基于光纤光栅应变传感器的液压驱动绞车缆绳张力监测

张钟文

（杭州应用声学研究所，杭州 310023）

0 引言

绞车是采用卷筒绕绳以提升、牵引重物的动力起重牵引设备。绞车一般采用滚筒式，用于拖曳、提升和收放负载，主要由驱动装置、工作装置和辅助装置3部分组成[1]。

1）驱动装置。用于驱动卷筒释放回收缆绳；动力有多种，如电动机、液压马达和气动马达等。

2）工作装置。在动力驱动下，绞车卷筒实现缆绳的释放和回收，达到对负载的收放；通常工作装置中还包括排缆装置等。

3）辅助装置。主要包括导向装置、各类传感器和刹车带等。

目前，针对钢丝缆绳张力的测量方法主要通过直接分析钢丝缆绳进行，包括标记法、串联弹簧测力计法、串接力传感器法、频率法[2]和3点弯曲法[3]等。本文基于安装在绞车刹车带上的光纤栅应变传感器的应变，根据试验数据得出光栅应变差值与液压马达压差之间的数学关系，用于任意载荷情况下，监测绞车上的缆绳张力。

1 刹车带张力监测原理

光纤光栅传感器是一种性能优异的新型传感器，其拥有体积小、易埋入、灵敏度高、耐腐蚀、与复合材料相容性好、抗电磁干扰能力强和容易实现分布式测量等优点，非常适用于刹车带在任意载荷下的应变测量。在相同条件下，FBG传感器对沿轴向方向的应变比径向方向的应变更敏感，故在实际应用中，只考虑FBG传感器的轴向应变[4]。

系统结构组成和工作原理如图1所示。

图1 张力监测系统结构组成和工作原理

由于液压驱动的绞车张力和刹车带被测点的应变之间不一定存在规则的曲线关系，因此需要用光纤光栅应变传感器测量刹车带的应变。同时，根据液压马达驱动绞车的特性，即马达压差与绞车张力呈线性关系[5]，推断出刹车带的应变与马达压差的关系。

刹车带的应变测试点有3个，分别位于刹车带紧边、刹车带中点和刹车带松边。光纤光栅传感器布置见图2。传感器安装示意图如图3所示。

刹车带张力标定理论计算如下：

1）马达输出力矩

马达排量按Vg＝500 mL计算，按马达力矩输出公式，计算为

式中：Vg＝500 ml；ΔP为马达A、B口的压差，MPa；σmh为马达的机械液压效率，取0.95；T为马达输出扭矩，N·m。

图2 传感器布置示意图

图3 传感器安装示意图

最后得出式（2）：

2）马达折算到减速机的输出扭矩

式中：i为减速比，取387.9；σ为减速机的效率，取1（保守计算）。将式（2）代入式（3），得

式中：T′的单位换算成kN·m。

3）刹车带张力

假设卷筒的力矩全部由刹车带平衡，刹车带的作用力臂R＝0.69 m，因而可以得到刹车力：

式中：F为刹车带张力，kN。刹车带的设计最大制动力750 kN，代入式（5）得

为保证试验安全，按最大压差10 MPa进行初步试验，系统最大压力为12 MPa。试验时，调整系统压力，使得压差按约0.5 MPa递增。

液压马达进行加载时，向释放方向加力，记录马达A、B口的压差，根据式（1）～式（5）换算成刹车带的刹车力，再进行标定。拟在小压差时采用泵控的方式进行加载，大压差时采用马达B口安全溢流阀进行溢流加载，进而改变马达A、B口的压差，从而实现刹车力值的改变。加载时，马达A、B口的压力数据和当次加载的应变数据一一对应，最后根据压差和应变测量值得到二者之间的关系。

2 试验结果

依据拖曳张力监测验证试验思路，在小压差时采用泵控的方式进行加载，大压差时采用马达B口安全溢流阀进行溢流加载，进而改变马达A、B口的压差，可实现马达A、B口的压力数据和当次加载的应变数据一一对应，试验数据如表1所示。

表1 传感器应变与马达压差试验数据

压差和应变差关系如图4所示，图4中实线代表真实数据对应点其中横坐标代表刹车带紧变与松边的应变差，纵坐标代表马达压差，虚线代表应变差与压差的关系拟合曲线。

图4 马达压差与传感器应变差关系曲线图

3 结论

1）对液压驱动绞车缆绳张力监测方法进行探索，通过马达压差与传感器应变的初步试验结果，探索一种间接监测绞车缆绳张力的方法。

2）研究结果表明：刹车带紧变与松边的应变差与马达压差基本呈线性关系。可通过刹车带紧变与松边的应变差得出相应的缆绳张力，并将其应用于液压驱动绞车缆绳张力的监测。