一种新型汽车起重机力矩限制器的研制

1前言：
由于汽车起重机经常工作在复杂恶劣的环境中，若发生事故，会造成生命财产的重大损失。为保证其安全作业，力矩限制器就成为非常重要的保护装置。现今常用的机械式汽车起重机力矩限制器其重量检测部分通常分为钢丝绳取力和变幅油缸取力两种。前者直接使用传感器在钩头钢丝绳上测得钢丝绳所受拉力，按钢丝绳受力与吊重物的正比关系就可以得到重物重量，数据处理过程方便。但由于汽车起重机自身的工作特性，测力传感器很容易发生损坏，影响正常工作。变幅油缸取力的方法为使用两个油压传感器分别测得上下油缸的油压，得到压力差值，然后结合起重机的其他结构参数按一定的公式算得吊重重量,采用这种方法就必须建立准确的汽车起重机数学模型。基于第二种测上下油缸油压差的方法，本文介绍了一种新型汽车起重机力矩限制器及其数学模型，并根据现场实测数据对模型进行了误差分析。

2 系统硬件结构：
本系统硬件结构如图1所示。分为信号采集、数据处理、参数输入及显示、报警制动保护四个部分。
1） 信号采集部分负责采集模拟量信号和开关量信号。模拟量信号有长度传感器信号、角度传感器、变幅油缸上、下腔油压传感器信号，这些传感器信号均为4－20mA电流信号，经过转换成为0－4V电压信号后送到A/D转换芯片TLC2543测量。高度限位传感器为开关量信号，这个信号经过光电隔离后送到单片机W78E516处理，用以防止起重机吊钩过卷。
2） 数据处理部分的核心为单片机W78E516，各模拟量及开关量信号经过处理后送入单片机，结合汽车起重机的工作状况和结构参数，W78E516计算并显示出起重机的臂长、仰角、载重、力矩百分比等参数；判断是否有报警及制动保护信号，并作出相应处理。通过键盘输入的各项参数也由W78E516处理，并存入可掉电保存的eeprom芯片24C256中。
3） 参数输入及显示部分由薄膜键盘及精电MGLS-240128T图形字符混和液晶显示器组成。通过键盘可以方便地对起重机的各项结构参数、报警参数等进行设置。240×128点阵的大屏幕液晶显示器可对起重机的臂长、仰角、载重等各项参数进行显示。具有良好地人机操作界面。
4） 当汽车起重机处于危险操作状况时，报警制动保护部分会为操作员提供声光预警。当情况紧急时，制动保护部分会强制停止危险操作，以保证起重机的安全。

3 系统软件流程
系统软件流程如图2所示。开机后首先进行硬件自检，对内存、掉电保护存储器24C256、各模拟量、开关量I/O口进行检查，如果出现硬件故障，则以相应代码进行报警。硬件自检通过后，程序以循环扫描的方式运行。首先读取键盘参数、起重机结构参数以及各传感器信号；然后由数据处理部分根据各个参数以及汽车起重机的数学模型进行计算处理，将计算得到的结果及相应参数显示在液晶显示器上；最后判断是否有报警，若有报警则进行相应报警及制动保护。

4 汽车起重机数学模型
由于汽车起重机的机械结构复杂，当采用取上下油缸压力差的方法测载荷时，数据处理需要结合起重机的数学模型进行，因此，只有建立适合起重机作业现场使用的准确简洁的数学模型，才能既准确快速测量起重机的载荷，又能在调试时快速方便。以下介绍一种数学模型的建立，并结合现场实测数据对该模型进行分析。

如图3所示O为主臂铰点的中心，C为主臂起升滑轮与起升钢丝绳切点，B为变幅油缸上铰点，D为变幅油缸下铰点；OA为主臂臂长，BD变幅油缸长度，AC为起升钢丝绳长度，OC为主臂铰点到起升滑轮与钢丝绳切点距离；α角为主臂与水平面夹角，γ角为OC与水平面的夹角；mg为重物重量,N为主臂自重，T为起升钢丝绳拉力。
由图3的进行分析可得：

5 调试方法
第一步：测量起重机各个结构参数并输入系统。
第二步：空载调试。空载调试时，根据起重机性能表，在臂长固定在某一值的情况下使主臂不吊重物做匀速圆周运动，记录下各个角度下的上下油缸传感器的空载电流差值。由于汽车起重机运行过程中臂长和仰角均是变化的，所以需记录多节臂长下的空载电流值，中间臂长的空载电流值以线性插值推得。
第三步：传感器重量系数k调试。起重机起吊一标准重块，在某一臂长和角度下记录上下油缸传感器的电流差值，然后根据公式1算得重量系数k。
起重机运行过程中，系统根据测量到的臂长、仰角、上下油缸传感器信号差值，结合公式1即可算得所吊重物的重量。

6结语
本汽车起重机力矩限制器软硬件都经过了严格的实验室检测及现场考验，现已在深圳、广州等地小批量安装，现场使用已有两年，状态良好，得到了用户的好评。
本系统使用上述简洁的数学模型及调试方法，既大大减少了调试时间，又保证了系统准确可靠的运行，根据现场调试结果，误差可以控制在2％以内，总的来说，取得了良好的效果。