一种岸边集装箱起重机拉板式重量传感器研发

阎旭文

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

岸边集装箱起重机(以下简称岸桥)超载保护一般包括吊具单角保护、吊具左右侧偏载保护以及总起重量保护。超载保护的核心检测元件是重量传感器，其数据测量的准确性和工作的可靠性决定了过载保护的性能，也在一定程度上影响着岸桥的作业效率。重量传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路3部分组成，主要分为压式、销轴式和拉板式3种类型。销轴式重量传感器已经成为岸桥项目的标配，近年来拉板式重量传感器开始在岸桥项目上使用，并引起岸桥设计人员的关注，特别是在测量拉力更直接、安装要求不高以及易于拆装等方面优势明显。

2 销轴式重量传感器

2.1 结构与工作原理

常用的销轴式重量传感器是一个中空的圆柱体，通常由优质不锈钢制成，具有一定的防锈和耐腐蚀性能。它由压力承载区、传感器支撑区和2个测量凹槽构成(见图1)。测量装置是由应变片组成的惠斯通电桥，安装在传感器内[1]。

1.支撑 2.卡板 3.放大器 4.信号输出 5.测量凹槽 6.应变片(内置) 7.钢丝绳滑轮图1 销轴式重量传感器的结构

传感器的中间部分为实际受力区域，即外力作用区域；传感器左、右两部分为支撑区。在外力作用下，2个凹槽处会产生剪力。2个凹槽受到剪力作用后，凹槽内的应变片发生形变(见图2)。由剪切应力引起的变形转换成与负载成正比的电信号[2-3]。

图2 应变片受剪力作用形变

2.2 典型安装与受力分析

在岸桥上，销轴式重量传感器主要有滑轮组和夹绳板2种安装形式。

滑轮组形式是当前的主流安装形式，主要由滑轮装配、轴套、自润滑轴承、卡板以及销轴式重量传感器等组成(见图3)。

1.轴套1 2.重量传感器 3.卡板 4.轴套2 5.滑轮 6.自润滑轴承 7.轴套3图3 滑轮组形式的安装图

滑轮组安装形式中销轴式重量传感器的受力见图4，钢丝绳力通过滑轮传导到轴套上，再通过轴套作用于传感器的受力面。在这个外力作用下，传感器的两凹槽处产生剪力，由剪力引起传感器内部应变片形变，输出与钢丝绳力成正比的电信号。

图4 滑轮组形式的传感器受力图

夹绳板形式是一种非主流安装形式，其结构主要包括夹绳板、传感器安装支架、卡板、轴套以及销轴式重量传感器等，具体安装形式见图5。

夹绳板形式的安装中销轴式重量传感器的受力见图6，钢丝绳力通过夹绳板作用在传感器上、下两部分。根据作用力与反作用力原理，在固定支架的传感器受力面上会受到一个同钢丝绳拉力大小相同但方向相反的力的作用，此力通过支架传导到轴套，再由轴套传导到传感器受力面，传感器两凹槽处产生剪力，由剪力引起传感器内部应变片形变，输出与钢丝绳力成正比的电信号。

图6 夹绳板形式的传感器受力图

2.3 缺点分析

销轴式重量传感器的工作原理和自身结构决定了其在实际使用中存在一些缺点，会造成传感器测量精度下降，甚至有因拆装不当直接造成传感器损坏的风险。

(1)传感器的输出实际上是通过外力在传感器上凹槽处产生的剪力来实现的，是间接测量的结果，传感器的线性误差会比较大。

(2)作用力在传感器受力面的不同分布，即同样的外力作用于受力面的面积不同，对剪切应力的影响非常大，会产生较大的测量误差。

(3)传感器左右两边支撑体的材质如果偏软、强度不够或者支撑体的宽度小于20 mm，都会导致传感器的测量精度下降；支撑体在长时间频繁受力后，会出现磨损，导致测量精度下降。

(4)传感器左、右支撑体的安装孔如果不同心，会造成安装困难并且容易造成传感器扭曲变形。

(5)传感器在安装时虽然加入了润滑油，但因润滑不充分，会发生“粘结”现象，从而导致传感器表面受损，甚至是损坏。

(6)在现场调试和设备使用过程中，卡板没有可靠固定，传感器在设备作业过程中发生销轴旋转和轴向移动，致使传感器定位不准，造成传感器读数不准。

3 拉板式重量传感器

3.1 结构与工作原理

拉板式重量传感器通常是由防锈、耐腐蚀的优质不锈钢或合金钢制成。测力点位于2个安装孔的中心(见图7)。拉力作用传感器后，应变片随弹性体的微变形而形变，桥式测量电路把这个应力转变为与负载成正比例的电信号。经过温度补偿、校准等工艺过程，由内置或外置的放大器将信号转变成需要的输出信号。

图7 传感器结构与受力

3.2 安装与受力分析

拉板式重量传感器安装形式采用“转向滑轮+夹绳板”形式(见图8)，安装结构主要由转向滑轮、夹绳装置、拉板式传感器、十字接头、固定板装置、连接销轴、卡板以及垫圈组成。转向滑轮与夹绳板联合使用可以有效避免传感器受扭矩和弯矩的作用。

1.固定板装置 2.十字接头 3.重量传感器 4.夹绳装置 5.销轴 6.卡板 7.垫圈图8 夹绳板形式的安装图

夹绳板形式的安装受力见图9，钢丝绳拉力是通过夹绳板和销轴直接作用在传感器上，传感器的弹性体受拉力作用产生形变，位于拉板中心的应变片随弹性体形变而变形，直接输出与钢丝绳拉力成正比的电信号。

图9 夹绳板形式的传感器受力图

3.3 优点分析

从安装使用的角度而言，拉板式重量传感器具有如下优点：

(1)传感器的输出信号实际上就是钢丝绳力直接作用在传感器上，使弹性体上的应变片随弹性体形变产生的，是直接测量的结果，传感器的线性误差小。

(2)安装与拆卸简单，如需拆除更换，无需特殊工具和较长的时间，同时也不会发生因拆装不当造成传感器损坏。

(3)除了要注意安装孔和连接销轴的配合公差以及要避免让传感器受到扭矩和弯矩作用外，对装配件的制作和安装并没有太多严格的要求。

(4)新岸桥投产后，传感器运行稳定，在使用中没有发生需要不定期重新标定重量传感器的问题。

4 结语

超载保护对于岸桥起着至关重要的安全保护作用，作为超载保护核心元件的重量传感器，拉板式传感器与销轴式传感器相比，具有比较明显的技术优势。从安装要求角度而言，销轴式传感器对装配件制作和安装要求高，且测量精度受安装影响很大；拉板式传感器安装要求相对较低，且测量精度受安装影响小。从维护保养的角度而言，拉板式传感器在拆装的便捷性上优势明显，但其成本稍高，约是销轴式传感器的1.1～1.3倍。鉴于以上分析，对港机终端用户而言，从性价比、安装难易程度和维护便捷程度等方面综合考虑，拉板式重量传感器是更优的选择。