趙天玉，劉 林

（1.彰武縣第一高級(jí)中學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035）

0 引言

汽車起重機(jī)是裝在普通汽車底盤或特制汽車底盤上的一種起重機(jī)，其行駛駕駛室與起重操縱室分開設(shè)置。汽車起重機(jī)憑借自身機(jī)動(dòng)性好、轉(zhuǎn)移迅速以及越野性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)及城市維修、工程安裝工地等領(lǐng)域，是起重運(yùn)輸業(yè)應(yīng)用最廣泛的起重機(jī)械之一。汽車起重機(jī)的活動(dòng)支腿是保證汽車起重機(jī)進(jìn)行安全起吊作業(yè)的關(guān)鍵，在不同傾角、起重臂位置工況下，汽車起重機(jī)能夠承受的最大起吊負(fù)載也各不相同，當(dāng)起吊負(fù)載過大時(shí)，汽車起重機(jī)進(jìn)行起吊時(shí)，容易發(fā)生傾翻事故[1，2]。因此，實(shí)現(xiàn)汽車起重機(jī)起吊過程中各活動(dòng)支腿受力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析起吊載荷是否在允許范圍內(nèi)，是保證汽車起重機(jī)安全作業(yè)、防止傾翻的重要保障。

近年來，針對(duì)汽車起重機(jī)的放傾翻問題，眾多專家學(xué)者展開了大量深入的研究，范卿等提出了一種工程機(jī)械主動(dòng)平衡分析方法，確定穩(wěn)定臨界點(diǎn)，通過計(jì)算工程起重機(jī)4個(gè)支腿的受力情況，作為直接負(fù)載平衡判定依據(jù)[3]；王偉等通過安裝相應(yīng)傳感器并以所建防傾翻理論模型為基礎(chǔ)構(gòu)建防傾翻監(jiān)控器，給出相應(yīng)的防傾翻安全檢測方法[4]；崔書文提出了一種計(jì)算汽車起重機(jī)支腿反力的新方法，利用節(jié)點(diǎn)自由度藕合技術(shù)模擬回轉(zhuǎn)支承，簡化了有限元計(jì)算模型，提高了計(jì)算效率[5]；謝飛采用 ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)汽車起重機(jī)在斜坡工況下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，構(gòu)建斜坡工況的臨界角度數(shù)學(xué)模型，為研究汽車起重機(jī)的穩(wěn)定性能提供了重要依據(jù)[6]；張敏等提出了“測液壓缸支承力-測傾角”結(jié)合的防傾翻檢測新方法，該方法可以解決傳統(tǒng)防傾翻檢測技術(shù)的技術(shù)難題，簡化防傾翻的檢測技術(shù)[7]?，F(xiàn)有方法主要針對(duì)汽車起重機(jī)進(jìn)行仿真模擬分析以及通過液壓缸檢測的方法對(duì)汽車起重機(jī)防傾翻進(jìn)行分析，而針對(duì)汽車起重機(jī)作業(yè)過程中各活動(dòng)支腿的實(shí)時(shí)受力情況的監(jiān)測尚無大量研究。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

汽車起重機(jī)防傾翻監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，在汽車起重機(jī)的四個(gè)活動(dòng)支腿與地面接觸一側(cè)的末端安裝壓力傳感器，當(dāng)活動(dòng)支腿伸出并起支撐作用時(shí)，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測四個(gè)活動(dòng)支腿的受力情況，每個(gè)壓力傳感器與一個(gè)無線發(fā)射模塊連接，無線發(fā)射模塊將壓力傳感器檢測到的壓力信號(hào)通過無線收發(fā)模式發(fā)送到無線采集終端，無線采集終端和數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理，各模塊在汽車起重機(jī)上的安裝位置如圖2所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the monitoring system

圖2 模塊安裝位置Fig.2 Module installation location

2 數(shù)據(jù)檢測與信號(hào)傳輸

汽車起重機(jī)在起吊作業(yè)過程中，四個(gè)支腿的受力情況能夠直接反映汽車起重機(jī)當(dāng)前的安全性，將壓力傳感器安裝在支腿與接觸的地面之間，壓力傳感器就能夠?qū)崟r(shí)反映各支腿的受力情況。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)無線傳輸，在無線發(fā)射模塊和無線采集終端開發(fā)了縮減功能的Zigbee協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)傳送功能。系統(tǒng)采用的是每3秒采樣一次壓力傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線采集終端的方案。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)讀取無線采集終端的壓力信號(hào)采用串口中斷方式。無線采集中端上電后一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)無線發(fā)射模塊通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸過來時(shí)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別篩選，分析其數(shù)據(jù)包的編號(hào)，若為重復(fù)接收信號(hào)，則做丟棄處理，符合條件的信號(hào)進(jìn)一步做CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)合格的數(shù)據(jù)傳輸給分析與處理系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測串口的終端狀態(tài)，保證所有數(shù)據(jù)全部傳輸完成。信號(hào)的傳輸與接收流程圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)傳輸與接收流程圖Fig.3 Signal transmission and reception flow chart

3 數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)監(jiān)測，得到汽車起重機(jī)空載和起吊作業(yè)過程中各支腿壓力傳感器的信號(hào)變化分別如圖4和圖5所示。由圖4可知，汽車起重機(jī)各支腿伸出后，支撐反力隨著支腿與地面接觸施壓強(qiáng)度的變化快速增長，而第一支腿與第二支腿的支撐反力大于第三支腿和第四支腿，是由于現(xiàn)場汽車起重機(jī)所處地面存在7°的傾角，各支腿的支撐反力在支腿伸出過程中均出現(xiàn)一定的振蕩，支腿全部伸出穩(wěn)定后，各支腿的支撐反力逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5可以看出，當(dāng)汽車起重機(jī)起吊負(fù)載時(shí)，由于起吊臂與負(fù)載處于汽車起重機(jī)的一側(cè)，因此，各支腿的支撐反力出現(xiàn)反向變化，處于起吊負(fù)載一側(cè)的第一支腿和第二支腿在起吊瞬間支撐反力快速增長，而第三支腿與第四支腿的支撐反力則呈現(xiàn)一定程度的減小，在起吊過程中，四個(gè)支腿的支撐反力均出現(xiàn)明顯的振蕩，直到負(fù)載勻速上升后，四個(gè)支腿的支撐反力才逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 空載支腿伸出過程支撐反力Fig.4 support back force of an unloaded leg protruding process

圖5 起吊過程各支腿支撐反力Fig.5 The support of each leg support during the lifting process

通過圖4和圖5可知，汽車起重機(jī)在空載條件下，各支腿的支撐反力基本保持在一定范圍內(nèi)，相差不大，而起吊負(fù)載時(shí)，起吊負(fù)載一側(cè)的支腿支撐反力明顯大于無載一側(cè)的支腿，因此，根據(jù)負(fù)載側(cè)支腿與無載側(cè)支腿的受力差值，可以分析判定汽車起重機(jī)的安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傾翻危險(xiǎn)工況的實(shí)時(shí)預(yù)警，為保證汽車起重機(jī)的安全作業(yè)提供了重要保障。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于壓力監(jiān)測的汽車起重機(jī)平衡防傾翻系統(tǒng)，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測各支腿的受力情況，并通過無線收發(fā)裝置進(jìn)行信號(hào)傳輸，利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無線發(fā)射裝置和無線采集終端的數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)汽車起重機(jī)各支腿受力情況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并分析支腿間的最大受力差，分析判定汽車起重機(jī)起吊負(fù)載的安全性，為保證汽車起重機(jī)的安全穩(wěn)定作業(yè)，防止傾翻事故發(fā)生提供了一種重要技術(shù)手段和新方法。

[1]韓應(yīng)奎.32噸汽車起重機(jī)底架優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析研究[D].重慶大學(xué)，2008.

[2]鄧賽幫，唐華平，張冠勇.汽車起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2016，7.

[3]范卿，曾楊，胡玉茹.工程起重機(jī)械主動(dòng)平衡分析及傾翻判定[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2015，11.

[4]王偉，魏洪興，甄彧.基于變幅油缸油壓的汽車起重機(jī)防傾翻檢測方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，3.

[5]崔書文，朱磊，丁宏剛.一種基于ANSYS接觸技術(shù)計(jì)算汽車起重機(jī)支腿反力的新方法[J].建筑機(jī)械，2010，15.

[6]謝飛.斜坡工況下汽車起重機(jī)工作穩(wěn)定性的仿真分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016，3.

[7]張敏，程曉鳴，包朝亮.汽車式起重機(jī)防傾翻檢測方法的研究[J].建筑機(jī)械，2006，6.