張鐘文

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，杭州 310023）

0 引言

絞車是采用卷筒繞繩以提升、牽引重物的動(dòng)力起重牽引設(shè)備。絞車一般采用滾筒式，用于拖曳、提升和收放負(fù)載，主要由驅(qū)動(dòng)裝置、工作裝置和輔助裝置3部分組成[1]。

1）驅(qū)動(dòng)裝置。用于驅(qū)動(dòng)卷筒釋放回收纜繩；動(dòng)力有多種，如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)和氣動(dòng)馬達(dá)等。

2）工作裝置。在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下，絞車卷筒實(shí)現(xiàn)纜繩的釋放和回收，達(dá)到對(duì)負(fù)載的收放；通常工作裝置中還包括排纜裝置等。

3）輔助裝置。主要包括導(dǎo)向裝置、各類傳感器和剎車帶等。

目前，針對(duì)鋼絲纜繩張力的測(cè)量方法主要通過(guò)直接分析鋼絲纜繩進(jìn)行，包括標(biāo)記法、串聯(lián)彈簧測(cè)力計(jì)法、串接力傳感器法、頻率法[2]和3點(diǎn)彎曲法[3]等。本文基于安裝在絞車剎車帶上的光纖柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出光柵應(yīng)變差值與液壓馬達(dá)壓差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，用于任意載荷情況下，監(jiān)測(cè)絞車上的纜繩張力。

1 剎車帶張力監(jiān)測(cè)原理

光纖光柵傳感器是一種性能優(yōu)異的新型傳感器，其擁有體積小、易埋入、靈敏度高、耐腐蝕、與復(fù)合材料相容性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)和容易實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于剎車帶在任意載荷下的應(yīng)變測(cè)量。在相同條件下，F(xiàn)BG傳感器對(duì)沿軸向方向的應(yīng)變比徑向方向的應(yīng)變更敏感，故在實(shí)際應(yīng)用中，只考慮FBG傳感器的軸向應(yīng)變[4]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理如圖1所示。

圖1 張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理

由于液壓驅(qū)動(dòng)的絞車張力和剎車帶被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變之間不一定存在規(guī)則的曲線關(guān)系，因此需要用光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量剎車帶的應(yīng)變。同時(shí)，根據(jù)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絞車的特性，即馬達(dá)壓差與絞車張力呈線性關(guān)系[5]，推斷出剎車帶的應(yīng)變與馬達(dá)壓差的關(guān)系。

剎車帶的應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)有3個(gè)，分別位于剎車帶緊邊、剎車帶中點(diǎn)和剎車帶松邊。光纖光柵傳感器布置見(jiàn)圖2。傳感器安裝示意圖如圖3所示。

剎車帶張力標(biāo)定理論計(jì)算如下：

1）馬達(dá)輸出力矩

馬達(dá)排量按Vg＝500 mL計(jì)算，按馬達(dá)力矩輸出公式，計(jì)算為

式中：Vg＝500 ml；ΔP為馬達(dá)A、B口的壓差，MPa；σmh為馬達(dá)的機(jī)械液壓效率，取0.95；T為馬達(dá)輸出扭矩，N·m。

圖2 傳感器布置示意圖

圖3 傳感器安裝示意圖

最后得出式（2）：

2）馬達(dá)折算到減速機(jī)的輸出扭矩

式中：i為減速比，取387.9；σ為減速機(jī)的效率，取1（保守計(jì)算）。將式（2）代入式（3），得

式中：T′的單位換算成kN·m。

3）剎車帶張力

假設(shè)卷筒的力矩全部由剎車帶平衡，剎車帶的作用力臂R＝0.69 m，因而可以得到剎車力：

式中：F為剎車帶張力，kN。剎車帶的設(shè)計(jì)最大制動(dòng)力750 kN，代入式（5）得

為保證試驗(yàn)安全，按最大壓差10 MPa進(jìn)行初步試驗(yàn)，系統(tǒng)最大壓力為12 MPa。試驗(yàn)時(shí)，調(diào)整系統(tǒng)壓力，使得壓差按約0.5 MPa遞增。

液壓馬達(dá)進(jìn)行加載時(shí)，向釋放方向加力，記錄馬達(dá)A、B口的壓差，根據(jù)式（1）～式（5）換算成剎車帶的剎車力，再進(jìn)行標(biāo)定。擬在小壓差時(shí)采用泵控的方式進(jìn)行加載，大壓差時(shí)采用馬達(dá)B口安全溢流閥進(jìn)行溢流加載，進(jìn)而改變馬達(dá)A、B口的壓差，從而實(shí)現(xiàn)剎車力值的改變。加載時(shí)，馬達(dá)A、B口的壓力數(shù)據(jù)和當(dāng)次加載的應(yīng)變數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，最后根據(jù)壓差和應(yīng)變測(cè)量值得到二者之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)拖曳張力監(jiān)測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)思路，在小壓差時(shí)采用泵控的方式進(jìn)行加載，大壓差時(shí)采用馬達(dá)B口安全溢流閥進(jìn)行溢流加載，進(jìn)而改變馬達(dá)A、B口的壓差，可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)A、B口的壓力數(shù)據(jù)和當(dāng)次加載的應(yīng)變數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳感器應(yīng)變與馬達(dá)壓差試驗(yàn)數(shù)據(jù)

壓差和應(yīng)變差關(guān)系如圖4所示，圖4中實(shí)線代表真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)其中橫坐標(biāo)代表剎車帶緊變與松邊的應(yīng)變差，縱坐標(biāo)代表馬達(dá)壓差，虛線代表應(yīng)變差與壓差的關(guān)系擬合曲線。

圖4 馬達(dá)壓差與傳感器應(yīng)變差關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

1）對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)絞車?yán)|繩張力監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行探索，通過(guò)馬達(dá)壓差與傳感器應(yīng)變的初步試驗(yàn)結(jié)果，探索一種間接監(jiān)測(cè)絞車?yán)|繩張力的方法。

2）研究結(jié)果表明：剎車帶緊變與松邊的應(yīng)變差與馬達(dá)壓差基本呈線性關(guān)系。可通過(guò)剎車帶緊變與松邊的應(yīng)變差得出相應(yīng)的纜繩張力，并將其應(yīng)用于液壓驅(qū)動(dòng)絞車?yán)|繩張力的監(jiān)測(cè)。