CN100526195C - 绳索式或链式滑车组和用于确定其提升重量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绳索式或链式滑车组和用于确定其提升重量的方法。所述绳索式或链式滑车组包括一具有至少一个轴的提升传动装置和一提升重量测量装置。为了尽可能精确地和在必要时与绳索系绕无关并且不需要附加结构高度地确定提升重量，所述提升重量测量装置具有至少一个传感器，用以检测由提升重量引起的轴的变形，并且检测到的变形作为确定提升重量用的数值计入。

Description

绳索式或链式滑车组和用于确定其提升重量的方法

技术领域

本发明涉及一种起重机，特别是绳索式或链式滑车组，包括一具有至少一个轴的提升传动装置和一个提升重量测量装置。

背景技术

起重机，例如绳索式或链式滑车组，具有一预定的使用寿命，其取决于载荷和载荷频率分布。并且起重机的经济应用要求其达到一高的负载饱满程度。为了在每年确定剩余使用寿命，至少需要关于工作小时数和载荷频率分布的数据。

先前对用于确定工作小时数和载荷频率分布所需的数据是进行人工记录或估计。但这是耗费很大的和不精确的。因此为了自动计算工作小时数，开发了相应的方法和装置，即所谓工作小时记数器。用于监控起重机的相应的方法和装置例如由DE 195 14 050 C2、DE 196 17105C2、DE 199 23 824 C2、DE 199 56 265 A1和DE 40 38 981 A1是已知的。

监控数据按该方法并且利用其装置自动地检测、在必要时存储并且经由显示再现，其中不仅装置本身而且显示器通常都设置在起重机中。为此已知，或者是人工肉眼读出显示值或者是借助所设的接口和相应的阅读机电子式读出数值。

除工作小时数外还要记录载荷频率分布。为此必需确定提升重量。

提升重量测量还有助于安全性，因为起重机按一最大提升重量设计，不允许其超过该最大提升重量。

为了避免起重机的这样的超载，例如由DE 34 42 868 A1已知，采用极限开关，它在超过预定的对应于最大载荷的弹簧力以后使起重机停机。在这种情况下虽然确保了起重机的工作安全性，但不可能直接测量实际上的提升重量。

因此为了对提升重量进行实际的测量，常常采用具有测量元件如电阻应变片的提升重量测量装置，其通过测量片的延伸可以确定实际的提升重量。并且通常还将其与极限开关相组合。

但传统的装置具有一系列的缺点。它们耗费是很大的和昂贵的。电阻应变片通常并不直接受全部的提升重量的作用，而是其在机械上例如经由适当的杠杆被减小。而这会造成结构尺寸的加大、特别是结构高度。此外仅仅是测定作用在绳索股(或链条)上的力，这个力取决于绳索的系绕(Einscherung)，因而在提升重量的绝对测定中必须考虑到这一点。在该装置中，没有系绕绳索也不可能测量，因为是在受载股中进行测量的。因此总体上必须麻烦地进行提升重量测量的信号和情况的评价(分析)，这要求有一用于评价(分析)的专用电子系统，以便得到所要求的精度。

由德国实用新型DE 203 00 942 U1已知一种力接收器(感受器)用以测量轴受力，其基本上横向作用到一轴上。一种这样的力接收器可以例如用于测量作用到一绳轮上的力，以便防止绳轮或所配置的装置超载。力接收器基本上具有一纵长延伸的轴体，它在称为力导入区的第一部分用于支承绳轮。在该第一力导入区上分别在两侧连接两个力测量区，力测量区具有一小于力导入区的直径以及连接到其上的支承区。在支承区的范围内轴被支承于相应构成的各颊板中。在力测量区设有横向于轴的纵向延伸构成的盲孔，在其中安装电阻应变片。这些盲孔分别向外那边用一盖密闭地焊上，因此力测量系统不受环境影响。由于冗余原因，在关于绳轮对置的各力测量区内分别设置一个包括电阻应变片的盲孔。经由各电阻应变片可以在力测量区的范围内测量轴体材料的拉力、延伸和剪切。然后求得的测量信号可以给予关于绳轮载荷的启示。

此外，由德国专利DE 195 12 103 C2已知一种具有工作数据检测的钢绳(绳索)绞车。除转数测定/和转向测定外，经由转矩传感器也测量钢绳绞车的载荷。该钢绳绞车的基本特点是其具有单面的罐状支承座，用于容纳一液压马达并且伸进钢绳绞车的绳索卷筒内。液压马达的输出轴经由一传动装置作用到钢绳绞车的绳索卷筒上。在固定的罐状支承座的外圆周上设置电阻应变片形式的转矩传感器，借其可以根据支承座的变形测量钢绳绞车的载荷。

此外，由德国专利DE 35 17 849已知一种用于汽车的一转向轴或一传动轴的转矩传感器。该轴由一铁磁材料或一覆有铁磁材料膜的非铁磁材料制成。转矩传感器通过探测轴的导磁率非接触式地测量施加到轴上的转矩。转矩传感器为此具有一励磁绕组装置，其包括两个励磁线圈和一具有两个传感器线圈的传感器绕组装置。由于以交变电流工作的励磁线圈的磁通量通过轴，在传感器线圈中产生的电信号取决于轴的导磁率并从而取决于施加到轴上的转矩。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种具有提升重量测量装置的起重机和一种用于确定起重机提升重量的方法，其中尽可能精确地和结构上简单地实现提升重量的确定。并且结构设计应该不需要空间或只需要尽可能小的空间。提升重量测量装置也应该是可靠而便宜的。此外测量应该能够不需系绕绳索(Einscherung)或与系绕绳索无关地进行。

为此，本发明提供一种绳索式或链式滑车组，包括一具有至少一个旋转的轴的提升传动装置和一个提升重量测量装置，其特征在于，所述提升重量测量装置具有至少一个传感器，在所述提升传动装置内部用以检测由提升重量引起的轴的变形，并且检测到的变形作为确定提升重量用的数值计入；并且，所述传感器测定轴的扭转；所述传感器测定转矩，以检测轴的变形，所述轴在与传感器对置的范围内具有至少一个永久磁化的区域，其中磁化是沿轴轴线的方向依纵向定向的并且在该范围的外面产生一个磁场，该磁场在相对于轴轴线而言的周向具有一磁场分量并且由传感器对其检测，并且，所述轴是传动装置的直径最小的轴。

本发明还提供一种用于确定上述绳索式或链式滑车组的提升重量的方法，其中，在所述绳索式或链式滑车组的一个提升重量测量装置中，对提升传动装置的一根旋转的轴的由提升重量所引起的扭转进行检测，并且该扭转作为确定提升重量用的数值被计入。

提升重量测量装置具有至少一个传感器，用以检测由提升重量引起的轴变形，并且检测到的变形作为确定提升重量用的数值计入，从而，可以特别精确地测定提升重量。在其上进行测量的轴也可以设置在提升卷筒或其他的构件上，这些构件由于提升重量而变形。不过传动装置特别适合，因为在那里各轴具有小的材料强度，这有利于提高测量的精度和速度。并且由于是在传动装置内部进行测量，因此不需要用于测量装置的附加的占用空间并且还使其受到保护。此外，利用本发明的提升重量测量装置，测量直接通过在绳索上的吊钩进行也是可能的，亦即不需系绕绳索，因为测量不必布置在绳索固定点上。

此外，本发明通过省去在其他情况下通常用的杠杆机构，而可以便宜地制造测量装置。并且该装置是无磨损的，因为各部件与运动的构件不必发生任何的接触。特别是本发明能够通过测量信号的解读很充分地了解起重机的静力学和动力学情况，并且能够广泛达到监控起重机的可能性。

作为变形可以特别考虑轴的扭转，因为这种变形方式在轴受提升重量载荷时作为主分量出现。

本发明基于这样的理解，即，轴在受载的状态下同时倾向于变形，亦即基本上倾向于扭转或扭绞。可以确定这种绕轴的纵向或轴向轴线的角偏移并且用作为作用力的量度。

理想地，由各个传动轴传递的转矩除固定的几何尺寸外只取决于吊钩上悬挂的载荷。但只适用于静止的或均匀运动的情况。不同于此，在加速运动时，对于在绳索卷筒上转矩的产生必须对此加以考虑。同样必须考虑基于摩擦的效率(例如由于绳索刚度和支承摩擦)，其在不同的旋转方向分别具有相应的符号(如正、负)。

传递的转矩使轴依其几何形状和材料特性发生变形。轴的变形和在此特别是扭转因此对应于被传递的扭矩。

用于检测变形、特别是扭转的传感器可以直接或间接确定角偏移或扭转。

测定轴的转矩的传感器是特别适用的，因为它们是已知的并且可大量供给使用。由转矩可以算出扭转时产生的角偏移。

传感器宜磁致伸缩式工作。为此由传感器检测的轴的区域有一确定取向上的永久磁化。有利地，沿轴的纵向方向实现定位。这样的磁场由构成为磁场传感器的传感器检测。如果现在轴在载荷作用下被变形或扭绞，则轴的磁场由于其变形和/或扭转而改变。这种效应称为磁致伸缩。可以通过传感器检测这种变化并且由此经由检测到的变形确定提升重量。

为此，轴有利地在对置于传感器的范围内具有至少一个永久磁化的区域，其中磁化基本上沿轴轴线方向纵向定向并且在该范围的外面产生磁场，该磁场在关于轴轴线的周向(外周方向)具有一磁场分量并且由传感器对其检测。轴中的永久磁化人为地产生。

对于这些传感器，轴优选在对置于传感器的范围内具有第一和第二区域，它们绕轴轴线成环形设置，其中第二区域从第一区域径向向内定位，且其中的一个区域具有永久磁化，它沿轴轴线的方向纵向定向并且另一区域为由上述的一个区域产生的磁通提供磁通回路，其中所述的一个区域在该范围的外面产生磁场，该磁场在关于轴轴线的周向具有一磁场分量。

相应的磁化的轴例如由EP 1 203 209 B1是已知的。

上述的轴变形通过待提升或待下降的载荷根据磁致伸缩效应又引起正比于变形的磁特性的变化或轴中施加的磁场的形状变化。所述磁特性的变化或者轴中施加的磁场的形状变化可以借助一传感器探测，该传感器具有例如一个或多个同轴的和对称的以等间距设置的专用线圈。因此磁特性的变化由传感器或线圈检测并转换为电信号。一相应的电子系统处理该信号并对其评价(分析)。代替线圈，该传感器也可以具有其他的磁场灵敏的探测器，例如按霍尔效应原理的半导体传感器、电阻传感器、维刚德(Wiegand)效应导线(维刚德磁双稳元件)和脉冲导线或舌簧开关。

有利地，传感器非接触式工作，从而将磨损现象和污物的干扰减至最小。

为了传感器在轴上的最佳设置，在一实施形式中，一个轴设有至少部分地包围该轴的支撑。因此在轴的对置的两侧上可以设置例如两个磁场灵敏的探测器或线圈，从而得到两个测量信号，借其实现精确地测量并在必要时对来自周围影响的信号进行校正。

若在每一范围各设置2至8、特别是2、4或8个磁场灵敏的探测器或线圈，它们均匀地在该范围设置，则得到特别精确而可靠的结果。然后特别是还对传感器或线圈进行冗余的布线(redundanteVerschaltung)，或者进行其信号的评价(分析)。

所述支撑固定在传动装置壳体内和/或其上。

有利地，将传动装置的直径最小的轴用于测量。

为了处理传感器的原始信号，设置一信号处理装置。在这方面可以涉及一单独的装置。不过优选它是在起重机的控制电子系统中存在电子系统，例如用于评价(分析)的微处理器等。借此节省附加的部件，这是维护、简化构造和设计以及减少误差发生可能性方面所期望的。

附图说明

本发明的其他的特征、优点和细节得自以下附图的描述。其中：

图1  有提升装置和吊钩的单轨起重小车，其中传动装置机壳是打开的；

图2  图1中传动装置的放大视图，其中机壳是打开的；

图3  图2中的传动装置中间轴，带有转矩传感器。

具体实施方式

图1示出整体用10标记的单轨起重小车，其包括一支架11和一在其上固定的提升装置(即绳索式或链式滑车组1)。为了在一未示出的导轨的下翼缘上移动，单轨起重小车10具有四个滚轮12，它们分别成对地对置并且其中一对由电机13驱动。

所述提升装置包括一绳索卷筒6，它由电机5经由一传动装置4驱动，其中传动装置4设置在绳索卷筒6的一侧并在另一侧设置一控制电子系统8。传动装置4在其一个传动中间轴上有一用于提升重量测量的传感器9。

围绕绳索卷筒6卷绕着绳索7，绳索7经由一导向轮14和一带有吊钩3的下滑轮2延伸。一在吊钩3上悬挂的载荷通过绳索7在绳索卷筒6上的卷绕或退卷由电机5的相应控制而上升或下降。

在吊钩3上悬挂的载荷因此依据相应的静力的和动力的状态以及所采用的绳索系绕以及几何尺寸在绳索卷筒6上产生一转矩。该转矩通过传动装置4以各中间轴的相应的传动传到电机5上。如果电机5产生相同的转矩，则载荷保持不动。如果电机产生较大的转矩，则提升载荷。如果电机产生较小的转矩，则相应地降下载荷。

图2示出提升装置的传动装置4的放大图，其中机壳15被打开。电机5经由一相应的电机小齿轮16、一中间轴17和另一接着的中间轴18驱动一输出轴19和其上的绳索卷筒6。各个轴17、18和19分别具有一用附加字母“A”标记的支承(轴承)和一用附加字母“B”标记的齿轮。各齿轮用于将旋转运动从一个轴传到相应的下一个轴上。

在中间轴17上设置传感器9。传感器9包括一圆形的固定件20，在其上连接一折弯的臂21，臂21过渡到一支撑22中。传感器9经由固定件20固定在未示出的壳体盖上。

U形的支撑22部分地围绕中间轴17，中间轴在该范围17C内具有一沿轴轴线的方向纵向取向的永久磁化。在传感器9的部分地围绕中间轴17的支撑22中设有多个传感器线圈作为磁场灵敏的探测器。

由图3可清楚地看出中间轴17与传感器9。传感器9的支撑22包括多个线圈23。这些线圈23是实际的磁场探测器，并分别设置于支撑22中，支撑包围着中间轴17的永久磁化的范围17C。在所示的实施例中设有八个线圈23，其中在范围17C的每一侧分别设置四个线圈，它们又分成各两对。各线圈23分别相互冗余地接线并且其信号经由一导线24被导向一信号加工和处理装置25。后者可以例如设置在或结合于提升装置电子系统8中。

中间轴17的范围17C的永久磁化或其磁场或其取向的变化可以在轴外面借助这些专用的高灵敏度的线圈23和相应的电路进行测量。

理想地，由各个传动轴传递的转矩除与固定的几何尺寸有关外，只取决于吊钩3上悬挂的载荷。

但这只适用于静止的或均匀运动的情况。不同于此，在加速运动时，对于在绳索卷筒6上转矩的产生必须对此加以考虑。同样必须考虑基于摩擦的效率(例如由于绳索刚度和支承摩擦)，其在不同的旋转方向分别具有相应的符号(如正、负)。根据所要求的精度和具体情况在信号处理装置25中考虑这些参数。

由此，在利用传动中间轴17在载荷作用下的变形来确定提升重量时，可以考虑其扭转、弯曲和拉压变形。在这方面可以输入传感器或线圈23的数目、设置和布线情况以及评价方式(分析模式)。在确定轴17的扭转时考虑轴的材料(弹性模量E、剪切弹性模量和横向收缩)和几何形状。在确定传递的转矩时还将传动级和考虑到支承(轴承)中和密封和齿轮啮合中摩擦以及考虑到传动装置4中油粘度的效率计入信号的评价中。在确定绳索卷筒6上的转矩中还另外将例如在绳索卷筒6的支承(轴承)和卷筒直径上的摩擦计入评价中。为了最后算出提升重量，还计入其他的参数，例如绳索牵引力、绳索系绕、绳索几何形状、静力学、动力学和效率(例如绳轮的摩擦损失)以及重力加速度。

根据所要求的精度，可以不考虑一些参数。这特别是弯曲和拉压变形、支承(轴承)中和密封和齿轮啮合中的摩擦以及传动装置中的油粘度在温度变化时的变化。

Claims (15)

1.绳索式或链式滑车组(1)，包括一具有至少一个旋转的轴(17)的提升传动装置(4)和一个提升重量测量装置(9、17、23、24、25)，其特征在于，所述提升重量测量装置具有至少一个传感器(9、23)，在所述提升传动装置(4)内部用以检测由提升重量引起的轴(17)的变形，并且检测到的变形作为确定提升重量用的数值计入；并且，所述传感器(9)测定轴(17)的扭转；所述传感器(9、23)测定转矩，以检测轴(17)的变形，所述轴(17)在与传感器(9、23)对置的范围(17C)内具有至少一个永久磁化的区域，其中磁化是沿轴(17)轴线的方向依纵向定向的并且在该范围(17C)的外面产生一个磁场，该磁场在相对于轴(17)轴线而言的周向具有一磁场分量并且由传感器(9、23)对其检测，并且，所述轴(17)是传动装置(4)的直径最小的轴。

2.按照权利要求1所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，所述传感器(9、23)为一磁场传感器。

3.按照权利要求2所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，所述传感器(9、23)磁致伸缩式工作。

4.按照权利要求1至3之一项所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，所述传感器(9、23)非接触式检测变形。

5.按照权利要求4所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，轴在与传感器对置的范围(17C)内具有第一和第二区域，这两个区域绕轴(17)的轴线成环形设置，其中第二区域从第一区域沿径向向内定位，且其中的一个区域具有永久磁化，它沿轴(17)轴线的方向依纵向定向并且另一个区域为由所述的一个区域产生的磁通提供磁通回路，其中所述的一个区域在该范围(17C)的外面产生一个磁场，该磁场在相对于轴(17)轴线而言的周向具有一磁场分量并且由传感器(9、23)对其检测。

6.按照权利要求1所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，为了传感器(9、23)在轴(17)上的设置，设有一至少部分地包围该轴的支撑(22)。

7.按照权利要求6所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，所述支撑(22)固定在传动装置壳体内和/或上。

8.按照权利要求2所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，在传感器(9)中，每一范围(17C)各设置2至8个磁场灵敏的探测器，它们均匀地在该范围设置。

9.按照权利要求1所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，传感器(9、23)是冗余布线的。

10.按照权利要求1所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，设有一个用以处理所述传感器(9、23)的信号的信号处理装置(25)。

11.按照权利要求10所述的绳索式或链式滑车组，其特征在于，所述信号处理装置(25)设置于所述绳索式或链式滑车组(1)的控制电子系统(8)中。

12.用于确定按照权利要求1至11之一项所述的绳索式或链式滑车组的提升重量的方法，其中，在所述绳索式或链式滑车组(1)的一个提升重量测量装置(9、17、23、24、25)中，对提升传动装置(4)的一根旋转的轴(17)的由提升重量所引起的扭转进行检测，并且该扭转作为确定提升重量用的数值被计入。

13.按照权利要求12所述的方法，其持征在于，通过一非接触式工作的传感器(9、23)来检测扭转。

14.按照权利要求12或13所述的方法，其特征在于，借助磁致伸缩效应来检测扭转。

15.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，通过转矩来检测扭转。

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