水利工程卷扬式启闭机荷载传感器选型及布置

秦绪友，黄海杨

（浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310000）

卷扬式启闭机具有结构简单，成本较低，维护保养方便等优点，被广泛应用于水利工程。卷扬式启闭机的荷载限制器作为启闭机重要的安全保护装置，能够提高启闭机使用的安全性，有效防止启闭机因为超载作业而造成的事故。因此SL41—2018《水利水电工程启闭机设计规范》[1]规定：启闭机应装设电子式或机械式荷载限制器。

1 荷载限制器分类

水利工程卷扬式启闭机常用的荷载限制器有机械式和电子式两种。

机械式荷载限制器应用较少，常用在严寒、高海拔地区的启闭机。因为在严寒、高海拔地区，电子式荷载限制器故障发生率有所增加，因此要求启闭机除设置电子式荷载限制器外，同时设置机械式荷载限制器。

电子式荷载限制器由荷载传感器和控制装置两部分组成，荷载传感器主要有压磁式和电阻应变式两种。压磁式传感器是利用磁性材料的压磁效应来达到力-电转换的传感器，具有功率大、型号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好和过载能力强等优点。缺点是线性度和测量精度一般，频率响应低。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，具有测量精度高，线性度好，频率响应特性较好，适用于高低温、振动等多种工作环境，测量电路简单等优点。目前，卷扬式启闭机荷载传感器多使用电阻应变式传感器。

2 电阻应变式传感器工作原理

电阻应变式传感器采用电阻应变片作为敏感元件，以惠斯顿电桥原理为基本测量线路，当应变片受到外力作用发生变形时，应变片的阻值发生变化，通过转换电路，生成一个与外力成正比例的电压信号。将电压信号输入控制装置，信号经过放大之后，一路通过模数（A/D）转换把模拟电压信号转换成数字值，经微处理器的运算分析处理后，进行显示。另一路送入比较器与预先设定的基准信号进行比较，当荷载达到额定值的90%时，发出黄灯预警信号；当荷载达到额定值的110%时，发出红灯警报显示及蜂鸣音响报警，并自动切断电源主回路，实现超载限制，避免危险发生。传感器控制原理如图1所示。

图1 传感器控制原理图

3 电阻应变式传感器种类

电阻应变式传感器根据结构型式及布置方式的不同可分为轴销式传感器、轴承座式传感器、定滑轮式传感器、柱压式传感器、旁压式传感器等。

3.1 轴销式传感器

轴销式传感器一般安装在平衡滑轮上，替代平衡滑轮轴，优点是结构简单，缺点是由于平衡滑轮一般悬挂在机架的下方，当传感器出现问题需要检修或者更换时，传感器不方便拆装。因此轴销式传感器一般在中、小型卷扬式启闭机用的较多。轴销式传感器布置示意图如图2所示。

图2 轴销式传感器布置示意图

3.2 轴承座式传感器

轴承座式传感器只能安装在起升卷筒的非传递动力的卷筒轴的下方，用来替代轴承座，优点是结构简单，检修维护方便，测量精度较高；缺点是布置在卷筒轴的下方，传感器除受到钢丝绳的拉力外，还会受卷筒自身重力的影响，对于一些大吨位高扬程的启闭机，卷筒重量大，卷筒轴较粗，需要的轴承座较大，造成传感器型号的选型较大，成本增加。因此轴承座式传感器一般在中、小型卷扬式启闭机用的较多。轴承座式传感器布置示意图如图3所示。

图3 轴承座式传感器布置示意图

3.3 定滑轮式传感器

定滑轮式传感器主要安装于定滑轮或者平衡滑轮轴的下方，轴孔通常设计一边是圆孔，一边为腰型孔，传感器通常布置在腰型孔端轴的下方，主要承受钢丝绳的拉力。传感器采用双剪切梁式结构，优点是综合精度高、安装简单方便、检修维护方便、长期稳定性好、兼容性好，因此被广泛应用于大、中型卷扬式启闭机。定滑轮式传感器布置示意图如图4所示。

图4 定滑轮式传感器布置示意图

3.4 柱压式传感器

柱压式传感器主要安装于平衡梁或杠杆梁等底部下面，只能垂直安装，只承受压力。相较于定滑轮式传感器，测量精度更高，稳定性更好，对测量精度和稳定性要求较高的卷扬式启闭机可以选用。柱压式传感器布置示意图如图5所示。

图5 柱压式传感器布置示意图

3.5 旁压式传感器

旁压式传感器安装在启闭机的钢丝绳固定端部位，通过检测钢丝绳的张力大小来判断设备是否处于超载状态，具有结构简单、安全性强、安装方便等特点。安装时，将钢丝绳嵌入传感器固定板内，再用扳手把螺母拧紧压住钢丝绳，使其直径略有变形，最后加防松螺母。注意螺栓压的太紧或太松都会使传感器的输出信号不一致。旁压式传感器在工程实际中使用较少，一般用在启闭机改造工程中。用来解决原启闭机无荷载限制器或者其他型式的传感器不方便安装的问题，启闭机可以不用更换轴承座、平衡滑轮或定滑轮，仅在钢丝绳固定端增加旁压式传感器即可，处理较为方便。旁压式传感器布置示意图如图6所示。

图6 旁压式传感器布置示意图

4 荷载传感器承载分析

对不同类型的传感器和不同倍率的启闭机进行受力分析，分析启闭机倍率及传感器型式对传感器受力的影响，我们做以下假设：

（1）忽略启闭机吊具自重的影响。

（2）启闭机卷筒均采用双联卷筒，卷筒自重为G。

（3）对于旁压式传感器，钢丝绳进出传感器的夹角为2θ。

（4）定滑轮式传感器布置在平衡滑轮轴下。

根据《起重机设计手册》[2]得出钢丝绳拉力S：

式中，Q为起升载荷，a为滑轮组倍率，η为系统效率。传感器受力分析见表1。

由表1可知，所有荷载传感器的受力均与启闭机荷载成线性关系。传感器型式相同时，启闭机倍率越高，荷载传感器的受力越小；启闭机倍率相同时，旁压式传感器的受力最小，轴销式传感器的受力最大；除轴承座式传感器受卷筒自重影响外，其余类型传感器的受力只与启闭机承受的载荷及启闭机倍率有关。

表1 传感器受力分析表

传感器受力除受启闭机承受的载荷及启闭机倍率影响外，还受到卷筒及滑轮组的效率影响，由于摩擦力的存在，钢丝绳绕入和绕出滑轮组的拉力不同，启闭机倍率越高，滑轮组的效率越低，钢丝绳拉力受到的影响越大。

5 荷载传感器的安装注意事项

（1）荷载传感器不得安装于直接雨淋和有强烈腐蚀性介质的环境中，如果安装在户外，传感器需要加装防护罩。

（2）传感器和电气控制柜之间采用屏蔽电缆连接。控制电缆与其他设备的动力电缆分开布置，避免受到电磁干扰的影响。

（3）传感器安装完成后，分别对系统的零点、满值点和报警点进行调整和试验，经调整试验合格后再投入使用。

（4）由于摩擦力的影响，传感器的读数与启闭机实际荷载不同，针对此问题，建议在传感器的控制装置中编入计算程序，根据工程实际情况确定相应的计算方法和计算程序，使传感器显示的荷载与启闭机实际的启吊荷载一致[3]。

6 结论及展望

设计启闭机时，应根据工程的实际情况，合理选择传感器的型式，降低成本，提高启闭机使用的安全性。对于中、小型卷扬式启闭机一般选用轴销式传感器、轴承座式传感器和定滑轮式传感器；对于大型及超大型卷扬式启闭机一般选用定滑轮式传感器和柱压式传感器。

近年来，随着科学技术的不断发展，传感器的布置形式越来越多样化，乌东德水电站的12 500 kN固定卷扬式启闭机首次采用附着式测力传感器的安装方式[4]，将定滑轮组的一侧腹板作为检测的应变梁，利用附着同步变形原理将被测应变梁的变形转换为应变片的变形，从而间接检测定滑轮支座的受力情况，避免摩擦力对钢丝绳拉力的影响，测量精度得到极大提高。

此外，启闭机在线监测系统在水利工程中的应用也越来越多，启闭机在线监测系统对启闭机的主要构件的工作应力、起升传动机构的振动模态、钢丝绳内部缺陷、门架结构的振动模态和倾覆、主梁对接焊缝开裂等进行实时在线监测，准确发现和判别缺陷、故障现象和原因，及时提供预警、报警和安全评价报告，为水电工程管理运行安全提供技术性支持。