钢丝绳平均张力测量方法及设备的研究

钢丝绳平均张力测量方法及设备的研究

摘要

本课题来源于实际的工程测量。钢丝绳是理想的承受拉力的构件，得到广泛的应用。在工业中，钢丝绳是工程结构中用于承受拉力的理想构件,被广泛用于起重运输设备、客货运输索道、大跨度悬索桥梁及悬挂式屋顶等工程结构中。钢丝绳中张力及其真实变化情况无疑在绳结构工程的设计、安装、使用、维护中具有重要意义。在民用中，钢丝绳是电梯主要的传力构件,承受着电梯全部的悬挂重量,并在运转时绕着曳引轮、导向轮或反绳轮单向或交变弯曲。面临着大量由于钢丝绳张力不均而导致的各种矿难及电梯事故，开发出一种新型的仪器来代替传统的测试方法已成为急待解决的问题。本课题拟以电梯钢丝绳张力测量为研究对象，对其单股张力和多股的平均张力的测量方法进行理论分析研究，通过“三点弯曲法”建立数学模型。使得钢丝绳的平均张力算法的得到改进，采用单片机技术，进行测量设备的初步研究。这样既改善了振波法的低精度，又使得张力测量定量化，从而使工作人员在使用、维护时减轻了大部分工作量，并极大的提高了钢丝绳的使用寿命和安全性。

该测量设备采用MCS-51单片机系统，使用A/D转换芯片实现数据的采集、并控制其它相关芯片。

该设备是集数据采集、计算、数据处理、结果显示等功能于一体的智能化测试仪器，技术性能如下：

(1)数据采集。通过力传感器测量钢丝绳产生变形后所受到的力。

(2)数据处理与计算。主要包括采集数据的处理，钢丝绳张力T的计算等。

(3)LCD显示。提示键入内容，实现人机对话并显示测试结果。

设备工作后，力传感器将测得的力的值转换为1～5V的模拟信号送入单片机系统，因为采用五路测力通道设计，固需要经过多路开关

控制哪一路的模拟信号进入单片机系统进行处理，输入的模拟信号经过A/D转换器转换后变为数字信号送入MCU进行运算，MCU的外围设备有LCD液晶显示器、4×6键盘、及与上位机的通信电路，LCD主要用于显示测得力值、计算的结果以及提示用户操作，4×6键盘用于输入测试公式中需要修正参数及控制仪器的运行状态，而通信电路则用于将测得的大量数据上传保存。

设备的硬件框图如图1所示：

图1 钢丝绳平均张力测量设备框图

Fig1 The average wire rope tension measuring equipment diagram 钢丝绳张力测定设备根据“三点弯曲法”原理设计而成，将钢丝绳张力测量设备上的三点(即为滚轮)与钢丝绳被测表面接触，强迫某一段钢丝绳产生类似于三点弯曲的局部变形，见图2。

图2 三点弯曲测力设备原理图

Fig2 Three-point bending force-measuring equipment schematics

在C 轮相对于A ，B 两轮向上压紧过程中，产生位移信号δ和压紧力P 。在不考虑测量设备滚轮对夹持段钢丝绳产生局部弯矩的情况下，张力T 的近似计算式为:

δ

4Pl T = （1） 然而，在测量钢丝绳张力的过程中，由于设备强迫钢丝绳在A 、

B 、

C 三处产生局部变形，因此，钢丝绳截面的抗弯能力会对测量信号产生一定的影响，这必将导致测量的不准确性，因此，不能由（1）式直接计算钢丝绳的张力T 。

为消除测力器和钢丝绳自重以及支座位置对测量信号的影响，采用二次测定法:即在同一张力水平下，利用同一测定器对同一测量点进行二次测量，分别得到二次输出信号δ1，P 1，δ2，P 2，通过整理，最后得到公式（2）

()

22111244P P Pl T l δδδδδδ-=-- （2） 式即为钢丝绳静、动张力测定计算公式。

式中，P、P1、P2是需要测量的值，在进行测试的时候先固定好设备，把钢丝绳穿过测量设备，在两边用定位螺栓卡住，如图3，

图3 测力器张力测定示意图

Fig3Determination of force-measuring device tension diagram

然后旋转加载装置C，并保证5个测量设备的加载螺母旋转的角度相同，这样，套筒前进的距离也就相同了，计此时的输入信号为P。然后以此时的钢丝绳的状态为新的测量起点，反向旋转加载装置C相同的角度，记录此时的输入信号为P1，再以此时的钢丝绳的状态为测量起点，正向旋转加载装置C，旋转的角度要大过第一次旋转的角度，得到最后一个输入信号P2。每个测量装置都是如此操作，这样使钢丝绳都是从夹紧状态到放松状态，最后再到夹紧状态，这样，钢丝绳的各种状态都能够得到体现，测量的结果更有利于对钢丝绳的平均张力进行监测。

钢丝绳平均张力测量设备采用的主控芯片为AT89C52，其主要完

成的工作为：

(1)控制两路采集通道的选通（对CD4051的控制）。

(2)处理A/D转换器采集的数据

(3)控制LCD液晶显示器

(4)控制4×6键盘

(5)与上位机的通信

该测试设备的软件设计由单片机C语言来实现，主要完成以下几个方面的计算与控制功能：

(1)．对由力变送器传送入仪器中的模拟信号经过软件编程实现数字化的转换。

(2)．钢丝绳张力的计算。

(3)．4×6键盘管理。

(4)．因采用LCD液晶显示器件，显示信息量较多，所以应该有一个友好的人机交互界面。

在仪表接通电源后即进入主程序。进入主程序后自动进入初始化状态，对系统地址中的内容初始化，并在该状态下，完成设置栈底，信息存储器全部清零；预设键盘接口，LCD显示均为预设值。然后定义参数，并开放中断，等待按键操作。当有按键按下，随即记录下按键，并执行相应的子程序。测量设备的主程序流程图如图4。

图4主程序流程图

Fig4 The main program flow chart

在测量设备的外观设计上，由于卡虑到要同时测量5根钢丝绳的张力，所以需要一个承载测量设备的平台。根据“三点弯曲法”的测量原理，需要在一段长度的钢丝绳上形成类似A、B、C三轮的装置。由于一次性测量5根钢丝绳的张力，由于不同的装置钢丝绳之间疏密程度各不相同，故此，需要测量设备能够进行适当的调节，以使得钢丝绳在测量的过程中不会产生横向的拉扯力，避免在测量的过程中产生粗大误差。测量设备示意图如图5