起重机超载保护系统称重传感器布置

雷佳佳

（中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063）

0 引言

在起重机中，用以提升或下降货物的机构称为起升机构，一般采用卷扬式。起升机构是起重机中最重要、最基本的机构，其工作的好坏直接影响整台起重机的工作性能。起升机构一般由驱动装置、钢丝绳卷绕系统、取物装置和安全保护装置等组成。安全保护装置有超负荷限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保护开关等，根据实际需要配用。其中，超负荷限制器安全保护系统简称超载保护系统，是起重机中非常重要的组成部分，本文将结合实际项目分析总结起重机上超载保护系统称重传感器的各类布置方式和设计特点。称重传感器实际上是一种将重量信号转变为可测量的电信号输出的装置。使用称重传感器时首先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到称重传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个系统的可靠性和安全性。超载保护系统称重传感器从受力方式可分为压式、拉式和轴销式三类，由于不同的受力方式具有不同的工作条件和技术要求，因此就有了不同的称重传感器安装方法和规定。下文就将压式、拉式和轴销式的称重传感器在起重机超载保护系统中的具体布置型式分别介绍，并分析比较其优缺点以及提出布置方式优化的一些设想：

1 各类称重传感器的具体布置型式

1.1 拉式称重传感器的典型布置型式

拉式称重传感器一般安装在动臂式起重机的钢丝绳上（如图1所示）。拉式称重传感器多数采用板环形弹性体作为敏感元件，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出，进而显示为可读取的质量数值。拉式称重传感器受力后应力流线分布均匀、合理，有比较高的测量精度和灵敏度，密封性能良好，既可以安装在起升钢丝绳上用于读取起升钢丝绳的拉力，也可以安装在变幅钢丝绳上用于读取变幅钢丝绳的拉力，具体安装位置如图1所示。

图1 拉式称重传感器布置

1. 2 压式称重传感器的典型布置型式

压式称重传感器最典型的安装方式之一就是安装在起升绞车的底座上（如图2所示）。底座采用称重底座式，称重底座的一端采用两套铰支座，另一端压在两套电阻应变式压力传感器装配上，当称重底座受到吊重物传递给钢丝绳的拉力时，由于杠杆原理，转化为压力传递给电阻应变式压力传感器，然后电阻应变式压力传感器将其转变为可测量的电信号输出为可读取的质量数值，进而准确的显示当前所吊重物的重量，型式可靠，量程范围大，应用相当广泛。当实际起重量超过95%额定起重量时，起重量限制器宜发出报警信号。当实际起重量在100% ～110%的额定起重量之间时，起重量限制器起作用，此时应自动切断起升动力源，但应允许物品作下降运动。

图2 压式称重传感器布置一

压式称重传感器典型的安装方式之二是安装在固定滑轮组装配的底座上（如图3所示）。这种安装在固定滑轮组装配底座上的压式称重传感器也叫天车秤，是针对天车称重而专门设计。整个天车秤对定滑轮组进行称重，传感器分别安装在天车定滑轮轴的两端正下方。在传感器上的半圆形槽内安装定滑轮的轴端，同时由限位板来限制传感器和轴的位置，保证运动时的位置和安全。限位板直接安装在传感器垫板上。从而构成一个多传感器的称重装置，实现对定滑轮的称重，达到对起重重物进行称重。传感器数量是定滑轮轴数量的2倍。

图3涉及的项目中，一共对两台小车进行称重，每台小车配二只传感器，它们的信号汇总到接线盒中，再通过双层屏蔽信号电缆，将信号传输到位于小车控制室的台式仪表，两台车的信号汇总到同一只仪表上，仪表可以进行单秤或总和重量显示。台式仪表具有清零、去皮、累计、打印、报表、皮重存储、皮重调用、皮重清除，调显等功能，并接大屏幕，实现重量数据的大屏幕显示。台式仪表还可以设置定值输出，发出报警信号。

图3 压式称重传感器布置二

压式称重传感器另一种比较常用的布置方式是安装在起升卷筒的卷筒轴一端（如图4所示）。这种压式称重传感器也可称为轴承座式称重传感器，一般是大重量传感器，生产厂家可以根据图纸尺寸特殊订货配置。其原理是轴承座式称重传感器代替普通的轴承座安装在起升卷筒的卷筒轴一端，一般用于起升绳拉力垂直于起升卷筒向下的起升机构中，通过起升卷筒筒体以及卷筒轴对力的传递，将吊重物作用在钢丝绳上垂直向下的拉力转化为卷筒轴通过轴承对轴承座式称重传感器的压力，然后轴承座式称重传感器将其转变为可测量的电信号输出为可读取的质量数值，进而准确的显示当前所吊重物的重量。

图4 压式称重传感器布置三

压式称重传感器还有一种比较特殊的型式叫做旁压式传感器，通常也俗称三滑轮式称重传感器（如图5所示）。这种三滑轮式称重传感器是一种高精度的张力测量传感器，在动臂式起重机上应用比较广泛，通常安装在从起升卷筒通往定滑轮的一段起升绳的某一位置。该装置包括三个滑轮、两片侧板、重量传感器及连接件，三个滑轮安装在两片侧板中间，两片侧板之间还设置有轴型重量传感器。三滑轮式称重传感器的原理是利用钢丝绳受力产生的张力反作用于滑轮产生的剪切力测量所吊重物的重量，精度可靠，量程范围大，防护等级高，适用于户外恶劣环境，一般采用万向节固定，以便安装后能适应钢丝绳在运动过程中的摆动。这种三滑轮式称重传感器侧板之间设置的轴型重量传感器，其实也就是本文下面要单独介绍的轴销式称重传感器之中的一种。

图5 压式称重传感器布置四

1.3 轴销式称重传感器的典型布置型式

轴销式称重传感器是一种20世纪90年代开始发展起来的一种比较新型的称重传感器，轴销式称重传感器实际上是一个承载器与称重传感器合二为一的集成化结构。此时，承载器就是一个技术性能完全符合要求的专用称重传感器，或者说，称重传感器本身就是一个整体型承载器。轴销式称重传感器一般是一根承受剪力作用的空心截面圆轴，双剪型电阻应变计粘贴在中心孔内凹槽中心的位置上。轴销式称重传感器结构紧凑，几何外形简单，具有很强的抗扭转、抗弯曲能力，装配精度高，称量准确度较好，因此广泛使用在门式起重机的超载保护系统中。

轴销式称重传感器最典型的安装方式之一是安装在门式起重机小车起升系统（布置图如图6所示）的导向滑轮组中某个滑轮上（具体安装方式见图6中的剖视图）。其工作原理是利用穿过导向滑轮的钢丝绳受力产生的张力反作用于导向滑轮产生的剪切力测量出钢丝绳的拉力大小，进而通过编程运算显示出所吊重物的重量。同样，当实际起重量超过95%额定起重量时，起重量限制器会发出报警信号。当实际起重量在100% ～110%的额定起重量之间时，起重量限制器起作用，此时自动切断起升动力源，但允许物品作下降运动。

图6 轴销式称重传感器布置

2 各类称重传感器布置方式优缺点的比较

称重传感器的类型和布置型式多种多样，每一种布置型式都有自己的特点和特定功能，不能一概而论，为了清楚显示各类称重传感器布置方式的优缺点，特将其列成表格，如表1所示。

3 称重传感器布置方式优化的一些设想

在起重机超载保护系统中，称重传感器的布置方式也是可以相互转换的。例如在上文的压式称重传感器的典型布置型式第一种，即压式称重传感器安装在起升绞车的称重底座上的布置型式中，电阻应变式压力传感器装配虽然也可以准确的显示当前所吊重物的重量，但是由于称重底座的测量点与电阻应变式压力传感器的接触点是可以分离脱开的，如果某个具体设计项目需要将此处的接触点改变为连接在一起不会分离脱开的型式，就可以采用轴销式称重传感器。具体做法是将称重底座的测量点与电阻应变式压力传感器的接触点相接触的这两处改变为铰接，铰接点的铰轴直接采用轴销式称重传感器装配，进而既可以代替原有的电阻应变式压力传感器装配准确的显示当前所吊重物的重量，又可以保证称重底座与基座的连接没有可能会脱开的点。

在我们起重机以往设计和应用的过程中，起重机超载保护系统称重传感器的布置方式多种多样，并且可以预测的是，在将来起重机行业的发展过程中，会有更多种类丰富的新类型的称重传感器及其布置方式的出现。但是不管型式怎么变化，其总的原则不会变，那就是安全可靠、读数准确，即通过不断设计改进起重机超载保护系统称重传感器的布置方式，以使整机更安全更高效的实现其功能，达到更高的经济性和安全性。

[1] 起重机设计规范[S],GB/T 3811-2008,中国国家标准化管理委员会,2008.

[2] 起重机设计规范[S],GB 3811-83,中国国家标准化管理委员会,1983.

[3] 中国机械工业标准汇编起重机械卷[S],中国标准出版社,2009.