塔机力矩限制器的设计

塔机力矩限制器的设计
孙文迁
前言：
力矩限制器是塔式起重机上重要的安全保护装置，用于防止塔机因起重力矩超载而导致塔机产生重大安全事故。

目前，市场上应用较多的是安装于塔帽受力主肢上的弓板式力矩限制器。

由于弓板式力矩限制器灵敏度较低，不能准确反映出塔机当时起升重量和吊重的幅度。

本文针对目前塔机实际使用中发现的一些问题，设计了一种新型力矩限制器，利用先进的检测传感器直接对塔机的起重量和小车幅度进行检测，并利用单片机技术实现塔机起重量和变幅幅度的直接显示和存储。

从而提高塔机安全操作的数字化程度。

由于检测数据的非易失性，使力矩限制器真正成为塔机的“黑匣子”。

1．力矩限制器工作原理
塔式起重机起重力矩曲线的数学公式为：
M=P·x
式中：P—幅度为X时相对应的额定起重量（包括吊具系统重量），单位:KN
X—吊重至吊臂根部铰点的距离，单位:m
M—额定起重力矩（常数），单位：KN·m。

由上式可知：通过对吊重P和幅度x的准确测量，二者的乘积即为起重力矩。

通过与额定力矩曲线比较，对塔机的起升和变幅进行控制。

2．参数检测
2.1塔机吊重的检测：通过对塔机结构及吊重受力分析，测力点选在吊臂前端起重钢丝绳固定点，在钢丝绳和固定点之间安装一拉力传感器。

吊重由吊钩滑轮组变换倍距通过钢丝绳将力传到传感器上。

因此，通过选用合适精度的传感器即可准确的测量出塔机的起升重量。

2.2塔机吊重幅度的检测：由塔机结构可知，变幅小车由缠绕在变幅卷扬机卷筒上的钢丝绳拖动，通过卷扬机的转动，带动变幅小车沿塔臂前后移动。

因此，通过在卷扬机同轴端安装一个旋转编码器，随着卷扬机的转动，编码器输出一组与变幅小车移动距离成正比的脉冲。

通过对脉冲数的测量，即可确定变幅小车即吊点距塔臂根部铰点的距离x。

测量精度可以根据控制要求选定编码器的额定输出脉冲数。

设卷筒直径为d（单位:m），编码器每转输出脉冲数为n，则变幅小车距塔臂根部铰点的距离x= ·d·a/n
式中：a为实测脉冲数。

3．系统硬件结构
力矩限制器控制系统硬件结构原理框图如图1所示。

系统采用MCS-51单片机为核心，配以检测传感器及必要的放大整形电路，对主控参数进行检测，通过输出驱动电路对起升电机、变幅电机、回转电机进行控制；当力矩超限时发出声光报警；
选用大容量的可直接读写的电擦除芯片EEPROM存储器，可存储长达3分钟的实时数据，以备将来分析之用；选用使用10年不用更换的实时时钟芯片，保证系统时钟的准确性；选用LED显示器实时显示起升重量和吊重幅度。

4．系统软件设计
系统主控程序流程框图如图2所示。

根据国标《塔式起重机技术条件》要求，在系统主控程序中设置风速检测，当实际风速大于工作风速时，系统自动切断起重机主控回路电源。

当风速小于工作风速时，主控回路电源接通。

系统根据塔机实际型号，输入实际力矩曲线数据并存于存储器内。

实际检测起升重量和幅度数据与存储的额定力矩曲线数据比较，以确定是
否对塔机的起升、变幅及回转进行限制控制。

4.1起升控制子程
起升控制子程框图如图3所示。

在起升控制子程序中，根据采样得到的实际起升重量P和幅度X，通过查力矩曲线表求得实际幅度X处对应额定起升重量P0。

根据国标GB/T9462《塔式起重机技术条件》要求，判断实际起重量P与额定起重量P0及1.1倍额定起重量P0的大小执行相应的控制程序。

当P≤P0时，执行起升控制程序；当P0<P≤1.1P0时，执行禁止起升、回转子程并发出声光报警。

4.2变幅控制子程
变幅控制子程框图如图4所示。

在变幅控制子程序中根据采样得到的实际起升重量P和幅度X，通过查力矩曲线表求得实际起升重量P所对应的最大限定幅度X0。

根据国标GB/T9462《塔式起重机技术条件》要求，判断实际幅度X与限度幅度X0及1.1倍限度幅度X0的大小执行相应的控制程序。

当X≤X0时，执行允许变幅控制程序；当P0<P≤1.1P0时，执行禁止外变幅、回转子程并发出声光报警。

4.3数据存储子程序
在数据存储子程序中，系统将实时采集的起重量和变幅幅度信号及发生时间存储于存储器中。

每0.5秒存储一次数据，共存储3分钟360组数据。

存储数据根据FIFO原则处理，即先进先出的原则。

系统永远保持最近3分钟的运行数据，作为塔机运行“黑匣子”的重要参数，以备将来分析研究。

5．试验测试
以某型号QTZ31.5 塔式起重机按照GB7950-1999《臂架型起重机起重力矩限制器通用技术条件》5.2.4.1“系统精度测试方法”对系统精度进行测试，结果满足GB7950-1999 第4.4条“力矩限制器系统综合精度≤5%”的要求。

6．结语
通过对塔式起重机起升重量和吊重幅度的检测，可以准确的反映出塔机的起升力矩特性，通过与塔机的额定力矩曲线比较，可以准确地对塔机的起升重量和变幅幅度进行控制，对塔机的安全生产起到了很好地保护作用。

同时对塔机最近3分钟运行数据的保存，作为塔机的黑匣子，将塔机最新的使用情况保存下来，可以促进塔机使用中的安全生产。

在本设计中将最新微电子技术应用于塔机上，对于提高塔机生产控制的自动化水平，具有很好的应用前景。

参考文献：
[1]林建杰,李斌塔式起重机运行状态在线监测系统的研究,沈阳建筑工程学院学报,2000(4)
[2]李华主编,《MCS-51系列单片机实用接口技术》, 北京航空航天大学出版社,1993.
[3]成红梅等,塔机弓形力矩限制器安装位置的确定,建筑机械，2003(10).。