铁路桥式起重机限重传感器的研制与应用

李 诚 上海新海信通信息技术有限公司

1 引言

起重机械在国民经济生产中起到极其重要作用。每台起重机械根据用途不同，允许的最大起重重量也不同。为了保证起重机械和人身安全，在每台桥式类型起重机和升降机等设备上均安装有起重机限重器。当起重机起吊的物体超过限重值时，限重传感器检测的信号控制起重机自动停止工作，及时防止事故的发生。

2 现状分析

由于目前使用的限重传感器是圆柱体，两端分别有防转定位凹面，上面压上定位板，防止传感器转动和串动。但由于传感器安装在吊机最上方，又有振动，会使定位板脱落等情况，造成传感器发生串动发生事故。

图1 限重传感器安装在起重机上位置图

图1 为限重传感器安装在起重机上位置图。它是一种柱状传感器，穿入固定支座孔内，传感器中间固定钢丝绳拉力支架，用于传递钢丝绳拉力至传感器受力面上。

目前使用的限重传感器是圆柱体（如图2 所示），两端分别有防转定位凹面，上面压上定位板，防止传感器转动和串动。但由于传感器安装在吊机最上方，又有振动，会使定位板脱落等情况，造成圆柱体传感器发生向左或者向右串动，从而引发事故。

3 新型限重传感器工作原理

设计一种新型限重传感器替代目前机重机限重传感器，它具有精度高(千分之一) ，安装方便，专门设计的固定式定位板具有防转动定位等特点。

图3 新型限重传感器结构示意图

新型限重传感器结构示意图如图3 所示，图4 是传感器三视图。它由限重传感器、运算放大器、控制执行器和载荷指示计等部分组成。超载限制器是由传感器、运算放大器、控制执行器和载荷指示计等部分组成。WTAU 起重机限重器将显示、控制和报警功能集于一身。当起重机起吊物品时，限重传感器产生变形，把载荷重量转化为电信号，经过运算放大，指示出载荷的数值。当载荷达到额定值的90%时，发出预警信号；当载荷超过额定载荷时，切断起升机构的动力源。

图4 传感器三视图

限重传感器采用高精度电阻式应变片为敏感元件，具有精度高、稳定性好、温度系数低等特点。该拉力传感器结构采用矩形工字梁结构，剪切力在工字形截面中的应力分布比较均匀。电阻应变片粘贴在拉力传感器中部的盲孔中部，其四个应变片的电阻变化基本相同。这大大提高了传感器的线性，因此传感器比较容易做成较高的精度。

4 结构设计

限重传感器基本原理类同于一般应变式传感器，但这里采用了二个双应变片的电阻应变片，粘贴在盲孔的两侧。半桥型应变片如图5 所示。

图5 半桥型应变片

传感器在工作时，应变片中R1如受正剪切力，那R2亦受负剪切力，而另一个双应变处事中的R3受正剪切力，R4受负剪切力，如图6 所示。

图6 工作电桥

当在1、3 端加上一个电压，则在2、4 两有一个正比力的电压输出。从图中可以看出这是一个圆柱型梁并在梁两端适当位置加工了两个盲孔，这样将圆形变成了工字梁，这一变化避免了矩形梁寄生应力，使应力的工字梁区均匀一致，这就大大提高了传感器的精度。

5 受力分析

①此传感器可简化成两端受力集中拉伸或载荷柱式梁，力学模型示意图如图7 所示。

图7 力学模型示意图

②中间受力载荷作用的柱式梁应力计算

③梁的剪应力及剪应变计算

工字梁结构的应变区位置及应力分布如图8 所示。

图8 工字梁结构的应变区位置及应力分布图

剪切梁传感器的一般均在应变梁的拐点E 处加二个盲孔，局部形成工字梁，其剪应力可用茹拉夫斯基公式进行计算：

式中：

剪切截面对中轴的静矩Sy：

剪切截面对中轴的惯矩Jy：

45°方向的主应力和主应变计算，沿梁中线轴成45°方向压力的长度变化，正是纯剪切力状态下的主应力方向，其主应力与最大剪切力，主应变与最大剪应变满足下列关系：

6 技术参数

传感器信号输出根据现场需要，可以做成电流输出或电压输出。输出信号经过专用屏蔽电缆送入变送器和控制器使用。技术参数如下：

额定载荷：20 t；

额定输出：1.0±0.1%mV/V；

零点输出：1.00%F.S；

滞后性：0.1%F.S；

综合误差： 0.1%F.S；

重复性： 0.1%F.S；

蠕变： 0.03%F.S；

绝缘电阻：≥5 000(100CDC)MΩ；

推荐电压：5 VDC～15 VDC；

工作温度：-20℃～+60℃；

材质：合金钢；

激励：+红；-黑；

信号：+绿；-白。

7 结束语

该限重传感器从根本上防止了由于限重传感器定位板松动后导致传感器串动并脱离吊具的重大事故发生。这种新型限重传感器没有改变主体结构尺寸，具有良好的互换性。该传感器通过规范的产品检测后可以快速安装替换现有传感器，从根本上解决限重传感器串动脱离吊机基座的问题。