湖南百特隨車起重機(jī)有限公司 常德 415106

1 基本情況

1.1 起重機(jī)力矩顯示與控制基本情況

力矩限制器是獨(dú)立的完全由計(jì)算機(jī)控制的安全操作系統(tǒng)，能自動(dòng)檢測(cè)出起重機(jī)所吊載的質(zhì)量及起重臂所處的角度，并能顯示出其額定起重量實(shí)際載荷、工作半徑和起重臂所處的角度。實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)起重機(jī)工況，自帶診斷功能，快速危險(xiǎn)狀況報(bào)警及安全控制。具有黑匣子功能，自動(dòng)記錄作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)工況，為事故分析處理提供依據(jù)。

1.2 現(xiàn)有技術(shù)

現(xiàn)有力矩限制器在顯示方式上有很多種，基本為根據(jù)系統(tǒng)的價(jià)格配置相應(yīng)的顯示系統(tǒng)，但一般為單一儀表界面顯示，顯示界面豐富的一般內(nèi)置在駕駛室，如汽車起重機(jī)的高端的力矩限制器；而隨車起重機(jī)的力矩顯控系統(tǒng)則簡(jiǎn)單得多，基本只提供了幾個(gè)LED數(shù)碼管顯示力矩、幅度、高度等數(shù)據(jù)，在臨近超載時(shí)進(jìn)行聲音和燈光的提示，顯示提醒較原始。用戶在外界無(wú)法直接感知起重時(shí)力矩動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，對(duì)于隨車起重機(jī)這類無(wú)法在駕駛室內(nèi)操作起重作業(yè)的情況來(lái)說(shuō)非常有局限性。

現(xiàn)有力矩限制器計(jì)算實(shí)時(shí)起重力矩的時(shí)候一般采用回歸分析法和查表法兩種辦法。

1）回歸分析法 其回歸方程可計(jì)算某一工況下額定起重量與實(shí)際工作幅度之間的關(guān)系。從而計(jì)算出實(shí)際工作幅度下所對(duì)應(yīng)的額定起重量。按照GB 7950-1999《臂架型起重機(jī)力矩限制器通用技術(shù)條件》要求，在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算數(shù)據(jù)的有效位數(shù)不小于四位，且相關(guān)系數(shù)不小于0.999 9。由于用戶并不需要如此多的數(shù)據(jù)，故一般廠家提供的起重特性數(shù)據(jù)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)應(yīng)小于要求值的。以某8 t隨車起重特性表為例，在臂長(zhǎng)14 m時(shí)起重性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 起重特性數(shù)據(jù)

相關(guān)系數(shù)r計(jì)算公式為

式中：為所有工作幅度的平均值，為所有額定起重量的平均值。

經(jīng)計(jì)算，r＝0.955 825 433＜0.999 9，所以不適合用回歸分析法。

2）查表法 當(dāng)臂長(zhǎng)超過(guò)表中規(guī)定數(shù)值時(shí)，將該欄數(shù)值與比它更長(zhǎng)一級(jí)的臂長(zhǎng)數(shù)值相比較，按照其更長(zhǎng)臂長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的額定起重量進(jìn)行力矩限制。該方法計(jì)算數(shù)據(jù)量相對(duì)回歸分析法要少，安全系數(shù)更高，比較適合流動(dòng)起重機(jī)的安全力矩限制。因現(xiàn)有力矩限制器的起重量是通過(guò)變幅液壓缸上下腔壓力、臂長(zhǎng)、幅度、各臂及相關(guān)機(jī)構(gòu)自重計(jì)算得出，明顯是因機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性、液壓系統(tǒng)壓力的變化性為了達(dá)到國(guó)標(biāo)所要求的綜合精度±5%的精度。因此，同樣需要大量數(shù)據(jù)運(yùn)算，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。其稱重?cái)?shù)據(jù)不能作為計(jì)量用，而采用三滑輪直接測(cè)量因測(cè)量裝置龐大會(huì)影響隨車起重機(jī)的使用，在實(shí)際用戶使用中不會(huì)采用。

1.3 直接稱重柱狀力矩限制器

直接稱重法是在吊鉤內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)稱重傳感器，稱重?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)傳回力矩顯控系統(tǒng)。由于稱重?cái)?shù)據(jù)是由吊鉤直接稱重而來(lái)，無(wú)需由多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行反推，故可大大提高測(cè)控精度，特別是稱量精度得到了極大提高。稱重?cái)?shù)據(jù)可作為計(jì)量用，因其側(cè)重裝置內(nèi)置在吊鉤內(nèi)，對(duì)起重作業(yè)無(wú)任何影響。在基本臂的臂頭位置額外配置有8位柱狀的COB LED顯示器，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示起重力矩?cái)?shù)據(jù)非常醒目直觀，與力矩限制器主控器屏幕一起動(dòng)態(tài)顯示力矩動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，大大提高了用戶對(duì)載荷提升的敏感度，有利于起重作業(yè)的安全。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)介紹

直接稱重柱狀力矩限制器通過(guò)采集變量值及系統(tǒng)自身的常量值，由處理器運(yùn)算后得出起重機(jī)工作時(shí)的力矩，由臂頭的COB LED柱狀顯示器及USART HMI顯示屏顯示力矩狀態(tài)，通過(guò)查表法確定輸出警告信號(hào)。當(dāng)正常工作時(shí)，根據(jù)載荷的增加6位綠色COB LED依次點(diǎn)亮；當(dāng)實(shí)測(cè)起重力矩達(dá)到相應(yīng)工況90%時(shí)，黃色COB LED點(diǎn)亮，且高分貝蜂鳴器間隔0.5 s響起；當(dāng)實(shí)測(cè)起重力矩達(dá)到相應(yīng)工況100%時(shí)，紅色COB LED點(diǎn)亮，且高分貝蜂鳴器持續(xù)響起，此時(shí)電磁卸荷閥卸荷。如起重機(jī)配置有電液比例閥，系統(tǒng)亦可控制電液比例閥朝安全方向動(dòng)作，保證起重機(jī)安全作業(yè)。為防止出現(xiàn)過(guò)卷?yè)p壞鋼絲繩，配置有無(wú)線防過(guò)卷開(kāi)關(guān)，當(dāng)處理器查詢到過(guò)卷信號(hào)時(shí)，高分貝蜂鳴器同樣持續(xù)響起，電磁卸荷閥卸荷。

本系統(tǒng)以隨車起重機(jī)的結(jié)構(gòu)為例來(lái)說(shuō)明，為方便方案說(shuō)明，將傳統(tǒng)力矩測(cè)定方式與本方案測(cè)定方式進(jìn)行了對(duì)比。

2.1 傳統(tǒng)力矩測(cè)定方式的隨車起重機(jī)的工作參數(shù)

傳統(tǒng)力矩測(cè)定方式的工作參數(shù)及命名見(jiàn)圖1、圖2。傳統(tǒng)力矩限制器需采集的變量值包括吊臂長(zhǎng)度BC、變幅角度α、變幅液壓缸大小腔壓力Ys和Yd；系統(tǒng)常量值包括起重機(jī)吊臂后鉸點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心的距離r、基本臂質(zhì)量g1、二節(jié)臂質(zhì)量g2、三節(jié)臂質(zhì)量g3、四節(jié)臂質(zhì)量g4以及全縮時(shí)它們與回轉(zhuǎn)中心的距離cL1、cL2、cL3、cL4值；吊臂鉸點(diǎn)尺寸三鉸點(diǎn)尺寸La、Lb、Lc；變幅液壓缸大小腔面積 A1、A2。其中， 通 過(guò) cL1、cL2、cL3、cL4、α、BC、r 值計(jì)算出 gL1、gL2、gL3、gL4，通過(guò) La、Lb、Lc、α利用三角函數(shù)計(jì)算出變幅液壓缸力臂Lm。

圖1 傳統(tǒng)力矩測(cè)定方式的工作參數(shù)及命名

圖2 傳統(tǒng)力矩測(cè)定方式的工作參數(shù)及命名

額定起重力矩Mn為額定起重量與相應(yīng)工作幅度的乘積，由起重特性表得出。吊臂系統(tǒng)自身力矩Mb為吊臂各部件自重與其相應(yīng)幅度的乘積。

實(shí)際總力矩M為實(shí)測(cè)起重力矩與吊臂系統(tǒng)自身重力產(chǎn)生的力矩之和，即

式中：A1為變幅液壓缸大腔面積，A2為變幅液壓缸小腔面積，實(shí)測(cè)起重力矩Ms為實(shí)測(cè)起重量與相應(yīng)工作幅度的乘積。

考慮到吊臂吊重時(shí)的擾度，必須進(jìn)行修正。幅度R計(jì)算公式為

式中：K為修正系數(shù)，T為要測(cè)得的吊重，f為單位吊重在變幅液壓缸產(chǎn)生的壓力[1]。

由于此法計(jì)算復(fù)雜，實(shí)際中對(duì)于普通場(chǎng)合可利用起重特性表實(shí)測(cè)幅度R與理論幅度值BC·cosα值的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后利用查表法得出R值。

由式（2）、式（3）計(jì)算得出Ms與Mn，通過(guò)查表法比較從而輸出力矩限制信號(hào)。由式（2）、式（3）、式（4）計(jì)算出計(jì)算吊重，用在力矩限制器顯示。由此可見(jiàn)，用傳統(tǒng)方法計(jì)算復(fù)雜，偏差相對(duì)較大。

2.2 傳統(tǒng)力矩測(cè)定方式的隨車起重機(jī)的工作參數(shù)

本方案力矩測(cè)定方式的工作參數(shù)及命名見(jiàn)圖3。直接稱重力矩限制器需采集的變量值包括吊臂長(zhǎng)度BC、變幅角度α、吊重G。額定起重力矩Mn為額定起重量與相應(yīng)工作幅度的乘積，由起重特性表得出。實(shí)測(cè)起重力矩Ms為實(shí)測(cè)起重量與相應(yīng)工作幅度的乘積，即

圖3 力矩測(cè)定方式的工作參數(shù)及命名

其中，Ms/ Mn為輸出動(dòng)態(tài)力矩信號(hào)值。

2.3 其他安全裝置

1）過(guò)卷開(kāi)關(guān)量 起重機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)卷起重物時(shí)，監(jiān)測(cè)吊鉤是否與起重機(jī)臂頭發(fā)生碰撞的開(kāi)關(guān)量。正常為高電平，碰撞時(shí)為低電平。

2）支腿壓力開(kāi)關(guān) 用于監(jiān)測(cè)支腿是否離開(kāi)地面。

3）起重特性表 標(biāo)定起重機(jī)在多個(gè)作業(yè)幅度內(nèi)的額定起重量的表格，如圖4所示。

圖4 標(biāo)定起重機(jī)在多個(gè)作業(yè)幅度內(nèi)的額定起重量的表格

3 系統(tǒng)組成

直接稱重柱狀力矩限制器包括傳感器、主控制器、信號(hào)輸出系統(tǒng)、系統(tǒng)等，基于國(guó)產(chǎn)STC8A8K64S4A12單片機(jī)開(kāi)發(fā)，見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)構(gòu)成

傳感器包括內(nèi)置在稱重吊鉤內(nèi)的直接輪輻式10 t拉壓稱重傳感器（見(jiàn)圖6）。稱重傳感器采用輪輻式稱重傳感器直接安裝在吊鉤上支座上，通過(guò)螺紋連接浮動(dòng)稱重軸，浮動(dòng)稱重軸承載吊重，從而完成稱重。整個(gè)結(jié)構(gòu)不影響吊鉤的正常使用，非常方便。稱重傳感器由與之配套的帶RS485通訊口的處理板與STC15W4K48S4通訊，數(shù)據(jù)處理后由SI4438無(wú)線數(shù)傳至主控器。內(nèi)置在吊臂中的CY30-MB串口激光測(cè)距長(zhǎng)度傳感器。取消了外置拉線盒。WDS-JD-01角度傳感器，無(wú)線防過(guò)卷及支腿壓力開(kāi)關(guān)包含的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)。

圖6 直接輪輻式10t拉壓稱重傳感器

主控器包含STC8A8K64S4A12及繼電器，max 485、TL431、電源管理電路等輔助器件的主控板。信號(hào)輸出系統(tǒng)包括HRB-N80蜂鳴器，7寸USART HMI顯示屏，8位COB LED的柱狀顯示器。柱狀顯示器直接安裝在臂頭上，且具有足夠的亮度，如進(jìn)度條般的顯示力矩變化值，非常醒目直觀。

4 單片機(jī)的開(kāi)發(fā)環(huán)境

采用Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境，在Keil C51開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯好C語(yǔ)言程序后通過(guò)串口直接下載程序至采用STC8A8K64S4A12的主控板非常方便。主控制流程圖如圖7所示。

圖7 主控制流程圖

通過(guò)STC8A8K64S4A12的UART2串口與UART HMI觸控顯示屏通訊，可實(shí)現(xiàn)用戶的交互操作?？娠@示起重作業(yè)的各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，以及直觀的力矩載荷進(jìn)度條，在達(dá)到90%載荷時(shí)進(jìn)度條會(huì)變成黃色，當(dāng)超過(guò)100%時(shí)則會(huì)變成紅色，并在屏幕上閃爍超載三角警告標(biāo)識(shí)。同時(shí)，通過(guò)顯示屏也能觸控輸入調(diào)試參數(shù)，方便出廠及維護(hù)時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用直接吊鉤稱重系統(tǒng)，內(nèi)置激光測(cè)長(zhǎng)裝置，在臂頭配置有裝置COB LED力矩顯示器，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)單，未增加影響正常使用的額外測(cè)量裝置，吊重?cái)?shù)據(jù)可直接作為計(jì)量使用。UART HMI的加入既能顯示力矩控制界面，也能通過(guò)觸控方式與主控器進(jìn)行交互。使得整個(gè)系統(tǒng)人性化，可維護(hù)性大大的提升。