林漢丁

摘 要：針對(duì)起重機(jī)司機(jī)無(wú)法判斷吊裝中吊鉤是否處于垂直狀態(tài)，以及至少近三十年滯留在從吊鉤鋼絲繩上檢測(cè)吊重?cái)[角卻未得到普遍應(yīng)用，文章介紹一種不存在難點(diǎn)、疑點(diǎn)的吊重?cái)[角檢測(cè)裝置，并闡述了顯示實(shí)時(shí)吊重?cái)[角起重機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；吊重?cái)[角；垂直吊裝；吊車(chē)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）20-0007-02

1 吊重?cái)[角檢測(cè)顯示的必要性

起重機(jī)穩(wěn)定性差，起重施工規(guī)范規(guī)定“使用流動(dòng)式起重機(jī)起吊工件時(shí)吊鉤偏角不應(yīng)超過(guò)3？觷”（吊鉤偏角即吊重?cái)[角），故垂直吊裝是起重機(jī)安全作業(yè)的基本要求，單機(jī)旋轉(zhuǎn)法吊裝立式重物要通過(guò)邊提升的速度與邊回轉(zhuǎn)之速度的配合才能實(shí)現(xiàn)垂直吊裝；單機(jī)滑移法吊裝立式重物要通過(guò)起重機(jī)提升速度與其它機(jī)械牽引立式重物滑移速度的配合才能實(shí)現(xiàn)垂直吊裝；起重機(jī)抬吊時(shí)，依據(jù)速度投影定理，若要實(shí)現(xiàn)立式設(shè)備或重物的垂直吊裝，主機(jī)的提升速度與輔機(jī)的移送速度之比值，應(yīng)等于主機(jī)的吊點(diǎn)與輔機(jī)的吊點(diǎn)連線的斜率，由于吊裝中斜率在不斷改變，尤其是大仰角下吊裝更難控制，但是，目前起重機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)操控靈活，許多還采用先導(dǎo)式手柄，只要在司機(jī)操作室裝設(shè)吊重?cái)[角的動(dòng)態(tài)顯示，即可依此控制起重機(jī)消除吊重?cái)[角，實(shí)現(xiàn)垂直吊裝。因而無(wú)論從實(shí)現(xiàn)起重機(jī)垂直吊裝還是從防止斜吊、控制吊鉤偏擺或克服力矩限制器未能反映斜吊狀態(tài)，以及實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化，起重機(jī)吊重?cái)[角的檢測(cè)都是不可或缺的。

2 從吊鉤鋼絲繩上檢測(cè)吊重?cái)[角的難點(diǎn)、疑點(diǎn)

起重機(jī)吊重?cái)[角的檢測(cè)，多年來(lái)通過(guò)檢測(cè)吊鉤鋼絲繩（吊繩）的角度得到或通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)吊鉤垂直姿態(tài)，由于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)受同視、光線、周?chē)h(huán)境等多種條件限制，難以普遍用于起重機(jī)吊重?cái)[角的檢測(cè)。以下僅從吊繩檢測(cè)吊重?cái)[角的方案進(jìn)行分析：從吊繩測(cè)量吊繩擺角的共同點(diǎn)是由滑輪組多根吊繩中選擇一根吊繩作為檢測(cè)對(duì)象，由于提升滑輪組由定、動(dòng)滑輪與穿繞的吊繩及吊鉤組成，吊繩無(wú)論順穿或花穿吊繩之間并不完全平行，定、動(dòng)滑輪間也常存在一定相對(duì)偏扭角度，尤其是當(dāng)定、動(dòng)滑輪間距縮小時(shí)，故從吊繩測(cè)量吊重?cái)[角并不精確，為什么只從吊繩上檢測(cè)吊重?cái)[角。據(jù)筆者不完全檢索，國(guó)外至少早在20世紀(jì)80年代就有SU1257050A1俄國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)于1986年9月15日公開(kāi)了從吊繩檢測(cè)吊重?cái)[角的方案，如圖1SU1257050A1所示，將三角型框架1通過(guò)二側(cè)托輪3夾于吊繩5上，且三角型框架1在吊繩擺動(dòng)時(shí)可繞滑輪軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，在三角型框架的臺(tái)面上裝設(shè)角度測(cè)量?jī)x2以檢測(cè)吊繩5的擺角。

問(wèn)題是檢測(cè)吊繩的擺角卻不允許在運(yùn)行中的吊繩上裝設(shè)角度測(cè)量?jī)x，不在吊繩上裝設(shè)角度測(cè)量?jī)x又要準(zhǔn)確檢測(cè)吊繩的擺角是個(gè)難題，這是因?yàn)橐獙⒌趵K的偏擺信號(hào)傳出，角度測(cè)量?jī)x就要接觸吊繩，而吊繩總是在運(yùn)行之中，故在向角度測(cè)量?jī)x傳遞吊繩的偏擺信號(hào)同時(shí)，也就不可避勉向角度測(cè)量?jī)x傳遞因吊繩的運(yùn)行而產(chǎn)生的干擾信號(hào)，以圖1所示的檢測(cè)方案為例，設(shè)吊繩順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，因托輪3夾于吊繩之間，吊繩必須與托輪接觸以傳遞出吊繩偏擺信號(hào)，與此同時(shí)也就傳遞因吊繩順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行，在與托輪的摩擦力作用下而產(chǎn)生的干擾信號(hào)，即使此時(shí)滑輪組呈鉛垂?fàn)顟B(tài)，而三角型框架的臺(tái)面也會(huì)出現(xiàn)左高右低的微小變化，從而導(dǎo)致角度測(cè)量?jī)x錯(cuò)誤顯示出提升滑輪組垂直度偏差角度或吊重?cái)[角，且吊繩運(yùn)行的起、停以及運(yùn)行方向在不斷改變，而起重施工規(guī)范[1]規(guī)定“使用流動(dòng)式起重機(jī)起吊工件時(shí)吊鉤偏角不應(yīng)超過(guò)3？觷”故對(duì)此種小角度的擺角檢測(cè)，要將干擾有效排除至不影響正常的檢測(cè)難度大，盡管檢測(cè)方案各異但是或多或少總會(huì)受到影響，為此從吊繩測(cè)量吊重?cái)[角的方案總是不盡人意。我國(guó)ZL02104525.9吊車(chē)吊繩的角度測(cè)量裝置，從2003年公開(kāi)至今也有十年，而我國(guó)近些年此類(lèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量增多，并由有實(shí)力的起重機(jī)制造廠提出了多種方案。

雖然對(duì)吊重?cái)[角的檢測(cè)早就得到重視，構(gòu)思巧妙方案各異的從吊繩測(cè)量吊重?cái)[角的嘗試不斷，但是迄今起重機(jī)上依然缺失吊重?cái)[角的顯示，故究其原因應(yīng)與滯留在從運(yùn)行的吊繩上檢測(cè)吊重?cái)[角有關(guān)，因而要尋找其他可行方案。

3 直接檢測(cè)提升力作用線擺角的方案

由于吊重?cái)[角是指通過(guò)吊鉤的滑輪組提升力作用線偏離鉛垂線的角度，因而吊重?cái)[角可以通過(guò)直接檢測(cè)吊裝中提升力作用線偏離鉛垂線的角度得到。

現(xiàn)介紹一種吊重?cái)[角檢測(cè)方案，即同等量增加起重機(jī)提升滑輪組動(dòng)滑輪兩側(cè)護(hù)板長(zhǎng)度尺寸后，在所增長(zhǎng)出的兩側(cè)護(hù)板內(nèi)側(cè)空置的位置上固定裝設(shè)滿(mǎn)足吊重?cái)[角0？觷時(shí)所設(shè)的平臺(tái)面為水平面的平臺(tái)。在所述的平臺(tái)面上居中建立直角坐標(biāo)，裝設(shè)檢測(cè)所述的平臺(tái)面相對(duì)于水平面傾角的角度測(cè)量?jī)x，因?yàn)樗龅钠脚_(tái)面與水平面間的夾角，數(shù)值上就等于吊重?cái)[角。

3.1 以萬(wàn)向水平儀對(duì)吊重?cái)[角檢測(cè)原理說(shuō)明

3.2 裝設(shè)吊重?cái)[角檢測(cè)裝置的實(shí)施

用于吊重?cái)[角檢測(cè)可供備選的角度測(cè)量?jī)x眾多，考慮傳統(tǒng)傳感器體積較大，受慣性力影響大而精度低，應(yīng)將MEMS傳感器列為首選。

以下例舉一種用雙軸角度傳感器檢測(cè)吊重?cái)[角的裝置：

①首先將起重機(jī)提升滑輪組動(dòng)滑輪兩側(cè)護(hù)板（或稱(chēng)夾板）尺寸各增長(zhǎng)30 cm，在護(hù)板下部仍保持固定一橫梁，吊鉤用螺毋固定在橫梁上，從而拉大滑輪與吊鉤鉤頭間距，提供了在護(hù)板內(nèi)側(cè)空置（該處及空間未被佔(zhàn)用）的位置上裝設(shè)檢測(cè)裝置的空間，由于在護(hù)板兩側(cè)空置的位置上裝設(shè)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)且有利于裝置的裝設(shè)與防護(hù)，但為了無(wú)線傳輸要采取措施，如將裝設(shè)無(wú)線發(fā)射器一側(cè)的護(hù)板用無(wú)磁性的玻璃鋼制造。

②在護(hù)板內(nèi)側(cè)空置的位置上固定裝設(shè)滿(mǎn)足吊重?cái)[角0？觷時(shí)所設(shè)的平臺(tái)面為水平面的平臺(tái)；在所述的平臺(tái)面居中建立十字垂直坐標(biāo)，裝設(shè)檢測(cè)所述的平臺(tái)面相對(duì)于水平面二維傾角的MEMS雙軸角度傳感器；同時(shí)裝設(shè)無(wú)線發(fā)射器；并在另一側(cè)護(hù)板內(nèi)側(cè)裝設(shè)大容量電池對(duì)裝置供電。

③在起重機(jī)操作室裝設(shè)無(wú)線接收器、天線，和控制顯示器。

圖4為雙軸傾角無(wú)線采集方框圖，主要由傳感器模塊，無(wú)線發(fā)射模塊，無(wú)線接收模塊，PC機(jī)4部分組成。傳感器模塊和無(wú)線發(fā)射模塊（配天線）裝設(shè)于動(dòng)滑輪護(hù)板增長(zhǎng)后的護(hù)板內(nèi)側(cè)上，無(wú)線接收模塊（配天線）和PC機(jī)裝設(shè)于起重機(jī)操作室或監(jiān)控點(diǎn)。其中傳感器模塊由雙軸傾角傳感器、調(diào)理電路組成，無(wú)線發(fā)射模塊由A/D轉(zhuǎn)換部分、無(wú)線收發(fā)單片機(jī)和發(fā)射電路組成，無(wú)線接收模塊由無(wú)線收發(fā)單片機(jī)、接收電路，及串口電路組成，PC機(jī)部分主要由PC機(jī)及串口通信軟件、LED指示電路組成。

但是由于起重機(jī)種類(lèi)眾多、型號(hào)規(guī)格各異，在檢測(cè)方案確定、包括角度測(cè)量?jī)x具體選用上要從是否可行以及技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行比較確定。

3.3 從動(dòng)滑輪護(hù)板裝設(shè)角度測(cè)量?jī)x檢測(cè)吊重?cái)[角的特點(diǎn)

一是角度測(cè)量?jī)x可直接裝設(shè)在被檢測(cè)物體上；二是檢測(cè)吊重?cái)[角是檢測(cè)所設(shè)平臺(tái)面相對(duì)水平面的角度；三是依MEMS傳感技術(shù)檢測(cè)運(yùn)行的所設(shè)平臺(tái)面相對(duì)水平面的角度屬于可靠的現(xiàn)有技術(shù)，且起重機(jī)吊鉤相對(duì)只是屬于緩慢運(yùn)行的物體，因而于動(dòng)滑輪護(hù)板裝設(shè)角度測(cè)量?jī)x檢測(cè)吊重?cái)[角不存在難點(diǎn)、疑點(diǎn)，故可在起重機(jī)上普遍應(yīng)用。

4 顯示實(shí)時(shí)吊重?cái)[角起重機(jī)的優(yōu)勢(shì)

在起重機(jī)上裝設(shè)吊重?cái)[角檢測(cè)裝置，即成為具有顯示實(shí)時(shí)吊重?cái)[角的起重機(jī)，同時(shí)具有新的技術(shù)效果：

①結(jié)束了起重機(jī)司機(jī)無(wú)法判斷其吊鉤是否處于垂直狀態(tài)。

②將改變吊裝時(shí)由吊裝指揮者，依據(jù)監(jiān)視被吊重物垂直吊裝者提供的信息指揮起重機(jī)司機(jī)操控實(shí)現(xiàn)垂直吊裝的、這種既不及時(shí)又不準(zhǔn)確的作法。

③由于實(shí)時(shí)顯示吊重?cái)[角，可為穩(wěn)鉤、減小吊重?cái)[角的操作提供依據(jù)。

④由于實(shí)時(shí)顯示吊重?cái)[角，可有效防斜吊。

⑤起重機(jī)旋轉(zhuǎn)法吊裝重物時(shí)，可依起重機(jī)司機(jī)操作室顯示的吊重?cái)[角，調(diào)整起重機(jī)邊提升速度與邊旋轉(zhuǎn)速度間的配合，實(shí)現(xiàn)垂直吊裝。

⑥起重機(jī)滑移法吊裝重物時(shí)，可依起重機(jī)司機(jī)操作室顯示的吊重?cái)[角操控提升速度實(shí)現(xiàn)垂直吊裝。

⑦起重機(jī)抬吊時(shí)，主、輔機(jī)可各依據(jù)司機(jī)操作室顯示的吊重?cái)[角操控主機(jī)提升與輔機(jī)跟送的速度，主、輔機(jī)配合以消除吊裝中吊重?cái)[角，實(shí)現(xiàn)垂直吊裝。

⑧可為完善起重機(jī)力矩限制器未能反映斜吊提供實(shí)時(shí)的吊重?cái)[角。

⑨可為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)完善起重機(jī)監(jiān)控仍至操作自動(dòng)化提供必要的、實(shí)時(shí)吊重?cái)[角。

5 結(jié) 語(yǔ)

在起重機(jī)上裝設(shè)吊重?cái)[角檢測(cè)裝置，為起重機(jī)增添了新的功能，從而開(kāi)發(fā)出具有顯示實(shí)時(shí)吊重?cái)[角的新一代起重機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1] SH/T 3536-2011，石油化工工程起重施工規(guī)范[S].