碟簧在塔吊钢丝绳超载报警器中的应用

王敏洁　李作文　孙利民

摘 要：在我国经济发展的重要时期，随着塔式起重机（塔吊）的使用频率不断提高，塔吊超载垮塌事故也随之频繁发生。针对此状况，可应用力学模型研制一种可靠、简单、价格低廉的钢丝绳超载报警器，来确保塔吊的安全运行。因此，对碟簧在新型报警器中的应用展开了论述，通过与目前常用的报警器进行比较，分析了碟簧在报警器中应用的优越性，并研究了碟簧的相关计算、校核、选取和试验。

关键词：超载报警器；塔式起重机；钢丝绳；碟簧

中图分类号：TP277 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.013

目前，我国正处于经济大发展的重要时期，城镇化建设全面铺开，建筑工地星罗棋布，同时，因塔吊超载而造成的垮塌事故也层出不穷。塔式起重机的安全运行与起重机钢丝绳的载荷有着密切的关系，因此，在起重机的正常运行中，应严格控制起重机钢丝绳的负载，使其处于额定载荷内。针对这种情况，研制了一种新型塔式起重机超载报警器，并在报警器中应用了碟簧，将钢丝绳拉力转变为了碟簧压缩变形量。碟簧的体积小、承载能力强、加压均匀、缓冲和减震能力强，可采用不同的组合（叠合或对合），以得到不同的负荷、非线性、渐增性、零刚度和负刚度的变性特性曲线。其最明显的优点是可在很小的变形条件下，承受变化范围较大的载荷，这对提高报警器的精度有重要作用。

1 报警器概述及其工作原理

目前，使用较广泛的是电阻应变式测力传感器，可将测力传感器直接与钢丝绳串接，测力传感器弹性元件在钢丝绳产生的张力的作用下应变，利用应变计将此应变转换为电阻变化，再通过测量电桥将电阻变化转化成电压变化测量。一方面，此方法的灵敏度较低，如果长期使用此方法，则传感器的应变元件易产生塑性变形，进而导致测量结果不准确；另一方面，该传感器完成了力、应变、电阻与电压之间的转换，过程过于复杂。

另一种传感器主要利用电磁检测原理，根据钢丝绳的捻制股波特点，并利用了电磁传感器的信号变化推算钢丝绳拉力。与传统方法相比，这种检测方法简单、精度高，但因钢丝绳的结构复杂，该技术在使用时受到了限制。比如，磁弹效应的存在使外力对铁磁材料的磁化特性造成了一定的影响，且在钢丝绳检测领域中很少有钢丝绳受力大小对其磁化效应影响的研究成果。本次研制将碟簧应用于塔吊钢丝绳报警器中，与市场上其他报警器相比具有一定优越性，还可在一定程度上弥补以上2种常用装置的不足。

本次研制的塔吊超载报警器属于测力传感式声光报警器，由碟簧、受力拉杆和报警电路等构件组成（如图1和图2所示）。当塔吊吊载重物时，钢丝绳逐渐被拉直，拉杆向下移动，碟簧被压缩，钢丝绳拉力转化为碟簧压缩变形量，压缩量与载荷有一定的比例关系，通过压缩量可控制开关的状态。在电路部分中，采用霍尔翼片开关和机械限位开关双重保护，并将其固定在底座上，随着碟簧的压缩向下运动。当载荷超过额定值，即达到限定压缩量时，开关动作，电路接通，报警器报警，从而达到对起重量超载进行限制的作用。该报警器应用碟簧完成了从抽象拉力到可测量压缩变形量的转化，目前市场上的报警器很少具有该功能。

2 碟簧的力学特征

碟形弹簧简称“碟簧”，是在轴向上呈锥形并承受负载的特殊弹簧（如图3所示）。国标GB/T 1972—2005规定了它的技术要求。其可分为三类，按其外径D和压平时的高度h0与厚度t的比值D/t、h0/t分成A，B，C三个系列，可以分别满足不同的需求（如表1和表2所示），又因其具有独特的优点而被广泛应用于钻机、模具、液压件和军工中。

将报警器固定于钢丝绳上，体积不宜过大。碟簧呈薄片形，非常适合轴向空间中较狭小的场合；碟簧的承载能力强，可在较小的变形条件下承受变化范围较大的载荷，适用于塔吊类高负荷机械。当将钢丝绳拉力转化碟簧所受压力时，由于碟簧的缓冲和减震能力较强，压缩量不会出现过大的波动，从而保证了测量结果的精确性。此外，碟簧负载变形曲线呈非线性关系，极限行程与厚度的比在不同数值范围内特性曲线的特点也不同。由于碟簧具有的固有特性，对于不同的钢丝绳，可选择不同的极限行程与厚度比来满足需求；按需要进行碟簧之间的组合，以得到不同负荷、非线性、渐增性、零刚度和负刚度的变形特性曲线；进行积木式的装配和更换，从而为维修、换装带来方便。现阶段，关于碟簧力学特性的研究已近完备，将其应用在报警器中不存在技术上的障碍。

3 碟簧压缩量计算

第二步，根据计算得到的碟簧压力数据，即碟簧载荷F，查询表3中的碟簧参数，初选碟簧为C系列的63×31×1.8×4.15.已知D/t=63/1.8=35，计算得出K1=0.69.应用式（3）计算碟簧压平时的载荷Fc，得出Fc=4.467 kN。

第三步，根据碟簧载荷F与碟簧压平时的载荷Fc的比值≈0.895，查单片碟簧特征曲线得f/h0=0.62，则f=0.62h0=0.62×2.35=1.457 mm。

第四步，按照总变形量fz1=5 mm所要求的组数i=fz1/f=5/1.457≈3.4，因此取4个碟簧组。未受负荷时的自由高度H（总）=i×[H0+（n-1）]=23.8 mm。理论压缩量为f（总）=i×f1=4×1.457=5.828 mm。最终确定如下组合：4个碟簧组，每组2个碟簧，总高度为24 mm，压缩量约为5.828 mm。

第五步，碟形弹簧校验。对于静载荷作用下的碟簧，通过校验f=h0时的应力σOM来验证碟簧的安全性。压平时的σOM应接近碟簧材料的屈服点σS，对于材料为60Si2MnA的碟簧，其屈服点的σS为1 400～1 600 MPa。通过计算，可以得出σOM的数值，σOM=1 000.26 MPa，符合要求，初选碟簧合适。

4 试验结果分析

试验用WDW200D万能材料试验机进行拉伸测试，测得在许用拉力下碟簧的实际均压缩量为5.75 mm，与理论值接近，并设定此值为极限压缩量，经反复拉伸试验，记录了当开关动作时的钢丝绳实际拉力和碟簧实际压缩量，具体数据如表4所示。

经计算，在5%误差范围内，达到最小破断拉力时的报警器报警的精度较平稳、可靠，运行效果较好，试验图如图4所示。

在实际应用中，需要根据钢丝绳的种类确定不同碟簧及其组合方式、数量、压缩量，并可对同一种钢丝绳进行批量生产。

5 结束语

通过以上分析计算和试验可看出，碟簧在塔吊超载报警器中的应用弥补了现阶段报警器的一些不足，其制作原理简单、操作方便、报警效果好、系统可靠性高，能有效防止塔吊工作中的钢丝绳超载，并执行报警监视。目前，该超载报警器处于试验阶段，属于国家级大学生创新性实验计划项目，希望社会各界人士能不断提出新的要求，我们将继续探索和完善碟簧在该报警器的应用，从而提高报警器的性能。

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〔编辑：张思楠〕

Abstract： In an important period for China's economic development， with the increasing frequency of use of the tower crane （crane）， crane overload collapse accident also subsequently occurs frequently. This condition can be applied mechanics model developed a reliable， simple， inexpensive wire rope overload alarm， to ensure the safe operation of the tower crane. Therefore， application of disc spring in new type of alarm in the exposition， by comparing with the common alarm， analysis the superiority of the application of disc spring in alarm， and the relevant calculation of the disc spring， checking， selection and testing.

Key words： overload alarm； tower crane； wire rope； disc spring