李曉飛1 朱文峰2 陳澤鵬1 李興華1

1 韶關(guān)起重機(jī)械有限公司 韶關(guān) 512025 2 長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室 西安 710064

摘要：力矩限制器是起重機(jī)必不可少的安全保護(hù)裝置。可實時記錄起重機(jī)的起重量、臂架角度、臂架長度和工作范圍。當(dāng)起重量大于額定重量時，會報警并自動控制安全。. 本文研究了折臂起重機(jī)力矩限制器的算法。由于副臂的存在，力矩限制器的算法與汽車起重機(jī)的算法不同。有必要提出有針對性的空載校準(zhǔn)算法。對手臂頭部有效。結(jié)合折臂起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和受力特性履帶吊起重量算法，建立了工作裝置的數(shù)學(xué)模型，通過對臂架重量和重心進(jìn)行標(biāo)定，實現(xiàn)了空載標(biāo)定。

關(guān)鍵詞：折臂起重機(jī)；力矩限制器；安全保護(hù)裝置；空載校準(zhǔn)算法

CLC 編號：TH213 文件識別碼：A 貨號：1001-0785 (2020）02-0042-05

0 前言

為更好地指導(dǎo)起重機(jī)進(jìn)行起重作業(yè)，保護(hù)起重機(jī)免受超載造成結(jié)構(gòu)件損壞或傾覆事故，GB12602-2009明確了起重機(jī)械過載保護(hù)裝置的功能、技術(shù)要求和精度要求。綜合轉(zhuǎn)矩限制器要求其綜合誤差不超過±5%[1,2]。在汽車起重機(jī)領(lǐng)域，扭矩限制器已成為標(biāo)準(zhǔn)配置，其功能也越來越強(qiáng)大。除了臂長、仰角、振幅、高度、起重量顯示和過載力矩保護(hù)等基本功能外，還擴(kuò)展了過載信息。錄音、智能輔助吊裝、虛擬墻等功能。通過算法的不斷優(yōu)化，起重載荷的精度也在不斷提高。操作人員根據(jù)扭矩限制器提供的精確信息進(jìn)行起重作業(yè)，設(shè)備操作更簡單，勞動強(qiáng)度顯著降低。

在扭矩限制器算法方面，陳友等人。中南大學(xué)基于伸縮臂起重機(jī)臂架受力分析建立了基于變幅油缸壓力的起重機(jī)扭矩計算模型，并提出了一種新的主??臂自重校準(zhǔn)算法。主要研究了伸縮臂變形補(bǔ)償算法，并通過Matlab對該算法進(jìn)行了仿真，并就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在伸縮臂起重機(jī)力矩計算中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。目前，該算法在汽車起重機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，但在轉(zhuǎn)向臂起重機(jī)中應(yīng)用較少[3,4]。姚麗娟等。采用了將BP網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近性能與轉(zhuǎn)矩限制器的轉(zhuǎn)矩平衡理論相結(jié)合的方法，并根據(jù)現(xiàn)場采集的汽車起重機(jī)工況數(shù)據(jù)設(shè)計BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練吊車出租，從而構(gòu)建扭矩限制器的計算方法。吊裝網(wǎng)絡(luò)模型[5]。大連理工大學(xué)趙海濤進(jìn)行了大型履帶起重機(jī)扭矩限制器系統(tǒng)的研究與設(shè)計，設(shè)計并搭建了硬件系統(tǒng)的調(diào)試平臺，分析了系統(tǒng)的非線性檢測算法履帶吊起重量算法，分析并實現(xiàn)了起重性能表和試驗數(shù)據(jù)。回歸模型的方法[6]。高順德等。提出了一種基于動臂運(yùn)動學(xué)分析的齊次坐標(biāo)變換方法，可以準(zhǔn)確計算出動臂頭的位置坐標(biāo)，然后根據(jù)折臂隨車起重機(jī)二維分布的額定起重性能確定實時的額定起重量。為有效防止超載運(yùn)行，采用銷式傳感器測量起重重量[7]。長安大學(xué)羅平通過分析汽車起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，建立了起重機(jī)載荷的數(shù)學(xué)模型，并利用PLC設(shè)計了扭矩限制器的軟硬件，降低了系統(tǒng)成本[8]。國外的折臂起重機(jī)，如Palfinger、Effer等，采用簡單的力矩保護(hù)方案，也是通過檢測變幅液壓缸的壓力狀態(tài)來實現(xiàn)保護(hù)，但未能提供詳細(xì)的起重信息。經(jīng)過分析，主要原因是與汽車起重機(jī)相比，轉(zhuǎn)向節(jié)臂起重機(jī)多了一個臂架[9]，它不能像汽車起重機(jī)一樣通過有限數(shù)據(jù)的空載校準(zhǔn)來準(zhǔn)確測量臂架質(zhì)量和重心位置。數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確會導(dǎo)致顯示的起重載荷與實??際起重載荷存在較大誤差。

本文通過分析轉(zhuǎn)向節(jié)式起重機(jī)的機(jī)構(gòu)特點和受力情況，建立工作裝置的數(shù)學(xué)模型，提出了一種新的空載標(biāo)定算法。片刻。

1 原理分析

力矩限制器利用力矩平衡原理計算實際起重量，如圖1所示。

圖1 折臂起重機(jī)受力分析圖

臂架、伸縮臂架、第一變幅液壓缸、第二變幅液壓缸的自重分別為m1、m2、m3和m4，重心水平臂桿末端的鉸鏈點 O。方向上的投影距離分別為L1、L2、L3和L4，起重載荷的重量為mL，重心到臂架鉸接點的投影距離為水平方向為L5。液壓缸無桿腔和有桿腔的壓力分別為P1和P2，作用面積分別為A1和A2，作用力方向為H相對于臂架后鉸點力臂, 與垂直方向的夾角為 θ,

在扭矩限制器硬件系統(tǒng)中，提供了壓力傳感器、傾斜傳感器和長度角傳感器。壓力傳感器用于檢測第一變幅液壓缸無桿腔和有桿腔的壓力信息，傾角傳感器用于獲取仰角信息，長度角傳感器用于獲取長度和角度信息的伸縮臂。然而，動臂、伸縮動臂、第一變幅液壓缸、第二變幅液壓缸的質(zhì)量以及動臂重心位置無法通過傳感器獲得。臂尾鉸鏈點位置比較近，相關(guān)參數(shù)可以在3D軟件中獲取，但是伸縮臂重心遠(yuǎn)，并且臂的長度由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的撓曲而改變。僅從3D模型中獲取質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)，無法滿足扭矩限制。因此，需要在算法中進(jìn)行空載校準(zhǔn)以獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

汽車起重機(jī)力矩限制器采用空載標(biāo)定算法，假設(shè)臂架重心在臂架頭部，如圖2所示。臂架不起升時，根據(jù)力矩平衡原理，計算臂桿頭部的臂桿等效質(zhì)量。由于臂架在不同長度和角度下的等效質(zhì)量不同，需要進(jìn)行無窮值標(biāo)定。為了減少標(biāo)定的工作量和占用控制器有限的存儲空間，扭矩限制器的算法通常只標(biāo)定有限的值，例如在指定角度的臂架質(zhì)量和指定長度等值的位置。動臂頭，

在確定空載mea和meb值后，對于位于Lea和Leb之間的任意位置Lex，臂頭在臂頭處的當(dāng)量重量為

與汽車起重機(jī)相比，折臂起重機(jī)多了一個臂架。如果仍然使用汽車起重機(jī)的空載校準(zhǔn)方案，則存在以下問題：

1）空載標(biāo)定數(shù)據(jù)量大增：汽車起重機(jī)只為伸縮臂長度和仰角兩個變量確定一個點，是一個二維值。所以在空載標(biāo)定中，只需要設(shè)置兩到三個仰角，每個仰角設(shè)置5-6組臂長數(shù)據(jù)，總共10-18組空載數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重的準(zhǔn)確計算。折臂起重機(jī)多了一個起重臂，一個點由起重臂仰角、伸縮臂仰角和伸縮臂臂長三個變量決定，是一個三維值。假定的動臂校準(zhǔn) 3

伸縮臂分別標(biāo)定了3個角度和6個長度，總空載標(biāo)定數(shù)據(jù)量達(dá)到54組，空載標(biāo)定時間和扭矩限制器的存儲空間占用較多。

2）未標(biāo)定狀態(tài)下臂頭等效質(zhì)量的算法比較復(fù)雜，如圖3所示。

假設(shè)臂角α和伸縮臂長度L2不變，只改變伸縮臂的角β，兩點（β1，Meq1）和（β2，Meq2)）為分別標(biāo)定吊車出租，而在任何其他角度βx處的標(biāo)定值Meqx與這兩個標(biāo)定值相關(guān)為

圖 2 汽車起重機(jī)臂頭等效質(zhì)量

圖3 折臂起重機(jī)重心位置示意圖

由公式（6）可知，在折臂起重機(jī)中，計算伸縮臂的當(dāng)量自重，首先要得到臂的自重和重心，則可進(jìn)一步計算臂頭處的等效質(zhì)量； ，當(dāng)伸縮臂的角度和長度不變，臂的角度α發(fā)生變化時，還需要先得到臂的質(zhì)量和重心，然后獲得臂頭的等效質(zhì)量。

2 折臂起重機(jī)空載標(biāo)定算法

為了降低轉(zhuǎn)向節(jié)起重機(jī)力矩限制器的算法復(fù)雜度，減少空載標(biāo)定的次數(shù)，提供控制器的計算效率和精度。在本文中，提出了一種校準(zhǔn)伸縮臂質(zhì)量和重心的算法。在伸縮臂長度相同的情況下，其自重質(zhì)量和重心相對于伸縮臂鉸點旋轉(zhuǎn)軸線E是固定的；臂架的質(zhì)量和重心位置確定后，無論臂架與伸縮臂架的角度如何變化，伸縮臂架到臂架后鉸點的自重力矩都可以得到有效得到，根據(jù)公式（2），可以計算出實際提升量。

由公式（6）可知，伸縮臂長度確定后，只需要標(biāo)定兩個點即可得到臂的質(zhì)量和重心。質(zhì)量和重心可以通過線性差分法得到，具體的標(biāo)定方法分為以下三個步驟：

1）將臂架長度調(diào)整到指定值，將臂架角度和伸縮臂架角度調(diào)整到指定值。控制器根據(jù)傳感器獲取臂架高度α1、伸縮臂架長度L2和角度β1。計算相當(dāng)于手臂頭部的質(zhì)量 Meq1。

2）臂架臂長不變，臂架角度不變，伸縮臂架角度調(diào)整到另一個規(guī)定值β2，控制器計算當(dāng)量臂頭質(zhì)量Meq2。

3）控制器根據(jù)Meq1和Meq2以及得到的兩組長度和角度數(shù)據(jù)，按照公式6計算臂架質(zhì)心位置Mc2和Lc2。如果已知伸縮臂的重量，則可以直接校準(zhǔn)重心位置。

3 測試驗證

如圖 4 所示，該算法在某型折疊旋臂起重機(jī)上進(jìn)行了驗證。轉(zhuǎn)向節(jié)式起重機(jī)的力矩限制器系統(tǒng)包括長度角傳感器、傾角傳感器、用于檢測第一變幅液壓缸無桿腔和有桿腔內(nèi)壓力的壓力傳感器和顯示控制一體機(jī)。其軟件算法使用已知的伸縮臂質(zhì)量并直接校準(zhǔn)伸縮臂重心。不同臂長標(biāo)定的重心位置如圖5所示。進(jìn)行不同工況下的吊裝試驗，記錄實測吊裝載荷和實際吊裝載荷，并記錄試驗結(jié)果

如表1所示。測試數(shù)據(jù)表明，該算法能較好地實現(xiàn)起重重量的測量，顯示質(zhì)量與實際質(zhì)量的誤差小于3.5%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖 4 配備力矩限制器系統(tǒng)的折臂起重機(jī)

圖5 起重臂重心位置

4。結(jié)論

本文研究了折臂起重機(jī)力矩限制器的稱重原理，提出了一種不同于汽車起重機(jī)的空載標(biāo)定算法。該算法只需要陣列的標(biāo)定數(shù)據(jù)即可計算伸縮臂的自重和重心位置。將空載標(biāo)定算法應(yīng)用于某型折臂起重機(jī)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，力矩限制器可以在不同工況下顯示高精度的起重量信息。

參考

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