断得到 完善，相信在今后我国自主知识产权的大吨位、超大吨位的履带起重机也将逐步问世。 目前国内生产履带起重机的主要厂家有：徐州重型机械有限公司、抚顺挖掘机制造有限 公司、长沙中联重工科技发展股份有限公司、三一重工股份有限公司、抚顺工程机械有 限公司、哈尔滨四海工程机械制造公司、郑州宇通重工有限公司，四川宜宾普什重机有 限公司、海宁虎霸重工有限公司和福田雷沃国际重工有限公司等。 履带起重机的发展正朝着大型化、智能化、安全化、系列化方向发展，一些新技术、 新材料、新工艺和新设计方法也将会不断的引入履带起重机技术的发展中。 1 1 3 力矩限制器发展现状与差距 力矩限制器系统是履带起重机安全监控系统的核心设备，特别是对大吨位履带起重 机而言力矩限制器系统对安全保护起着至关重要的作用。 力矩限制器系统检测起重机的拉力和角度等工作参数，结合整车的设计参数对检测 数据进行计算处理，通过与系统设定状态进行对比判断整车实时工作状态，在有危险动 作时实现声光报警和自动切除危险动作的安全保护功能。 目前国产力矩限制器的主要厂家有宜昌创星电子技术发展有限公司、长沙弘安等， 他们的产品主要以小吨位为主，大吨位产品难以应用。国外的主要厂家有赫思曼电子技 术有限公司、罗伯威公司等，他们的产品种类齐全、性能优良、应用于各种吨位的履带 起重机上、特别是在大吨位履带起重机上更是有着垄断性的地位。总的来说，国产力矩 限制器与进口产品相比在技术水平和可靠性等方面都有着很大的差距。而力矩限制器系 统是起重机特别是大吨位履带起重机的核心设备，关系到设备安全、核心技术、设计成 2 大连理工大学硕士学位论文 本等重要方面，因此加速推动大吨位履带起重机力矩限制器系统的国产化有着重要的理 论和现实意义，目前国内的主要厂家也在加紧研制。 1 2 控制器技术发展与应用 121 控制器技术发展概述 控制器是将计算机硬件和软件结合起来构成的一个专门的装置，这个装置可以完成 一些特定的功能和任务，比如：控制、监视或者辅助操作机器和设备。 控制器作为工程机械的控制核心，在各种复杂工程机械中占据极其重要的地位，随 着工程机械行业的蓬勃发展控制系统所发挥的作用也必将越来越大。目前1j 场上应用的 控制器产品主要有芬兰的e p e c 、德国的西门了、力士乐、赫思曼、日本的三菱等，这 些控制器核心都是可编程p l c ，它性能稳定町靠，技术成熟。它们的应用场合有所不同， 西门予、三菱等主要应用在工业自动化方面、而e p e c 、力士乐、赫思曼等控制器主要 应用在行走工程机械设各中。 工程机械是一个较复杂的系统，它对于控制器的要求高于一般的工、l k n 动化场合 而且随着工程机械监控技术的不断发展，对控制系统的性能要求提出了更高的要求，现 在的控制器不仅强调本地控制功能，还应具备各种接口，包括网络、c a n 总线、显示 接口等，最先进的还带有无线通信模块， 目前国内工程机械行业所使用的控制器主要有以f 几种。芬兰e p e c 系列控制器、 赫思曼系列控制器、博世力士乐系列控制器等，它们具有良好的抗振、防护( i p 6 5 以上) 、 抗干扰等级，具有丰富的可编程i o 接口，多种通信端口、较高的处理器性能、适当的 存储空间、专业化的设十，为移动工程机械设各提供了较好的控制器，获得了广泛的认 同和应用。如图12 所示为几种典型的控制器。 图i - 2 几种典型的控制器 f i g l2t h es e v e r a lz y p i c a lo f c o m m l l e r 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 1 2 2 力矩限制器系统的设计方法 力矩限制器系统是一种广泛应用在各种起重设备上的重要的安全监控系统，它利用 测力传感器和角度传感器分别检测起重机的力信号和角度信号，通过微处理器的计算处 理进行设备工作状态的判断，并根据判断结果进行相应的危险动作控制与报警。 力矩限制器系统设计的基本流程如下： ( 1 ) 系统功能与需求分析； ( 2 ) 系统设计方案的初步确立； ( 3 ) 初步设计方案性价比评估与方案评审论证； ( 4 ) 完善初步方案、初步方案实施； ( 5 ) 软硬件集成测试； ( 6 ) 系统功能性能测试及可靠性测试。 力矩限制器系统的设计主要分为三大部分i 系统需求的确定、硬件系统设计、软件 系统设计，以下分别做以简介。 系统需求的确定。系统主要功能有：开关量i o 、模拟量输入、脉冲量输入、p w m 输出、数据处理、信息显示、系统通信等。 系统性能要求有： ( 1 ) 准确性高，抗干扰能力强，可靠性高。 ( 2 ) 有黑匣子功能，实时性好，防护等级达到i p 6 5 左右。 ( 3 ) 具有断电保护、故障检测与保护、密码保护。 硬件系统设计。硬件系统采用芬兰e p e c 控制器作为硬件平台。该控制器硬件性能 良好，通信接口丰富、存储空间适当、编程环境采用欧洲普遍采用的c o d e s y s 系统，能 够较好的满足力矩限制器系统的硬件要求。传感器采用普遍适用的拉力传感器、角度传 感器、高度限位开关等。人机界面选用s p n l 0 4 显示器，该显示器具有良好的硬件性能、 1 0 4 寸的显示界面、良好的编程环境和丰富的图形库，已在工程机械领域有实际的应用。 软件系统设计。应用软件的功能是实现力矩限制器系统的监测数据处理与控制功能 要求。大吨位履带起重机的实时载荷检测算法是力矩限制器系统的关键技术之一，也是 国产力矩限制器的瓶颈问题，因此本系统的应用软件设计需要针对监控目标解决这一关 键问题。应用软件的设计采用国际标准的编程语言在c o d e s y s 环境中实现。 总之，履带起重机力矩限制器系统的开发是一个涉及计算机技术和专业技术知识的 综合性设计任务，需要对各方面知识有一个较好的把握和融合。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 3 本文研究意义和主要工作 1 3 1 选题背景和意义 本课题源于大连理工大学工程机械研究中心与上海派恩科技合作开发履带起重机 力矩限制器系统的实际项目。 力矩限制器系统作为大吨位履带起重机的核心技术和设备之一，其可靠性和准确性 直接影响着整车的安全性能。目前，国际和国内的大吨位履带起重机力矩限制器系统主 要采用德国、意大利等国的进口设备。一方面，这些进口的力矩限制器系统成本很高， 以我中心为大连重工起重开发的q u y 7 5 0 履带起重机为例，该车的力矩限制器系统采用 了德国赫思曼的设备，系统报价为1 2 0 万左右，成本非常高。另一方面，履带起重机力 矩限制器系统的实时载荷检测算法是大型履带起重机的关键技术之一，它涉及大型桁架 结构在重载下的受力与变形分析等关键技术，掌握该技术对增强国产履带起重机及其力 矩限制器系统都很有理论和现实意义。同时，力矩限制器系统的设计是典型的嵌入式系 统开发，随着计算机技术的发展和机电一体化技术的融合，工程机械设备中的电子监控 系统必将会取得进一步的发展，嵌入式系统在工程机械行业的广泛应用也必将成为一个 主流趋势，因此加快我国在该领域的研究也是很有意义的。 履带起重机力矩限制器系统研究是一项涉及计算机软硬件设计和大型桁架结构变 形分析的综合技术，要保证系统在应用过程中的可靠性、准确性、安全性，仅以普通的 p l c 和线性检测算法是不够的，还必须在设计中进行硬件系统的抗干扰设计、软件系统 的可靠性设计、检测算法的准确性设计等，以改善系统的性能，使系统更加合理。本课 题就是基于上述思想，以大型履带起重机力矩限制器系统为研究对象进行软硬件系统和 检测算法的设计。 1 3 2 研究思路与内容 本文的研究思路主要由系统关键技术研究、硬件系统设计、检测算法设计、软件系 统设计、系统调试等部分组成。研究工作主要内容包括： ( 1 ) 履带起重机力矩限制器系统原理与关键技术分析 本文将对履带起重机力矩限制器系统的工作原理进行分析，深入研究履带起重机力 矩限制器系统的关键技术，提出基本的解决方案。 ( 2 ) 硬件系统的选型与设计 根据履带起重机力矩限制器系统的功能需求和性能要求进行硬件平台的选型与设 计，所选硬件系统的微处理器、存储器、通信端口等需满足系统的设计要求，同时选择 合适的传感器与显示器。 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 ( 3 ) 力矩限制器检测算法的非线性研究及验证 分析大型履带起重机力矩限制器检测算法的关键技术，对大型臂架的非线性变形检 测与计算进行了研究，提出了相应的解决方法，并进行了实验验证。 ( 4 ) 应用软件系统与人机界面的设计 在系统软硬件平台的基础上，结合履带起重机力矩限制器检测算法，根据系统的要 求进行了应用软件系统的设计与人机界面的设计。 ( 5 ) 系统调试 根据履带起重机力矩限制器系统的功能要求及本系统的设计进行了系统的调试。 1 4 本文的组织安排 本文第二章分析了履带起重机力矩限制器系统的基本原理，并对大吨位履带起重机 力矩限制器研究的关键技术进行了分析：第三章根据该类型力矩限制器的功能需求，进 行了系统硬件平台的选型设计，并完成了主要传感器与显示器的选型设计工作；第四章 首先建立了大吨位履带起重机臂架系统的受力与变形模型，进行结构变形分析，在此基 础上实现了履带起重机实时载荷检测算法；第五章首先根据系统要求和检测算法进行了 应用软件的设计和人机界面设计，完成了履带起重机力矩限制器系统的设计；根据履带 起重机力矩限制器系统的功能要求进行了系统调试；第六章为结论与展望。 6 大连理工大学硕士学位论文 2 系统原理与关键技术分析 21履带起重机力矩限制器系统基本原理 履带起重机是一种广泛应用在各种工程建设领域的移动式起重机，做为特种作业设 备它的工作安全可靠性是其一项重要的指标，而力矩限制器系统则是履带起重机安全监 控系统的核心设备。 履带起重机力矩限制器系统由主机、显示器、传感器等组成，其中主机尾系统的核 心设备，主要实现传感器检测信号的接收、数据的处理计算、控制信号的输 j 、系统通 信等丰体功能；显示器部分主要完成整车的工作姿态显示、工作状态参数显示、系统参 数设置等功能；传感器部分主要实现拉力、角度、高度等信号的检钡4 和输入，也是系统 不可或缺的重要组成部分。如图21 所示为履带起重机力矩限制器系统传感器布置情况。 图21 履带起重机力矩限制器传感器示意图 f i g21 s c h e m e o fs e n s o r $ a b o u t l o a d i i m i t e r d e v i c e o f t h e c r a w l e rc r a 加 履带起重机力矩限制器系统的基奉工作原理是，通过安装在臂架上的角度传感器实 时测量臂架的工作角度，通过装在变幅拉板上的拉力传感器实时测量变幅拉力的大小， 高度限位开关检测重物的起升高度：将测量的信号输入到力矩限制嚣主机，主机根据传 感器测量得到的角度和拉力信号结合整车设计中的外形参数和质量参数等数据，根据结 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 构变形和力矩平衡的基本原理计算目前履带起重机的实时载荷情况；如图2 2 所示为力 矩限制器基本工作原理的示意图。 多一圈 多一囤 多一回 多一囤 图2 2 履带起重机力矩限制器基本工作原理示意图 f i g 2 2t h eb a s i cp r i n c i p l em a po f l o a dl i m i t e ro ft h ec r a w l e rc r a n e 如图2 2 所示将计算结果与起重性能表的在该状态下的额定载荷进行对比，对比结 果当额定起重力矩的0 起重力矩 额定起重力矩的9 0 时，力矩百分比条型码在绿 色区域，额定起重力矩的9 0 起重力矩 额定起重力矩的9 5 时，力矩百分比条型 码在黄色区域，显示器上显示黄色叹号图标，额定起重力矩的9 5 起重力矩 额定起 重力矩的1 0 0 时，力矩百分比条型码在橙色区域，显示器上显示橙色叹号图标，起重 力矩额定起重力矩的1 0 0 时，力矩百分比条型码在红色区域，显示器上显示红色停 止图标，声音连续报警，并输出限动控制信号控制液压系统相应的电磁阀实现危险动作 的切断，卸荷控制复位点为9 8 。 2 2 履带起重机力矩限制器关键技术分析 力矩限制器系统是履带起重机工作状态检测和安全控制的核心部件，履带起重机力 矩限制器系统是一个涉及结构变形分析与控制算法、硬件系统设计、软件系统设计、系 统通信设计、人机界面设计的复杂系统。 目前国内大吨位的履带起重机力矩限制器系统主要依赖进口产品，分析原因力矩限 制器系统的关键技术有两点：其一：硬件的可靠性，其二：算法的准确性。目前一方面 国内对大吨位的履带起重机幅度载荷的计算存在一定的偏差，这主要是由大吨位的臂架 变形所导致的，另一方面目前国产的力矩限制器主机主要采用的是较低配置的单片机， 使得对数据量较大、较复杂的系统的处理存在一定的局限性。下面分别针对这两方面的 关键技术及其解决方案做以分析。 一方面在硬件方面由于大吨位履带起重机力矩限制器系统是一个复杂的、大量的数 据处理计算系统，因此对系统硬件的数据处理与存储水平以及可靠性都有较高的要求， 8 大连理工大学硕士学位论文 国产力矩限制器主要采用的是配置较低的单片机，对高性能处理器在该领域的研究应用 还很少，难以满足数据量大系统复杂的大吨位履带起重机，鉴于此，本文选取一款性能 优良的控制器来实现大吨位履带起重机力矩限制器。目前广泛应用于行走工程机械控制 领域的控制器主要有赫思曼、e p e c 、力士乐等，根据系统的需求选取合适的控制器能够 更好的满足系统的性能和成本要求。 力矩限制器硬件系统的基本需求是： 参数检测：需要检测的参数有模拟量输入信号6 至1 2 路，其中拉力信号2 至6 个、 角度信号4 至6 个；开关量输入信号8 路，其中高度信号2 至4 路、其他开关信号输入 2 至4 路；具有1 0 路左右的输出功能以实现声光报警和控制信号的输出；还应预留一定 的输入输出通道以备系统扩展。为保证系统的实时性同时又不产生海量的数据，一般设 置采样时间为o 5 s 左右，系统需要具有a d 通道并具有实时时钟。 数据存储：需要存储的数据主要有传感器检测获得的实时输入数据、大型履带起重 机的起重性能表。对于大吨位履带起重机而言这两部分都会产生很大的数据量，数据存 储也成为一般控制器的弱点，本次设计的履带起重机力矩限制器系统需要至少8 m b 的数 据存储空间，同时应该具有黑匣子功能。 数据处理：本系统具有大量的现场检测数据和设计性能数据，载荷计算算法复杂且 需要具有一定的实时性，因此对于这种实时的大量数据的复杂计算系统而言需要一定的 微处理器处理能力。 系统通信：具有各种通信端口以保证系统的通信需求。具有r s 2 3 2 4 8 5 串口通信端 口实现与p c 机设备的通信、具有u s b 口以实现数据的下载与传输、具有c a n 总线接口 以实现力矩限制器主机与其它现场总线设备的通信。 可靠性：硬件系统应具有防损和断电保护、短路保护等功能、防护等级达到i p 6 5 以上。应采用防损性能较好的材料做外壳，并进行固定和密封，电源与接口应具有电路 保护措施和抗干扰措施。 可扩展性：系统应该具有一定的可扩展性，以便产品在更大吨位或型号的履带起重 机上的可移植性。 参数显示与设置：系统需要在显示器上进行相关参数的实时显示和设置，因此需要 主控制器能够与显示器进行良好的配合与通信，本文采用的e p e c 系列控制器具有良好 的通信接口，能够与显示器进行实时交互。 根据上述结构，本次设计选取基于c 1 6 7 处理器的控制器e p e c 2 0 2 4 。 另一方面在算法方面由于大吨位履带起重机是一个极其复杂的桁架受力系统，而力 矩限制器系统的的基本原理是根据力矩平衡原理实时检测起重机的实际载荷情况。力矩 9 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 平衡涉及到两个方面的参数，分别是力参数和形状参数。其中力参数可以通过结构设计 的结构重量参数和拉力传感器的检测参数获得，而形状参数却难以直接获得，原因在于 结构设计的形状参数是整车在不受力未变形的情况下的参数，而在实际工作时的结构是 受到较大的载荷具有一定非线性变形的，因此要求得系统的实时载荷就需要进行大型桁 架结构的变形分析，而对于大型桁架结构的变形分析是结构设计的主要技术之一也是国 内大吨位履带起重机力矩限制器检测算法的主要瓶颈或关键问题之一。 本文针对大吨位履带起重机力矩限制器检测算法的设计进了一定的探索，主要是对 如何进行履带起重机臂架系统在工作时的实时幅度计算的问题进行了研究分析。分别分 析研究了解析法、近似曲线法、仿真法、试验法等方法。 2 3 本章小结 本章首先介绍了履带起重机力矩限制器系统的组成和基本工作原理，在此基础上进 行了大型履带起重机力矩限制器系统的关键技术的研究分析，指出了大吨位履带起重机 力矩限制器系统的两个关键技术问题，国内外的差距、本文的解决思路等，本章提出的 两个关键技术也是本文研究的重点内容，起到总起全文的作用。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 3 硬件系统设计 31 硬件系统简介 硬件系统是实现系统功能的载体和核心之，硬件平台的设计是实现系统功能的关 键因素之一，也是本文设计的重点之一。 311e p e c 简介 e p e c 是专业设计、生产工程机械电液控制系统的国际化公司，她致力于为全球的 工程机械厂家提供c a n b u s 控制系统解决方案。到目前为止已为欧洲，澳洲、日本及中 国等国的工程机械生产厂家提供总数超过1 0 0 0 个的控制系统解决方案，许多著名厂家 都使用她的产品，而且她的产品针对北欧寒冷恶劣的环境，可靠性优于其他公司产品， 已成为欧洲工程车辆自动控制领域的领头羊。如图31 所示为e p e c 系列控制系统的应 用情况。 图31e p e c 系列控制系统应用 f i g 3lt h e a p p l i c a t i o no f e p e cc o n t r o ls y s t e m 312e p e 0 控制器特点 e p e c 控制器是针对工程机械长期恶劣的工作环境而开发的c a n 控制系统模块。 高可靠性和安全性是它的优点。大容量的存储空问可以对程序、系统参数等重要数据进 行保存。应用高性能的微处理器使得控制器的运算能力更加强大。除了控制器微处理器 本身的特点之外，它还在i o 接口、通信接口、硬件输入输出，人机界面等方面具有良 好的性能特点。 丰富的可编程i o 接口。该系列控制器具有多种型号可供选择的产品，能够根据不 同需求实现系统的接口选择，且该系列控制器的接叫多为可编程i of a ，能够满足不同 的应用需求。系统具有准确的a d 、d a 转换，核心控制器具有开关量输入( d i ) 、模拟 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 量输入( a i ) 、脉冲输入( p i ) 、电流反馈( f b ) 、开关量输出( d o ) 、p w m 信号输出( p w m ) 等多种信号输入输出接口。 通信接口方面具有基于国际先进的c a n b u s 通讯接口，具有c a n o p e n 、c a n 2 0 b 两个通讯接口；同时还具有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 两种串口通讯。 硬件输入输出方面对应i o 接口，输入指令可以有控制手柄、电位计、控制开关。 根据型号，可接的传感器有电压型、电流型、脉冲型、可变电阻型、接近开关、行程开 关、c a n 总线型等；根据执行机构，可控制器件有：电液开关控制阀、电液比例控制 阀、定量变量马达、指示灯等。 同时，它具有良好的人机交互功能可以根据系统的需要选择大小有5 7 ”、l o 4 ”等尺 寸的显示器；根据显示屏颜色有单色、彩色液晶显示屏等。 该系列控制器具有良好的硬件特性，在环境参数、电气参数、机械测试、抗电磁干 扰试验等方面都具有较好的性能。如表3 1 所示为该系列控制器的硬件特性。 表3 1e p e c 系列控制器硬件特性 t a b 3 1t h eh a r d w a r ef e a t u r e so fe p e cc o n t r o l l e r 履带起重机力矩限制器系统对硬件有较高的要求，而e p e c 系列控制器的这些硬件 特性使它能够满足履带起重机力矩限制器系统的硬件要求。 大连理工大学硕士学位论文 32 硬件系统设计 3 21 硬件系统组成与功能 硬件系统主要由主控制器、显不器、传感器等组成。其中主控制器主要完成数据的 采集、处理、控制、通信等毛体功能，显示器是人机界面的主要部分，它负责完成系统 的状态显示与参数设置，传感器是实现信号检测与采集的主要元件，它负责采集力矩限 制器系统所必需的拉力和角度等信号，系统各个部分互相协调工作完成力矩限制器系统 的功能。 本系统的基本功能是能够实现数据采集、数据处理、控制输出、系统通信等功能。 从而实现履带起重机工作状态中的拉力检测、角度检测、限位检测等，对检测到的主要 参数进行分析处理，根据相应的算法求得当前设备的载荷状况，为危险动作报警和控制 提供依据，系统通信是本文设计的系统的另个特点，本系统集成了r s 2 3 2 4 8 5 、c a n 总线等通信端门，以实现数据获取、传输、显示等功能，从而实现系统与其他设备之间 的通信与数据交换。如图32 所示为履带起重机力矩限制器系统的组成情况。 图32 履带起重机力矩限制器系统组成 f i g3 2t h ee , o m p o s i t i o no f t h e l o a d l i m i t e rs y s t e mo f t h ec r a w l e r 主控制器是力矩限制器系统的核心组成部分，它的可靠性是力矩限制器系统的重要 指标。e p e c 系列控制器是目前广泛应用于工程机械控制领域的主流产品，可以很好的满 足力矩限制器系统的主机硬件要求。 人机界面也是力矩限制器系统的主要组成部分，良好的人机界面能够使力矩限制器 系统的可视性和可操作性更好，园此，系统的设计应该满足一定的人机界面设计要求， 履带起重机力矩限制器系统研究与设计 比如：显示器的尺寸大小应根据履带起重机型号的大小和显示数据量的多少进行合理的 选择配置；界面的设计也应根据数据的重要程度、可视化效果等因素进行综合设计，为 力矩限制器系统设计一个良好的人机交互界面。 传感器是力矩限制器系统的另一个重要组成部分，传感器的选用与性能参数会直接 影响到力矩限制器系统的检测效果和计算结果，因此，在力矩限制器系统设计中传感器 的选用也是一项很重要的工作。力矩限制器系统中用到的传感器主要有拉力传感器、角 度传感器、高度限位开关等，其中拉力传感器的选取要根据结构设计计算获得的拉板最 大受力情况进行选用，角度传感器应根据履带起重机的工作幅度范围进行选用。 根据大型履带起重机力矩限制器系统的功能要求，在硬件系统的基础上进行了系统 功能框图的设计，如图3 3 所示为设计的系统的功能框图。 力传感器1 力传感器2 主控制器 ( e p e c2 0 2 4 ) ( 数据采集、 数据处理、 控制输出、 系统通信) 今今 囹曰囤 图3 3 系统功能结构框图 f i g 3 3t h eb l o c kd i a g r a m o f t h es y s t e mf u n c t i o n s 3 2 2 硬件系统功能原理 本系统的基本工作原理是：传感器信号的采集、数据的处理计算、状