（电机与电器专业论文）大型塔式起重机非接触式力矩保护技术研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y 0 nn 0 - c o 衄e c t i o nt c i r q u ep r o t e c t i o nt e c h n o l o o f m e l a r g e t 0 w e r c 砌e a b s t r a c t t o w 盯锄船粥喇o rh o i s t i n g 嘲腑l t i l so f 恤i n d u s t r i a l 甜c 砌倒鼬u c t 溉砌 们i 乜o fh i g hw c r k i n ge 街c i e n c y 谢d e 删1 9 co fu s 鹤，髓s ym 8 n i p l l l a l i 锄dc o 删e n i 髓t i n s t a 灿n 讲d i 蛐龃n 栅枷w i mt h e 山e i q 舡吲吐o ft h em i c l e 盯p o w 口s t a t i a n dt h e 黜m 渤哦蛐i n r e c e d ty e a r s ，姗盯删晰。饪砌恤b e s to p l 咖i 6 髓f b r 出帅1 0 p i n gw h i c ht h e yh a v cn e v 盱m e t b 1 nw h e nt h em m i b 盯o ft o w 盯a a n 韶i n c r c a s r a p i d l y ，也em l b 盱o f t h et a w 凹黜sa c c i d 伽晒a l s oi n c a s 韶i nl a r g eq i 吼嘣t y 1 1 1 耐o i t i s 晔mt h a lt h c 咖o f 咖s h o u l db ci m p f o v e da n dt b c 眦o f 姗盯伽e a c c i d e n t ss h o l l ：i db e “翊【u c e 正 c 脚1 e 由q l 聘l 撕t h a 士i s 州p p e d 也ec r a n ei si 加p o n a 咀to v e r l o a d 鲫m 商v e 如i np r o v i d 船鞠f e g 叫df o rt h e 鞠f 毫t yw o r 叠【o f 黜t r a d i t i o n a lt o r q p 钯c t i v ed e ! v i c e a d 叩t sam e 妇i c a lt o r q 蚓1 s o r ，l h 】u 曲m a l d n gu o f t h em h i n e f yd e f o 唧撕t o 舯) d u c e 删cs i 刚，血l m l a r g e i t i no 出协p r 0 、r i d c t h e 叩唧c o r 谢t h t h ep r o t o c t i v e s i 弘a 1 b m 也i s 蹦o fn o c o m 蒯o nt o r q l 砖p 1 0 1 删o nh 嬲t h ei n e 、删e 删t bi n l p r o v e i t s 把l i a b i l n y 觚d c i 啪c y ，t h i s 耻i p 盯i sb a s c d t h cd e 印c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h e p 渤td m l e s t i ca n df o i g nt o r q n 埠l i m i 钯培，砒m es 锄ed m e ，m 址呛g o o du o fi 协咖c i e n t a ( p 盱i 饥谢h i c ht a 融a d v 锄t a g eo ft h et e c h n i c a l h i e v e m 即临j nt h e 丘e l d s 鲫d i e l e c 仃o n i c ，c o m p m e r 辩n s i i 唱觚dc 灯o l l i n g a tl a s t ，t h e yb l d l l g ：h tf o 州旧r ；d 也ed c s i g ni d o f t h c 船删t y p em dc a r r i e do m1 b c 蚴r d ho fn l c 删h l o d c l 蜘啷涨岫 l i l n i t e f t h e l v i n gs d h e m ei nt h i ss y s t e mh a sl l l e 俩t so f g 即蒯砌a _ b i i n y ，h i g h a c c u r y a n d l o w c o s t a n d t b e l n 汜 m 脚印m c c i v e d c v i i n l h i sp a p 盯蝴t h cd e s i 驴o f t h en 蚰e c t i t y p e ，丘d mw e i g h t 觚da 【姐t 铆os i d 船t oc a r r yo nt h es t i l d yo ft h es i g n a ld c ! t e 嘶，l h e n 融蛐m e 蜘咐c r 黜i s 溅也e l i m i to r n o l 啦s 啪p h y 曲哪岫删a n l r o l ei np i o t e c t i l l g 也et o r q 一i i i 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 a 5 衙t h e 触鼬p e c t ，也a l i s ，m e w e i g h t 臼国m i n a l i o 玛鹊a l l t b e w o r k o f t h e t o w e r c 瑚e i s 丘o m t h ee l 仃i ce n e r g y a l l l h es i m a t i o 璐、j l ，i ub es 嘲d i 僦i y m t h c i n p 眦p o w 盯o f t h e m o t o f t h e r e f 0 坞i nt h i sp a p 盯w em a l 【eu o ft h em e t h o do fm 翻酬面1 9t h ee l c c 砸cm 咖 p d w 盯s i 乎1 a li n s 协a do fm e a s u r i n gt h ew e ig ：h ts i g n a l ，趾d 仃缸吲6 醯i ti n t 0 也es t 舡l d a r dv o l t a g e s i 印a lb yp o w 盯订姐s m i t t e r ，t h e n 仃a 1 1 s f 醯i tt ot h ei n t e ：面_ c co ft h ec o m p m e r a tl a s t ，c h e c l 【i f t h ew e i g h tg o e sb e y o n dt h es t a i l d a r db yu s eo ft h ec o l n p 咖o nt h e0 t h 盯b a n d f b rt h e 锄p l m l d ed e t e c 廿o n ，w ea d o p t 血er e v o l u t i o n 仃a n s f 0 衄e rt 0c h e c kt h ea n g l ec h a n g eo f 也ej i b l o a d i n gb o 咄o n 1 i n ea n dt r a 璐f e ras i g n a lt ot h ec 唧l | l c rt oc h e c ki f i te 羽黜【协o v 盯t h el i 血 mt h i sp a p 盯t h ec o l l e c t i n gs i 驴a l ，l a li s ，n l es i 龇d a m e ds i g n a l 谢nb ec h a n g c di n t o 仕峙d i g i t a l s i 乎1 a lt h m u g ht h ec 0 叫旧姗a n dt h e nc a 玎yo u tp r o c c s s i n gt h es i g n a lb yu o f t h e p i c f r o m t h er e g i l l t so ft h ee x p e r i m e m ，w e 锄辩et l l a th a v i n gc 0 忸彤i r i l l g 谢t ht h e 砌m 伽i a ld e s i g n i d e a o d e s i g ni d e ah 勰也ef o l l o w i n ga d v a n 诅g e s ，s u c h 鹤，d u c i n g 曲屺锄rm 尉l s u 糟m e 咄 i m p r o v i n gm ea c c l l r y ，w 1 1 i c hr 髓u l t si ni m p r o v i n gt h es t a _ b i l i 够o f t h ew h o l es y s t e m k e yw o r d o ：t o w e rc r a n e ，t o r q u ei i m i t e r p l c i v 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名： 翠磁 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 随着社会经济的发展，为工程机械行业提供良好的外部发展环境。尤其是在。十五” 期间的南水北调、西气东输、西电东送、青藏铁路四大工程每年就能拉动工程机械行业 1 5 个百分点的增长起重机的需求量随之越来越大，据不完全统计“1 ，2 0 0 3 年1 4 月份，起重机整机销量达到3 4 1 5 台，同比增长4 6 到2 0 0 5 年起重机的年需求量达到 8 0 0 0 9 0 0 0 台。起重机械在建筑和物质大件吊装转运中起着重要的作用，高速安全地使 用起重机已逐步成为起重行业设计、制造、使用和管理人员的共识，国际 及g b l 2 6 0 2 - 9 0 起重机械超载保护装置安全技术规范都有明确具体的规定，国家 劳动局正式规定1 6 t 以上的汽车吊等起重机必须安装安全保护装置“8 近年来国内研制 开发了多种安全保护装置，例如起重量超载限制器、起重力矩限制器等安全保护装置， 但存在一个问题就是大部分保护装置具有单一的保护功能，导致厂家不同，型号规格不 一，外型结构及安装方式各异，给安装和使用带来不便。因此，目前首要的任务是解决 开发一套统一的安全保护装置，以提高其使用水平。塔式起重机作为重要建筑机械，因 其起重高度大，占地面积小，工作范围大，安装与拆卸较为简便等优点而被广泛应用于 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 建筑工程上，为防止和减少事故的发生，塔式起重机的安全装置便成为普遍关注的重要 问题。据统计，大约有5 5 的塔机事故是由于不加限制器或限制器失效造成的，尤其是 力矩限制器存在的问题更多。力矩限制器是起重机不可缺少的重要安全装置。力矩限 制器的失效直接影响塔机的安全性能，因此，只有提高力矩限制器的使用性能和精度， 才能提高塔机的使用的安全性。 起重机力矩限制器是一种重要的安全保护装置。它主要装在塔吊、汽车吊、履带吊 等大型起重机上。通过系统内部的各种传感器对起重机的关键工作参数进行实时检测监 控，经过分析计算和数据处理后得到的结论并结合起重机当前工作状况进行判断：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。力矩限制器的设计研制从5 0 年代后期开始已经有几十年的历史，经历了由机械式向电子式、模拟式、数字式及微机 控制式的发展历程，我国从7 0 年代末起也相继研制出一些产品“”4 。力矩限制器的重要 性在全世界已得到公认。塔机的安全性是建立在安全保护装置上的，尤其是建立在力矩 限制器的基础上的。 随着微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术的迅速发展，现今起重 机用户已不满足于起重机仅拥有载荷、力矩限制功能，他们希望获得更多关于起重机状 态的准确信息，包括起升高度、起升角度、工作幅度甚至钢丝绳状况等信息；并希望起 重机具有较强的自动控制功能及自诊断能力，以降低操作和维护的劳动负担并保证起重 机的安全。起重设备制造厂商及研究单位也顺应用户的需求开始开发数字式以微型计算 机为核心的起重机安全监控系统。向德国的起重机，采用激光装置测量起吊手的重心位 置，依靠超声波传感器引导取物装置抓取货物；英国的起重机上安装了近场感应系统， 可避免起重机之间的相互碰撞等。 1 2 起重机力矩限制器国内外研究现状 起重机安全监控系统主要是以起重力矩限制器作为监测的核心，早期的产品一般也 仅仅具有力矩限制的功能，通常称为自动力矩限制器( 简称力限器) ，而当前很多国内 国际的产器具有更大容量的信息集成度，或称为起重机安全监控系统，或沿用旧称称它 为力矩限制器“”。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 1 国际研究概况 。 国际上起重机制造业主要有格鲁夫( g r o v e ) 、加滕( i ( a t o ) 、德玛克( 龇) 、 神户( k o b e ) 等几十家制造商，其产品占据国际起重机市场的大部分份额他们大都根 据自己的起重机产品研制有配套的力矩限制器这些制造商的产品，基本上反映了国外 力矩限制器技术的发展历程、现状和趋势“7 刺。 日本加藤l s 2 4 8 型力矩限制器是七十年代末的产品，用于履带吊上，它采用了大 量的模拟电路对传感器信号进行处理计算，用模拟表显示。它相对机械式是个很大的进 步，但存在精度低、设计维护难度大、易损坏等问题。 、， 八十年代，随着微处理技术的迅速发展，力矩限制器的设计迈上了新台阶。如神户 m l s 3 3 0 a 型力矩限制器，复杂的计算工作全部由软件来完成，系统的集成度和综合精度 都得到了很大提高。而且通用性好，对于不同型号的同系列起重机，只需要对软件参数 和传感器量程作相应调整，具有系统自检功能，当系统硬件或工况设定出现问题，能及 时报警及显示故障代码。采用数码管显示，拨码盘设定工况，手动电位器进行调节标定。 加藤l s 2 4 8 v 型力矩限制器作了进一步的改进，具有零点记忆功能，当显示载荷零 点变动时通过简单操作即可记忆零点数据，及时调整。还可以方便地记忆某工况空载时 不同幅度下的零点数据。经过内部分析处理，可减小摩擦等误差因素对测量精度的影响。 内部电路采用开关电源技术，提高了抗干扰及防护能力。采用新型高性能单片机及外围 芯片，性能更加稳定，功耗更低，系统集成度更高。 住友的6 5 吨履带式起重机使用的力矩限制器是9 0 年代初期产品，技术性能有了进 一步的改进，通用性强，通过简单改装可以适用于塔式、轮式、履带式起重机，采用液 晶显示，人机界面进一步优化，并具有故障代码显示功能。 g r o v e 公司的d s 3 5 9 g w 型力矩限制器的设计更突出体现了人机界面的优化。选用点 阵字符l c d 显示器，显示信息量大，强光下读数清晰，而且功耗极低具有各种英文提 示，发生故障时。可显示故障内容及处理方法。采用薄膜印刷面板，更加美观且防水 通过薄膜轻触按键进行工况参数的设定或操作一些辅助功能，操作灵活、方便 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 g r o v e 公司于2 0 0 2 年5 月推出了r t 9 0 0 0 e 型起重机，起重力矩限制器已经被集成到 控制室的中心控制台中全部工作参数，如吊臂的倾斜角、吊臂的伸出长度、起重幅度、 当前的载荷力矩、允许的最大起重量及当前的起重量都可在操作台上显示出来，电气系 统中对所有工作参数都设置了安全极限值，当接近或超载时会自动发出警报。这一革新 已经使起重力矩限制器从起重设备的配套产品转变成为系统整机的一个功能模块。 1 2 2 国内发展状况 国内力矩限制器产品起步较晚，在8 0 年代初，有关起重机行业、大专院校、研究 院等单位开始进行力矩限制器的研究，发展至今已成一定规模，也取得了一定的成果， 但于国外同类产品相比仍有很大的差距。目前，国内较有影响的有以下几种产品随嘲： 长沙浦沅电子安全信息技术开发有限公司的a c s 系列起重力矩限制器。采用汉显 技术，其所有的操作均可用汉字菜单显示，操作性强；采用大型液晶图形点阵显示，能 直观清晰地显示出起重机工作图形及工况参数；具有独特的自诊断功能，直接用汉字提 示出故障现象和处理方法等，具有“黑匣子”功能，可自动记录起重机在作业过程中危 险工况，为事故分析处理提供可靠依据；m t b f 1 0 0 0 0 小时。 北京市电脑技术应用研究所的b q l 系列力矩限制器。其完全仿照日本多田野公司 的八十年代产品，能够显示臂杆长度、角度、工作半径、实重、限重、吊高等信息，并 通过声、光报警，超负荷时自动停止危险动作。工作地区温差可达8 0 。但技术上缺少 创新，而且实践证明，质量不稳定，返修率较高。 中国航天工业总公司三十一所北京三发高科技实业总公司的l x 系列力矩限制器。 具有超载、角度限制、过卷等保护功能，同时具有声光报警及限制起重机向危险方向动 作等功能，数字显示，操作较简单。 三峡大学电子厂生产的力矩限制器采用模块化设计，动态显示起重机工作幅度、 吊臂角度、额定起重量、实际起重量、负荷百分率并能显示各种工况曲线表，具有人机 对话界面，缺点是需要外接2 2 0 v 交流电，体积不够小巧，可靠性差。 湖北宜昌市鸿阳自动化控制有限公司的h y 系列起重机力矩限制器，特点是在安装 调试上全部采用按键操作及液晶显示提示，不用调整任何电位器，但其面板设计粗糙。 沈阳工业大学硕士学位论文 国内力矩保护装置厂家对传感器及仪器元器件的选用较国外力矩保护装置厂家存 在一些差距。因为国内的塔机力矩保护装置的力传感器一般都在国内传感器厂家购置， 这些厂家本身在力传感器应变片，应变材料的选择及制造工艺较国外同行尚存在一些差 距，力矩保护装置厂家使用的集成芯片等级偏低，一般为商业级( 实验室试验用) 国 内的塔机力矩保护装置厂家在仪器自身的制造工艺及传感器的安装、信号线的连接等方 面较国外厂家存在着一定差距目前，我国力矩限制器的研究刚刚起步，尚没有成熟可 靠的产品。并且精度较差、可靠性低、灵敏度低。国内的力矩限制器主要有三种：电子 类力矩限制器、机械偏心压杆式力矩限制器、机械类弹簧钢板式力矩限制器，总的讲这 三种力矩限制器的系统综合精度都能达到国家标准要求，即都不超过士5 ，但都有其不 足。根据用户的反映，国内产品的最主要问题是可靠性，在解决可靠性前提下还需提高 整机性能及完善系统功能等。 1 3 起重机力矩限制器的发展趋势 随着计算机技术、自动控制技术、传感器技术、液力液压等技术的进一步发展，起 重机安全保护系统将在提高起重机工作效率和保证施工安全的前提下，具有更高的信息 采集和数据处理能力因此，基于网络的机群集成控制与智能化管理的研究是2 l 世纪 工程机械的三个重要发展方向嘲运用新思路、新技术对国内现有产品进行系统的技 术改造和性能提高，已成为必然趋势，也是我们要做的工作。 1 4 本文所要做的工作 本课题是就大型塔式起重机的力矩保护技术做研究，以小车变幅式的塔式起重机 为例，从全新的非接触式思路出发，在起重信号方面，利用测电动机的输入功率的方法 来测量起重量，建立相应的数学模型；通过霍尔功率变送器把模拟功率信号转换成标准 的模拟电压信号，再通过a d 转换器转换成计算机能识别的数字信号，传递到计算机的 输入接口，从而进行控制分析。在幅度信号方面，利用旋转变压器把幅度仰角的测量等 效成转子转角的测量，并通过旋转变压器数字转换器把测得的模拟电压信号转换成数 字信号传送到计算机的输入接口，从而进行控制分析 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 2 塔式起重机的力矩保护 2 1 塔式起重机的概况 随着人民生活水平的提高，建筑业迅猛发展，超高层的建筑施工越来越多塔式起 重机俗称塔吊，是现代工业与民用建筑施工中必备的机电设备，具有工作效率高，使用 范围广，操作容易，安装拆卸简便等特点。特别是在高层建筑施工中，它是一种不可缺 少的施工机械，塔式起重机是一种塔身竖立，起重臂回转的臂架类起重机( 如图2 1 所 示) ，其臂架安装在塔身上部，能在垂直及水平方向运输重物，因而起升的有效高度和 工作范围比较大。 塔吊起源于西欧魄捌，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1 9 0 0 年。1 9 0 5 年出现了 塔身固定，装有臂架的近代塔机。1 9 2 3 年制成第一台近代塔机的原型样机，同年出现第 一台比较完整的近代塔机。1 9 3 0 年，德国已经开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1 9 4 1 年有关塔机的德国工业标准d i n 8 6 7 0 公布，该标准首次提出以吊载( t ) 和幅度( m ) 的 乘积，即起重力矩表示塔机的起重能力。1 9 4 8 1 9 4 9 年涌现一批起重能力在1 0 0 麒m 以下的雏形装塔机；1 9 5 5 1 9 5 7 年又相继制成一批大尺寸回转支撑塔机，该塔机塔身可 以伸缩，采用下回转、小车变幅水平臂架，可以折叠，整体拖运，快速安装；2 0 世纪 5 0 年代末期至6 0 年代初期，由于高层建筑越来越多，出现了采用不同顶升系统和按不 同方式进行自升接高的塔机。在此不久，生产出目前广泛应用的所谓三用或四用( 轨道 式、固定式、附着式、内爬式) 塔机。 自2 0 世纪8 0 年代以来，国外塔机技术发展呈现以下特点： ( 1 ) 发展组合塔机或者称为模块塔机。 ( 2 ) 发展超大型起重机。近年来，由于大功率电站、高坝、近海石油钻井平台、天 然气钻井平台以及石油化工工业发展需要，对大型和超大型塔机提出了更多更高的要 求。目前，幅度7 0 9 0 m ，最大起重量为5 0 6 0 t ，起升高度为1 0 0 3 0 嘶的塔机产品 可以经常看到，现今世界最大的超大型塔机是p o t a i n 厂于2 0 0 0 年推出的如2 2 5 0 0 型塔 机，其最大幅度1 0 0 m 时的起重量为1 8 0 t ，起升高度为9 9 m 。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 8 图1 1 塔式起重机图例 f i g1 1c 删ms i g 皿o f 自口眦rc 咖 卜行走台车；2 一底架；3 压重室；4 - 机器房、操纵室； l - r 加n i i l gt r o u e y 2 c l 麟i s3 - w e i g b t 呻s i n gr m4 0 p 嘲出l l gf o o m 、 5 一塔身；6 一起重臂；7 一平衡臂；8 一平衡 5 棚b o d y 每l i 地g 枷7 j b a l 趾c i n g 锄8 - b a l 锄 一7 一 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 ( 3 ) 发展适应城市改建的塔机城市改建的要求是基地面积小，建筑密度大，塔机 回转障碍多，同时必须保证道路交通不能中断，为了适应这种环境，西方一些公司推出 了4 0 0 7 0 0 蹦m 级的城市塔机，其特点是1 ) 采用短平衡臂。2 ) 采用尺寸在4 4 m 6 m 6 m 范围内进行调节的x 型底架，以便于在人行道上和马路旁安装固定。3 ) 塔机的 塔帽、转台、司机室、起升机构、回转机构、小车牵引机构、小车、吊钩滑轮、平衡臂 以及臂架根部拼装成一个扩大组件。安装后，接通电源即可运行。4 ) 运输方便快捷。5 ) 安装架设速度快。6 ) 采用较完善的调速、操纵系统、电子仪表。 我国塔机的生产始于5 0 年代，经历了一个从测绘仿制到自行设计制造的过程。2 0 世纪5 0 年代，为了满足国家经济建设的需要，引进了苏联以及东欧一些国家的塔式起 重机，并进行仿制。1 9 5 4 年，仿制民主德国设计的建筑师一i 型塔式起重机，在抚顺试 制成功我国第一台t q 2 _ - 6 型塔式起重机。随后又仿照苏联样机，研制成1 5 t 和2 5 t 塔 式起重机。到了2 0 世纪6 0 年代，我国开始进入白行设计与制造塔式起重机的阶段，1 9 6 1 年，首先在北京试制成功红旗一i i 型塔式起重机，它是我国最早自行设计的塔式起重机。 随后，我国又自行研制设计了t q _ 6 型塔式起重机等。至1 9 6 5 年全国已有生产厂家1 0 余家。这些塔式起重机都是下回转动臂式，可整体拖运。满足六层以下建筑施工的需要。 从2 0 世纪7 0 年代起，由于建筑施工的需要，我国塔式起重机进入了技术提高、品 种增多的新阶段。1 9 7 2 年我国第一台下回转的轻型轮胎式轨道两用起重机问世；同年又 自行设计了q t 4 1 0 型自升塔式起重机，该机起重力矩为1 6 0 0 l ( n m 。还先后研制开发 了z t l o o 、z t l 2 0 、z t 8 0 型等小车变幅自升塔式起重机、q t 4 1 2 0 小车变幅内爬式塔式 起重机，町l 1 6 、t q 4 0 、t q 4 5 、t d 2 5 、町g 4 0 等下回转动臂自行架设快装塔式起重机，标 志着我国塔式起重机行业进入了个新阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代，我国塔式起重机相继出现了不少新产品。主要有凹8 0 a 、 觚z l o o 、q t z l 2 0 等自升塔式起重机，q t 6 0 、q t k 6 0 、q t 2 5 既等下回转快装塔式起重机和 q t 9 0 上回转动臂顶升接高塔式起重机等。这些产品在性能方面接近国外7 0 年代水平。 与此同时，也从国外引进了一些塔式起重机。如德国的l i e b h e r r 、法国的p o t a i n 有及 意大利的e d i l 陋e 等公司的产品，这些技术先进，性能较好的塔式起重机极大促进了我 国塔机的设计和技术的进步。 沈阳工业大学硕士学位论文 进入9 0 年代后，我国随着建筑行业的发展，年产量也大幅增加，而且有部分出口 国外，至2 0 0 0 年，塔式起重机的生产量已从几十台发展到6 万台。 2 2 塔式起重机的安全保护系统 塔式起重机在安全保护方面主要包括塔机的起升高度、起重量、幅度、起重力矩、 起升和行走位置等方面，其主要是指起重量和幅度两个方面。为了保证塔式起重机平稳 可靠地运行，避免因为超载而断臂、倒塌或因为高速运行时突然停车引起巨大冲击等现 象的发生，必须配备安全保护装置。与国外的塔式起重机相比，我国塔机有一个很大的 差别在于安全保护系统较落后。近年来，国内开发了多种安全保护装置嗍，如起重量超 载限制器、起重力矩限制器、幅度限位器、风速报警装置、启动报警器、防碰装置以及 起升高度限位器等，虽然这些保护装置在塔机运行到极限或超载时，能够自动切断各种 运行机构电源，使其停止工作。但是，这样做容易产生巨大冲击，直接损害塔机结构强 度，缩短塔机使用寿命。同时，这些保护装置灵敏度低、可靠性和适应性都很差，功能 单一，缺乏自我监测和显示功能，不具备超前预测能力加上塔机工作环境恶劣，作业 空间大，司机在这种条件下工作，难以准确判断塔机的运行状态，不能有效地操作塔机， 工作效率偏低，而且现代施工现场，塔机经常处于接近极限状态作业，司机注意力长期 高度集中，劳动强度大，容易疲劳，这些都为造成塔机重大事故埋下隐患。随着自动化 技术、计算机技术、电子技术的迅猛发展，现在的用户已不满足起重机仅拥有限制器和 限位器，还希望获得起升高度、起重角度、工作幅度等准确的信息，并希望具有较强的 自动控制功能及自诊断功能，并能降低劳动强度，保证起重机安全啪4 1 。 力矩限制器装置是大型塔式起重机必备的安全保护装置，本文中力矩限制器保护技 术的研究主要从两个方面进行，一个是在重量检测方面；一个是在幅度检测方面。传统 的力矩保护装置在起重量限制方面嘲一般采用在起重机的钩头部安装一个机械式的力 矩传感器，利用其机械受力变形产生电信号，再将这一微弱的电信号放大，为操作者提 供显示或对起重机的起重量进行限制；在工作幅度方面一般采用电位器传感，利用电位 器滑动触点跟随吊臂的变化得到的电信号经处理后来提供显示或保护信号。这种传统的 力矩保护装置在实际使用中普遍存在以下几方面的问题队嗣： 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 ( 1 ) 机械式传感器必须安装在起重机的钩头，其所处的环境较差，其可靠性受到严 重影响，即使从国外进口的起重机也同样存在着这个问题。 ( 2 ) 机械变形产生的电信号是非常微弱的毫伏级信号，放大和处理难度较大，会直 接影响其精度。 ( 3 ) 不仅安装十分不便，而且造价也较大。 ( 4 ) 在幅度检测方面，采用电位器也同样有直接接触的磨损而影响使用寿命和环境 温度影响测试精度的问题。 力矩限制器的基本要求是在某一幅度时有一相对应的容许工作载荷，也就是最大工 作载荷，超过此载荷，塔机提升机构的电机断电；反之，如起吊某一载荷后改变幅度， 如幅度超过与之相应的最大幅度时，塔机变幅机构的电机断电，根据这个基本要求可做 成各种类型的起重力矩限制器。力矩限制器的发展经历了由电子式的力矩限制器到机械 式的力矩限制器的时代，可靠性有所提高，但存在一个问题就是每种力矩限制器都具有 单一的保护功能，与其它的安全保护装置不配套，给安装和使用带来不便，并且各种力 矩限制器的精度及可靠性和灵敏度都很低，例如：经济实用，精度也较好的机械力矩限 制器已取代电子力矩限制器，大量用于中小型塔机，它对于塔机的安全使用起到了可靠 的保护作用。但是在塔机检测中时常发现，在起重臂上规定的检测力矩限制器精度的三 个幅度中，至少在两个幅度处实测起重力矩与生产厂家提供的额定起重力矩有较大的相 对误差。这个相对误差往往超过5 的限值。而且，在最大幅度处起吊额定载荷时调好 力矩限制器，在另外两个幅度处检测，常常发现仍然不合格，因此，目前首要的任务是 解决力矩限制器的可靠性、精度问题。从现有的技术资料中得知多数力矩限制器的设计 都在从如何提高其可靠性和减小误差入手，但其设计方法普遍是从机械式的变形出发， 因而就存在着不可避免的接触性误差。 本文所研究的新型力矩保护技术主要是针对传统力矩保护装置的问题，跳出原来 的设计思想，采用一种全新的无接触的测试理念，使测试的误差达到最小，并提高力矩 限制器的可靠性问题。具体来说，本文的力矩保护技术研究主要从重量信号检测和幅度 信号检测两方面进行研究其安全性和可靠性的问题。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 非接触式力矩保护原理 3 1 概述 塔式起重机的结构示意图如图3 1 所示。非接触式力矩保护技术是从重量检测和幅 度检测两个方面对力矩限制器的安全性能及其可靠性能和精度进行研究，终旨是使力矩 限制器的误差达到最小，并能有效地提高力矩限制器的可靠性本文从全新的非接触式 的思路出发，跳出我国传统的机械式的思维方式。因为塔式起重机的一切工作都来自于 电能，电动机是动力源，一切不正常情况的出现，都直接反映到电动机的输入功率上， 从而实现在线检测。 图3 1 塔式起重机结构示意图 f i 吕3 1 鼬咖s k c t c h m 印o f t o w 凹咖碡 本文在重量信号检测方面，将其重量信号的测试转换成全新的电动机的输入功率的 测试问题，避免了机械变形等带来的误差，并且利用这种方法检测到的不仅是重物的重 量，而且包含着整个拖动机械传动系统的运行情况，如机械的润滑情况，卷筒上钢丝绳 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 的捧布情况，减速器齿轮的啮合情况以及主拖动电机的工作情况，甚至系统承受的风载 等不正常变化。这些情况都直接影响主拖动电机输入功率的变化，都直接对起重机工作 的安全性造成威胁，并且这些情况对于传统的力矩限制器来说，该信号都不能被准确检 测到，因此该力矩限制器减小了系统误差的产生，提高了系统的可靠性 在幅度信号检测方面，采用旋转变压器作为角度检测元件，利用旋转变压器中转子 感应信号与起重臂的吊角成一定的比例关系，来达到直接检测的目的，避免了在传统的 幅度检测中，电位器滑动触点相接触所导致的磨损以及信号在转换中产生的转换精度误 差及其使用寿命等问题。 在上述利用测电动机的输入功率进行重量检测、利用旋转变压器进行幅度检测中所 检测的信号都是模拟信号，为了达到计算机系统能识别的信号，以实现计算机技术的自 动控制，需要用a d 转换器和模拟数字转换器对模拟信号进行采集和处理，使其变成 数字信号，让计算机能够识别，在此过程中为了实现自诊断功能和自动控制功能，还需 采用可编程控制器对其进行控制，本系统采用s 7 2 0 0 进行控制，并取得了很好的效果。 从实验结果上看，这种非接触式力矩保护系统与传统机械式检测方法相比较，适应 现在高新技术的发展，综合应用计算机、自动控制、多传感器融合等技术进行塔式起重 机的监测与诊断，实现了计算机实时控制，并避免了接触性误差的产生，使塔式起重机 的可靠性有所提高，误差范围减小。 3 2 重量的测试原理 3 2 1 数学模型 如图3 1 所示，本系统把重量的信号检测问题转换成电机的输入功率测试，一 切动力源来自于电动机的电能，根据物理学的能量守恒原理可知，起重机的吊钩上升时 驱动系统的能量平衡方程式为 懈+ 三m 学2 = 与一 ( 3 1 ) 式中拿主钩的运动速度 讲 与一系统输入的总电能 沈阳工业大学硕士学位论文 上0 一系统总损耗的能量 m 一重物的质量 g 物体的重力加速度 x 一重物的重心至地面的高度 t 一重物起吊时间 式( 3 1 ) 对时间t 进行一次求导： m g 妾+ m 妾宰：眉一 ( 3 2 ) m g i + m i 百。眉一 3 2 ) 式中 毋一吊钩驱动电机的输入功率 兄。一系统的总损耗功率 在系统处于稳态，匀速运动时a _ o ，即拿：o ， 即 憎妄= 最一 ( 3 3 ) 故而，塔式起重机重物的测试完全等效成吊钩驱动电机的输入功率和系统的总损耗 的问题嘲。 总损耗功率的数据可以通过试验来确定。 试验过程：电动机的信号输出范围为0 2 0 m a ，电源为3 8 0 v ，5 0 i z ，最大上升速度 为缸m i n ，对应输出电流的最大量程为2 0 m a ，对应功率变送器的最大量程为1 0 0 肼。 ( 1 ) 定标试验首先，吊钩起吊1 0 吨的重物，上升，当系统处于稳态后，由功率 表读出输入功率为8 l 矿，重物与电动机的输入功率根据式( 3 3 ) 中 螂鲁= 丑一 代入， 1 0 1 0 3 堙9 8 七g 4 研m i n 6 0 j = 8 1 0 ，一 解出= 1 5 l 旷 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 同理，根据上式，在起吊不同质量的重物时，由功率表的读数可求得系统的损耗功率， 具体数据见表3 1 表3 1 输入功率与损耗功率的关系 t a b 3 1t l l e 坤i 幽1 1 i pb e h v 嘲ii n p mp o w 盯a l l dc s 眦i i l l gp o w 盯 由上表数据可绘制出在吊钩上升状态，电动机的输入功率丑和系统损耗功率圪。的关系 曲线，见图3 2 所示。 图3 2 输入功率毋和损耗功率的关系曲线 f 皓3 2 t k l 鲥o n 伽o f 卸i n p o w 盯p l 锄d 璐吼i 蜡p o w e r p l o 鲳 起重机的吊钩下降时驱动系统的平衡方程式为 沈阳工业大学硕士学位论文 啷鲁+ 脚妄譬= 丑+ 拿主钩的运动速度 m 一重物的质量 g 物体的重力加速度 x 一重物的重心至地面的高度 t 重物起吊时间 p 广一吊钩驱动电机的输入功率 j 乙一系统的总损耗功率 在系统处于稳态，匀速运动时a = o ，即拿：o ， 即 m g 妾= 丑+ m g 瓦2 q + ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由于竿在稳态时为常数，故而重物重量的测试问题就也可以等效成吊钩驱动电机的输 m 入功率p - 和系统的总损耗功率的测试问题。 同理，根据式( 3 5 ) 可知，重物的质量、电动机的输入功率、系统损耗功率也可得出， 从实验结果上看，在吊钩吊运同一重物上升和下降的过程中系统的损耗功率相差不多 ( 2 ) 数学模型的建立 根据上表中数据可以看出，重量信号的检测问题直接等效 为电动机的输入功率问题，也就是说，在正常工作状态，从电动机的输入功率变化，直 接检测出重物的质量发生变化，从而检测出重物是否超标，因此，电动机的输入功率作 为自变量，重物的质量作为变量，建立起_ ，= ，( 力的函数关系 根据上述数据可以写出线性方程组，如式( 3 6 ) 所示。 大型塔式起重机非接触式力矩保护技术 1 0 3 ) 4 + 6 ( 8 1 0 3 ) 3 + c ( 8 1 0 3 ) 2 + ，( 8 1 0 3 ) + 口 1 0 3 ) + 6 ( 2 5 x 1 0 3 ) 3 + c ( 2 5 l 旷) 2 + d ( 2 5 l 矿) + p 1 0 3 ) 4 + 6 ( 4 0 1 0 3 ) 3 + c ( 4 0 1 0 3 ) 2 + d ( 4 0 1 0 3 ) + 口 x 1 0 3 ) 4 + 6 ( 6 5 x 1 0 3 ，+ c ( 6 5 x 1 0 3 ) 2 + d ( 6 5 x 1 0 3 ) + e ( 3 6 ) 该线性方程组可以利用曲线拟合的方法来求解未知系数a 、b 、c 、d 、e ，即曲线拟 合的最小二乘法。 最小二乘法的基本原理从整体上考虑近似函数p ( x ) 同所给数据( x ；，咒= 0 ，l ，m ) 误差= p ( 而) 一只o = 0 ，l ，埘) 的大小，常用的方法有以下三种：一是误差 = p ( 而) 一咒( f = o ，l ，m ) 绝对值的最大值m a x ，即误差向量，= ( ，一) 7 的一一范 u g g 数；二是误差绝对值的和，即误差向量r 的1 一范数；三是误差平方和2 的算 j - 0l = o 术平方根，即误差向量r 的2 一范数；前两种方法简单、自然，但不便于微分运算，后 一种方法相当于考虑2 一范数的平方，因此在曲线拟合中常采用误差平方和2 来度 “日 量误差( f = 0 ，l ，m ) 的整体大小。 数据拟合的具体作法是：对给定数据( x ；，咒) ( f = 0 ，1 ，加) ，在取定的函数类中中， 求p ( z ) ，使误差= 烈墨) 一咒o = o ，l ，m ) 的平方和最小，即 2 = 【p ( 五) 一只】2 = m i n ( 3 7 ) l-o扣o 从几何意义上讲，就是寻求与给定点( x ；，咒) ( f = o l ，小) 的距离平方和为最小的曲 线j ，；p ( 功( 图3 3 ) 函数p ( x ) 称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p ( x ) 的方 法称为曲线拟合的最小二乘法。 在曲线拟合中，函数类。可有不同的选取方法 g 口 口 口 口 = = = = m 如如鲫 图3 3 散点图 f 嘻3 3s c 甜e r e d p o i n t d i a 驰n 例如多项式拟合： 假设给定数据点( x i ，z = 0 ，l ，功，西为所有次数不超过呱行s 脚) 的多项式构成的函 数类，现求磊( 功= q ，e o ，使得 i ，0 j = 【岛( 毛) 一只】2 = i q # 一乃i = m i n ( 3 8 ) i 邮 f l o t - o 当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足式( 3 8 ) 的见( x ) 称为最小二乘拟合多 项式。特别地，当n = l 时，称为线性拟合或直线拟合。 _ 厂、2 显然 ，= l q # 一只i 为，q ，q 的多元函数，因此上述问题即为求 i - o t - o ，= ，( ，q ，) 的极值问题。由多元函数求极值的必要条件，得 暑；2 至f 主q 彳一z k ：o 加，智l 岔”“j 即 ( 掣“) q = 咒 _ ，= o ，1 ，月 ( 3 9 ) ，= 0 ，l ，一 多项式拟合关于，q ，q 的线性方程组，用矩阵表示为 ( 3 1 0 ) 肌+ l 而 j 柚 薯# l 母，t 曲 彳矿 j 卸，= 曲 杰彳1 蚓i pl j 卸 j ( 3 1 1 ) 式( 3 1 0 ) 或式( 3 1 1 ) 就是正规方程组。 可以证明，方程组( 3 1 1 ) 的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。从式 ( 3 1 1 ) 中解出q ( 七= o ，1 ，疗) ，从而可得多项式 以( 工) = q ， ( 3 1 2 ) t = 0 可以证明，式( 3 1 2 ) 中的见( 石) 满足式( 3 8 ) ，即见( 力为所求的拟合多项式。 多项式拟合的步骤： 由已知数据画出粗略的图形i 一散点图，确定拟合多项式的次数n ；列表计算 彩( _ ，= o ，l ， ，2 甩) 和一只( - ，= o ，1 ， ，2 一) ；写出正规方程组，求出口o ，q ， 吒；写出拟合 f ；哪 1 种 多项式见 ) = q 。 t - 町 在定标试验中电动机的输入功率( 千瓦) 与重物质量( 吨) 的关系式如下表3 2 。 表3 2