專利名稱：一種防傾翻力矩限制器系統及移動式起重機的制作方法
技術領域：
本發明涉及工程機械技術領域，特別是涉及起重機的防傾翻力矩限制器系統。本發明還涉及設有所述防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機。
背景技術：
移動式起重機作為一種特種工程車輛，兼具行駛和吊重作業功能，被廣泛應用于石化、造船、風電等行業設備的安裝、維修。隨著經濟的快速發展，工程應用中所需求起重機產品的起重重量越來越大，對其性能、功能的要求也越來越高，同時對車輛的安全性、可靠性、穩定性及操作方便性等也提出了相當大的挑戰。移動式起重機是一種蘊藏危險因素較多、事故發生幾率較大的工程機械，國內外每年都會發生大量因起重機作業造成的設備損壞甚至人身傷亡事故。從技術角度來講，任何起重機都有其最大安全載荷限度，超過這個限度，輕則對設備部件造成損壞，重則發生整車傾覆的惡性事故。因此，必須使用力矩限制器控制起重機在安全限度內工作。力矩限制器系統是裝備在移動式起重機上的超載保護裝置，當起重機進入工作狀態時，力矩限制器將實際各參數的檢測信號輸入控制器，經過運算、放大、處理后，顯示相應的參數值，并與事先存入的額定起重力矩值比較，并限制起重機部分動作，防止起重機由于操作不當和過大的起重力矩而發生傾翻、折臂等事故，以保證安全作業。起重機在起重作業中，穩定狀態有可能處于安全力矩范圍內，但起重機在進行多個動作或動作突然改變時，慣性力和離心力產生的附加力矩將大大增加。特別是在滿負荷或接近滿負荷作業時，如只考慮所起重物件重量，起重機在突然改變起升、變幅和回轉作業時容易造成傾翻事故。現有力矩限制器系統只能在超載后限制起重機的動作，對于作業過程中的動態失穩沒有做出檢測計算并采取相應限制措施，更不能預測下一步動作將會產生多少附加力矩，進而無法對工人操作做出限制。首先，未考慮風載荷和吊臂變形的影響，風載荷作用在吊臂正向時，傾覆力矩會在變幅液壓缸的推力上有所反映；風載荷作用在吊臂的側面時，會產生側向傾覆力矩，使起吊或下放重物偏離鉛垂線而產生額外的傾覆力矩，這在現有力矩限制器系統中無法體現。其次，由于支腿橫向跨距較大、帶載工作時對于支腿穩定和慣性載荷等因素引起幅度和載重的增大，在力矩限制器系統上反映不出來。再者，無法計算在工作過程中產生的動態力矩，只能在超出危險范圍后作出反應， 存在安全隱患。使用現有力矩限制器系統，依靠操作人員的經驗雖然也可進行作業，但在滿載或接近滿載作業時，風力、慣性力和離心力產生的力矩會增大起重機傾翻的可能性。因此，如何綜合考慮多方面因素、保證移動式起重機在作業過程中安全可靠，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。
發明內容
本發明的第一目的是提供一種防傾翻力矩限制器系統。該力矩限制器系統能夠準確反應移動式起重機的工作狀態，計算工作過程中起吊重物、風力、慣性力和離心力所產生的力矩，進而能夠對起重機的變幅角度、速度及加速度、回轉速度、重物升降速度及加速度進行控制，防止移動式起重機動態失穩造成傾翻事故。本發明的第二目的是提供一種設有上述防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機。為了實現上述第一個目的，本發明提供了一種防傾翻力矩限制器系統，用于移動式起重機，包括檢測各作業參數的檢測單元；處理由所述檢測單元輸入的檢測信號并輸出控制信號的控制器單元；顯示參數信息的顯示單元；所述檢測單元包括檢測起重臂長度的長度傳感器、檢測起重臂工作角度的角度傳感器、檢測吊重重量的壓力傳感器；所述檢測單元進一步包括聯接于所述控制器單元的檢測風速的風速儀、檢測轉臺回轉速度的回轉速度傳感器、檢測起重機水平度的水平儀、以及檢測卷揚機起升或降落速度的升降速度傳感器。優選地，所述長度傳感器固定于起重臂的基本臂的尾部，包括變送器和側長線，其側長線一端纏繞在所述變送器上，另一端通過導向輪固定在起重臂伸縮油缸上。優選地，所述角度傳感器包括第一角度傳感器和第二角度傳感器；所述第一角度傳感器設置于起重臂的基本臂的側面，所述第二角度傳感器設置于所述起重臂的臂頭的側面。優選地，所述壓力傳感器包括第一壓力傳感器和第二壓力傳感器；所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別設于變幅油缸的大腔和小腔。優選地，所述風速儀設置于所述起重臂的臂頭。優選地，所述回轉速度傳感器設置于起重機回轉支承中心的中心回轉體中。優選地，所述水平儀固定于起重機轉臺的平臺上；所述平臺與起重機下車底盤平面平行。優選地，所述升降速度傳感器與卷揚減速機中心軸連接。為了實現上述第二個目的，本發明還提供了一種移動式起重機，包括轉臺、起重臂、變幅油缸、卷揚機以及起重機作業控制系統，所述起重機作業控制系統設有上述任一項所述的防傾翻力矩限制器系統。優選地，所述防傾翻力矩限制器系統的控制器單元和顯示單元設于所述移動式起重機的上車操縱室中。本發明根據移動式起重機在起重作業中，除起重機自重和起吊重量以外，還有可能受到風力、慣性力、離心力的影響，為確保其安全性，在防傾翻力矩限制器系統中設置了檢測風速的風速儀、檢測轉臺回轉速度的回轉速度傳感器、檢測起重機水平度的水平儀、以及檢測卷揚機起升或降落速度的升降速度傳感器。可實時采集吊臂角度、吊臂長度、液壓系統壓力、風速、回轉速度和卷揚速度等信號，由控制器單元根據程序計算出起重機在穩定工作狀態的實際力矩。并根據計算得出的實際力矩在微處理器中與存儲在控制器存儲器中的額定值進行比較，并依此控制輸出，當實際力矩達到或接近額定力矩時，在顯示器上發出過載報警信號，控制器輸出控制信號，結合起重機的外圍控制元件，切斷全部能繼續增大力矩的工作工況(例如伸臂、向下變幅、起升)，只有能使力矩減小的動作工況被保留(例如縮臂、向上變幅、落鉤)。同時，根據計算出的實際力矩，可預測下一步動作所允許動作的合理范圍，判斷該起重機改變現有狀態所允許的最大回轉速度或升降、變幅速度和加速度，進而限制輸出信號的變化程度，限制操作人員的危險操作，保護起重機安全。本發明所提供的移動式起重機設有上述防傾翻力矩限制器系統，由于上述防傾翻力矩限制器系統具有上述技術效果，具有該防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機也應具備相應的技術效果。
圖1為本發明所提供防傾翻力矩限制器系統的邏輯控制示意圖；圖2為具有本發明所提供防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機的工作狀態示意圖；圖3為長度傳感器的安裝示意圖；圖4為回轉速度傳感器的安裝示意圖；圖5為移動式起重機處于工作狀態時的受力分析模型；圖6為移動式起重機的起重臂處于工作狀態時的受力分析模型。圖1至圖6中1.轉臺 2.上車操縱室 3.起重臂 4.變幅油缸 5-1.主卷揚 5_2.副卷揚6.吊臂頭7.吊鉤 8.長度傳感器9.基本臂10.變送器11.側長線12.導向輪13.三節臂臂位14.回轉速度傳感器15.回轉支承16.中心回轉體17.水平儀 18.第一角度傳感器19.第二角度傳感器
具體實施例方式本發明的核心是提供一種防傾翻力矩限制器系統。該防傾翻力矩限制器系統能夠準確反應起重機的工作狀態，計算工作過程中起吊重物、風力、慣性力和離心力所產生的力矩，進而能夠對起重機的變幅角度速度及加速度、回轉速度、重物升降速度及加速度進行控制，防止起重機動態失穩造成傾翻事故。本發明的另一核心是提供一種設有上述防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機。為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。本文中的“第一、第二”等用語僅是為了便于描述，以區分具有相同名稱的不同組成部件，并不表示先后或主次關系。請參考圖1、圖2、圖3、圖4，圖1為本發明所提供防傾翻力矩限制器系統的邏輯控制示意圖；圖2為具有本發明所提供防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機的工作狀態示意圖；圖3為長度傳感器的安裝示意圖；圖4為回轉速度傳感器的安裝示意圖。如圖1所示，在一種具體實施方式
中，本發明所提供的防傾翻力矩限制器系統主要由檢測單元、控制器單元、顯示單元三部分組成，其中檢測單元用于檢測各作業參數，包括壓力傳感器、角度傳感器、長度傳感器等檢測元；控制器單元用于處理由所述檢測單元輸入的檢測信號并輸出控制信號，包括放大、運算、比較、輸出、反饋、存貯等單元模塊組成的智能化報警控制系統；顯示器單元用于顯示由控制器單元輸出的檢測處理信號。上述檢測單元、顯示單元均通過聯接件(如信號電纜等)與控制器單元聯接，控制器單元通過聯接件與起重機的外圍控制元件聯接，向外圍控制元件輸出控制信號。如圖3所示，用于檢測起重臂長度的長度傳感器8固定于起重臂3的基本臂9的尾部，由變送器10和側長線11構成，側長線11 一端纏繞在變送器10上，另一端通過導向輪12固定在起重臂伸縮油缸上。測長的方法是伸縮油缸找到起重臂3的三節臂臂位13，插入缸銷，將起重臂3起升到要求位置，這期間固定于伸縮油缸上的側長線11將隨伸縮油缸運動，傳感器8將記錄從三節臂臂位13至起升終點的距離Si，通過變送器10將信號傳輸至控制器單元。然后，伸縮油缸縮回缸銷，回到起始位置，重復流程將二節臂起升到相應的位置，并記錄油缸伸出距離S2，將兩者值求和，就是起重臂伸出的距離S。加上基本臂9的長度S0，既可計算出起重臂3的長度L(L = S+S0)，同理可計算出任何工況工作時起重臂3的臂長。本系統選用兩個角度傳感器，分別是第一角度傳感器和第二角度傳感器；第一角度傳感器18設置于起重臂3的基本臂9的側面，主要用于測量起重臂3的工作角度，第二角度傳感器19設置于起重臂3的吊臂頭6的側面，用于對第一角度傳感器18的值進行修正，并判斷起重臂3的撓度程度。如圖2所示，變幅油缸4的大腔和小腔各設計一個壓力傳感器，分別為第一壓力傳感器和第二壓力傳感器，起重機在工作過程中，吊重所產生的力矩會在變幅油缸上體現，吊重重量+吊鉤7重量+鋼絲繩重量+起重臂3的重量+變幅油缸小腔壓力=變幅油缸大腔壓力，即是第一壓力傳感器所檢測的數值，由于吊鉤7的重量、鋼絲繩重量和起重臂3的重量為起重機結構參數，認為已知，變幅油缸小腔壓力由第二壓力傳感器測量，故可計算出吊重重量產生的力矩。風速儀(圖中未示出)固定在起重臂3的吊臂頭，實時檢測風速。如圖4所示，回轉速度傳感器14固定于回轉支承15中心的中心回轉體16中，轉臺1在圍繞回轉支承15回轉時，回轉速度傳感器14即可檢測轉臺1的回轉速度，并將其傳輸至控制器單元。水平儀17固定于起重機轉臺的平臺上，此平臺與下車底盤平面平行，實時檢測起重機水平度，力矩限制器控制器根據水平儀檢測的信號判斷起重機傾斜程度，進而限制起重機動作。升降速度傳感器也為兩個，分別與主卷揚5-1、副卷揚5-2的減速機中心軸連接， 實時檢測卷揚的起升或降落速度V，考慮吊鉤7的纏繞倍率n，即可計算重物起升速度V1 = V/n。下面對上述防傾翻力矩限制器系統的工作原理進行說明。請參考圖5、圖6，圖5為移動式起重機處于工作狀態時的受力分析模型；圖6為移動式起重機的起重臂處于工作狀態時的受力分析模型。起重機在工作過程中，所受到的力產生的力矩有以下幾種(1)起重機自重產生的穩定力矩為M1 = G(0. 5^+0(1)
式中 G-起重機自重L1-支腳間距C-回轉中心與重心間的水平距離(2)起重載荷產生的力矩，采用變幅油缸所受壓力計算得出Fl2 cos α cos β+Fl2 sin α sin β-W (12+13+14) cos α-G2 (12+14) cos α =0(2)艮口 F12 cos(a-3) = W(l2+l3+l4)cosa+G2(l2+l4)cosa(3)式中 G2-起重臂重力I2-變幅液壓缸支承點到起重臂鉸點的距離I3-起重臂重心到變幅液壓缸支承點的距離I4-起重臂重心到起重臂頭部的距離的距離F-變幅液壓缸所受的壓力將式(3)整理后得到由被吊重物的重力和起重臂重力產生的力矩即MqMq = Fl2 cos ( α - β ) =W (12+13+14) cos a +G2 (12+14) cos a(4)由式(3)可看出，要確定由被吊重物的重力和起重臂重力產生的力矩Mq只需測定或確定變幅液壓缸的支承力F、起重臂傾角α和變幅液壓缸的傾斜角β即可，傾斜角β可由12和α的函數求出β = f(l2, a)。(3)風力是考慮不利于穩定性的工作風力，主要是指作用在起重機和吊物上的風力。由風力產生的傾翻力矩Mf為Mf = P1HJP2H2(5)式中 P1-作用在起重機上的工作狀態最大風力P2-作用在起吊物上的工作狀態最大風力H1、H2-與P1、P2對應的高度(4)坡度的影響也是不能忽視的，由其產生的力矩Mp為Mp = WH2 sin γ+GH1 sin γ(6)式中 γ-坡角(5)慣性力的產生有兩種情況一種是指起升機構動作，物品突然起吊和落下突然剎車時，產生的不利穩定的慣性力；一種是變幅機構動作，起重臂突然動作或突然停止時，產生的慣性力。上述慣性力產生的傾翻力矩Mg為Mg = WV1 (S-0. 5L) Zgt1+ (ff+G3) V2H2/gt2式中V1-起升機構起、制動速度V2-變幅機構起、制動速度t!-起升機構起、制動時間t2-變幅機構起、制動時間S-作業半徑G3-折算到臂頭的起重臂自重(6)離心力，主要是指起重機回轉時，起重臂、吊物所產生的離心力，特別是起吊物的離心力，通過鋼絲繩直接作用在起重臂端部，增加力矩Ml。
,,WN2H2Ml =--
H3
式中 N-回轉速度H3-吊重物品至臂端的高度所以，在工作狀態，汽車起重機的工作力矩為以上五種情況的累加，起重機的動態實際力矩為M2 = Mq+MF+MP+Mg+ML當M2大于M1時，起重機有傾翻的危險。工作時，控制器單元首先對長度、壓力等傳感器檢測的數據進行處理，對吊臂長度、角度、起升高度、工作幅度、額定載荷、實際起重量、力矩百分比，吊重作業時的風速、主泵的壓力等參數在主界面進行動態顯示，當某個參數超過設定值時進行報警，便于操作者監控。系統按實際力矩與額定力矩比較的原則進行控制。微處理器根據各傳感器輸入的吊臂長度，角度信號，計算出起重機的作業半徑S。根據壓力傳感器輸入的信號計算出變幅缸的受力F，然后算出起重力矩Mq。根據水平儀輸入的信號計算出起重機坡度Y，算出引起的額外力矩Mp，風速儀輸入的信號計算出引起的額外力矩MF，根據計算得出的實際力矩在微處理器中與存儲在中心控制器存儲器中的額定力矩進行比較，結合起重機的外圍控制元件，限制起重機的危險動作。(1)在起重作業開始時，計算M2 = Mq+MF+MP，判斷初始起重力矩是否在安全范圍之內，否則控制器禁止卷揚起升、伸臂等繼續增大力矩的工作動作。(2)根據計算的力矩M2，預測起重機允許的工作角度范圍，控制起重機變幅角度。(3)在起重作業過程中，根據計算的M2 = Mq+MF+Mp,與M1比較后，在M2 < M1的情況下，計算所允許的慣性力力矩和離心力力矩Mg+My對輸出信號進行限制，控制\、V2,、、t2 禾口 N在允許范圍之內，保證M2 = Mq+MF+MP+Mg+ML < M10為了實現上述第二個目的，本發明還提供了一種移動式起重機。該移動式起重機包括包括轉臺、起重臂、變幅油缸、卷揚機以及起重機作業控制系統，所述起重機作業控制系統設有上述任一項所述的防傾翻力矩限制器系統，防傾翻力矩限制器系統的控制器單元和顯示單元設于移動式起重機的上車操縱室中，其余結構請參閱現有技術，本文不再贅述。以上對本發明所提供的防傾翻力矩限制器系統及移動式起重機進行了詳細介紹。 本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
8
權利要求
1.一種防傾翻力矩限制器系統，用于移動式起重機，包括檢測各作業參數的檢測單元；處理由所述檢測單元輸入的檢測信號并輸出控制信號的控制器單元；顯示參數信息的顯示單元；所述檢測單元包括檢測起重臂長度的長度傳感器、檢測起重臂工作角度的角度傳感器、檢測吊重重量的壓力傳感器，其特征在于，所述檢測單元進一步包括聯接于所述控制器單元的檢測風速的風速儀、檢測轉臺回轉速度的回轉速度傳感器、檢測起重機水平度的水平儀、以及檢測卷揚機起升或降落速度的升降速度傳感器。
2.根據權利要求1所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述長度傳感器固定于起重臂的基本臂的尾部，包括變送器和側長線，其側長線一端纏繞在所述變送器上，另一端通過導向輪固定在起重臂伸縮油缸上。
3.根據權利要求1所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述角度傳感器包括第一角度傳感器和第二角度傳感器；所述第一角度傳感器設置于起重臂的基本臂的側面， 所述第二角度傳感器設置于所述起重臂的臂頭的側面。
4.根據權利要求1所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述壓力傳感器包括第一壓力傳感器和第二壓力傳感器；所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別設于變幅油缸的大腔和小腔。
5.根據權利要求1至4任一項所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述風速儀設置于所述起重臂的臂頭。
6.根據權利要求1至4任一項所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述回轉速度傳感器設置于起重機回轉支承中心的中心回轉體中。
7.根據權利要求1至4任一項所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述水平儀固定于起重機轉臺的平臺上；所述平臺與起重機下車底盤平面平行。
8.根據權利要求1至4任一項所述的防傾翻力矩限制器系統，其特征在于，所述升降速度傳感器與卷揚減速機中心軸連接。
9.一種移動式起重機，包括轉臺、起重臂、變幅油缸、卷揚機以及起重機作業控制系統， 其特征在于，所述起重機作業控制系統設有上述權利要求1至8任一項所述的防傾翻力矩限制器系統。
10.根據權利要求9所述的移動式起重機，其特征在于，所述防傾翻力矩限制器系統的控制器單元和顯示單元設于所述移動式起重機的上車操縱室中。
全文摘要
本發明公開了一種防傾翻力矩限制器系統，用于移動式起重機，包括檢測單元、控制器單元、以及顯示單元；所述檢測單元包括檢測起重臂長度的長度傳感器、檢測起重臂工作角度的角度傳感器、檢測吊重重量的壓力傳感器；所述檢測單元進一步包括風速儀、回轉速度傳感器、水平儀、以及升降速度傳感器。該力矩限制器系統能夠準確反應移動式起重機的工作狀態，計算工作過程中起吊重物、風力、慣性力和離心力所產生的力矩，進而能夠對起重機的變幅角度、速度及加速度、回轉速度、重物升降速度及加速度進行控制，防止移動式起重機動態失穩造成傾翻事故。本發明還公開了設有上述防傾翻力矩限制器系統的移動式起重機。
文檔編號B66C23/88GK102464270SQ20101054078
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者史先信, 曹立峰, 郁中太, 金慧玲 申請人:徐州重型機械有限公司