CN101348216A

CN101348216A - 一种起重机安全保护系统及其起重机

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Publication number: CN101348216A
Application number: CNA2008102121217A
Authority: CN
Inventors: 周斌; 部小平; 罗军
Original assignee: Hunan Sany Hoisting Machinery Co Ltd
Current assignee: Sany Automobile Hoisting Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: CN101348216B

Abstract

本发明公开一种起重机安全保护系统，包括若干传感器、控制器以及保护动作执行机构；所述传感器实时检测起重机的工作状态并传送给控制器；根据传感器的检测数据，控制器计算当前工作状态下，起重机各个特性确定的最大允许载荷；比较上述与起重机各个特性相关的最大允许载荷，取其中最小值并取预定的设计余量后，获得额定工作载荷G额定；根据传感器数据，计算获得当前的实际吊重；将实际吊重和所述额定工作载荷相比较，若超过预设的安全范围时，则所述控制器发出限制起重机向危险方向运动的安全保护控制信号；所述保护动作执行机构根据上述安全保护控制信号限制起重机向危险方向动作。本发明同时提供一种使用上述安全保护系统的起重机。

Description

一种起重机安全保护系统及其起重机

技术领域

本发明涉及起重机安全技术，尤其是涉及一种起重机安全保护系统。本发明还提供一种使用上述系统和方法的起重机。

背景技术

起重机是常用的工程机械，其主要作用是起吊重物。起重机均具有可抬起、旋转的吊臂，并且大多数吊臂都是可伸缩吊臂，进行起吊作业时，起重机吊臂需要承受位于其前端的重物的重力，并且起吊的重物位置一般远在起重机底盘范围之外。由于上述原因，起吊重物的重量对起重机安全性有很大的影响。首先是该重物的重量过大时，有可能超过起重机吊臂的承受能力，导致起重机吊臂折断；其次是该重物产生的力矩对起重机产生倾翻力矩，若该倾翻力矩超过起重机的稳定力矩，则起重机就会倾翻。再次，重物产生的重量过大可能超过起重机伸缩油缸的承受能力，会导致起重机伸缩油缸失效。

由于上述起吊重量过大可能产生的严重后果，在起重机起吊作业中，操作者必须确保起重机的起吊重量不会超过一定的数值，该数值称为起重机的额定工作载荷。决定起重机额定工作载荷的因素很多，包括吊臂的工作幅度和吊臂伸出的臂长等两个吊臂工作状态参数。也就是说，吊臂工作中，处于不同的工作幅度和臂长，将会有不同的额定工作载荷。为此，现有技术下为该起重机设置了专用的起重机工作性能表，该起重性能表按照吊臂工作幅度和臂长两个工作状态参数，将起重机的工作状态分为与上述两个参数相关的若干个工作范围，为每个工作范围确定一个额定工作载荷，这样，操作者在操作过程中只要对应其吊臂工作状态，确保吊重不超过该表所确定的额定工作载荷，即可确保起重机的安全。下表就是起重机工作性能表的一个例子。

尽管上述表中仅仅通过吊臂工作幅度和臂长两个工作状态选取额定工作载荷，但是，额定工作载荷事实上还存在许多其它的约束条件，上述表中的数据是考虑了各种约束条件后，通过理论计算并结合实验验证获得的。

上表的内容可以存储在起重机的工作力矩限制器中，由工作力矩限制器读取相关检测元件检测获得的吊臂工作幅度和臂长等起重机工作状态参数，从该表选取当前工作状态下具体的额定工作载荷，并确保实际工作载荷不超过该额定工作载荷。

上述现有技术存在一些明显的问题。

首先，起重机的工作能力无法完全发挥。

当实际工作中吊臂工作幅度和臂长介于表中的数据段之间时，为了确保安全性，需要在其工作参数所处的范围中，选择较低的数值作为额定工作载荷。例如，当吊臂臂长为11米，吊臂工作幅度为3.5米时，根据上表，该吊臂的额定工作载荷选择为15000kg。可以看出，该数值和上一数据段(即臂长10.3米时)，对应的额定工作载荷25500kg的差距非常大。但是，为了安全性起见，必须选择该数值。这种选择方式造成起重机的工作能力无法完全发挥。

其次，采用上述现有技术，额定工作载荷存在明显的跳跃性，增加了对起重机的操控难度。同样根据上述例子，起重机的臂长为10.3米时，其可以选择25500kg作为其工作载荷，一旦超过了10.3米，就必须选择15000kg作为其额定工作载荷，由于起重机起吊过程中，其吊臂幅度和臂长往往同时变化，上述跳跃性使操控者常常无所适从，造成操控困难。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种起重机安全保护系统，该安全保护系统根据起重机的工作状态，可确定一个相对连续的起重机额定工作载荷曲线，供起重机安全保护使用。本发明同时提供一种使用该种起重机安全保护系统的起重机。

本发明提供的起重机安全保护系统，包括若干传感器、控制器以及保护动作执行机构；所述传感器实时检测起重机的工作状态并传送给控制器；所述控制器根据所获得的检测数据采用如下步骤计算起重机的额定工作载荷G额定；

根据上述传感器的检测数据，计算当前工作状态下，起重机各个特性确定的与特性相关的最大允许载荷；所述起重机各个特性确定的最大允许载荷，至少包括，起重机强度确定的强度最大允许载荷G_吊-强度、由起重机稳定性决定的稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}；

比较已经计算出上述与起重机各个特性相关的最大允许载荷，取其中最小值并取预定的设计余量后，获得额定工作载荷G_额定；

根据传感器数据，计算获得当前的实际吊重；

将实际吊重和所述额定工作载荷相比较，若超过预设的安全范围时，则所述控制器发出限制起重机向危险方向运动的安全保护控制信号；

所述保护动作执行机构根据上述安全保护控制信号限制起重机向危险方向动作。

优选地，所述传感器包括测量吊臂长度的长度传感器、测量吊臂角度的角度传感器、以及测量变幅油缸有杆腔压力的有杆腔压力传感器、测量变幅油缸无杆腔压力的无杆腔压力传感器。

优选地，所述起重机为具有伸缩吊臂的起重机，所述控制器首先根据传感器的检测结果判断吊臂是否伸出；若是，则计算与起重机特性相关的最大允许载荷时，包括计算起重机的伸缩油缸闭锁压力最大允许载荷G_{吊-伸缩油缸}。

优选地，所述传感器包括测量吊臂长度的长度传感器、测量吊臂角度的角度传感器、以及测量变幅油缸有杆腔压力的有杆腔压力传感器、测量变幅油缸无杆腔压力的无杆腔压力传感器；还包括专用于测量吊臂是否存在伸缩运动的吊臂伸出检测开关，以及触发该吊臂伸出检测开关的触发装置；所述控制器根据该吊臂伸出检测开关发出的触发信号，判断所述吊臂是否存在伸缩运动。

优选地，所述吊臂伸出检测为接近开关，该接近开关安装在基本臂末端位置，在吊臂的第二节臂上，对应该第二节臂完全缩回的状态，设置触发给接近开关的凸台。

优选地，所述强度最大允许载荷G_吊-强度采用以下方式计算获得：首先根据检测获得的吊臂伸出长度，判断吊臂伸出的节数，并相应计算各节臂受力截面的承受能力；以其中的最小值为依据，计算所述强度最大允许载荷G_吊-强度。

优选地，所述稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}，是根据传感器检测获得的数据，计算起重机的各方稳定性后，将其中最小的数值作为稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}。

优选地，所述将实际吊重和所述额定工作载荷相比较，具体是将实际吊重除以计算获得的额定工作载荷，获得工作力矩百分比；所述预设的安全范围，具体是该工作力矩百分比的一门限值。

优选地，所述吊重根据所述变幅油缸的有杆腔压力传感器和无杆腔压力传感器的检测值计算。

优选地，还具有显示器，该显示器用于显示与安全保护相关的信息。

本发明同时提供一种起重机，该起重机采用上述任一项技术方案所述的起重机安全保护系统。

与现有技术相比，本发明提供的起重机安全保护系统，采用相关的传感器实时检测起重机吊臂的工作状态参数，并根据检测获得的这些参数，计算起重机的不同特性确定的最大允许载荷；将各个特性确定的起重机最大允许载荷相比较，选择其中的最小值并取预定的设计余量后，获得最终的额定工作载荷。最后，将该额定工作载荷和检测获得的起重机实际吊重相比较，根据比较结果对起重机采取安全保护措施。相对现有技术，上述方法没有机械的根据预先制定的起重性能表作为确定起重机额定工作载荷的依据，而是根据起重机的实际工作情况，随时进行额定工作载荷的计算，基本上避免了起重机额定工作载荷出现阶跃性变化，这样，对起重机工作能力的估计更为准确，使起重机性能可以始终获得充分发挥。同样由于额定工作载荷几乎不再出现阶跃变化的情况，其操控更加方便。

在本发明的优选实施方式中，检测起重机吊臂是否伸出，如果吊臂伸出，则在计算起重机工作载荷时，考虑起重机吊臂伸缩油缸闭锁压力所确定的该伸缩油缸能够承受的最大吊重，将其作为确定起重机额定工作载荷的依据之一。

在本发明的另一个优选实施方式中，采用吊臂伸出长度，判断起重机吊臂的受力截面位置，并根据该受力截面所能承受的最大吊重，计算起重机的强度最大允许载荷G_吊-强度；这种计算方法抓住了起重机的最薄弱环节，能够较好的反映起重机强度对其承受的最大吊重的影响。

综上所述，本发明提供的起重机安全保护系统，可以充分发挥起重机的起吊能力，并极大改善了起重机的操控性，具有很好的应用效果。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的起重机安全保护系统的功能框图；

图2是吊臂伸出检测开关的安装方法示意图；

图3是吊臂不同节的受力截面位置；图4示出吊臂在不同伸出长度下，其各个受力截面承受力矩的状况。

图4是吊臂在不同伸出长度下，其各个受力截面承受力矩的状况；

图5是本发明第一实施例提供的起重机安全保护系统的计算控制程序的流程图；

图6是起重机结构示意图；

图7是起重机伸缩油缸受力图。

具体实施方式

在说明本发明提供的起重机安全保护系统之前，首先说明本发明的基本工作原理。

如前所述，起重机在工作中存在多种安全问题，主要包括下述问题。

首先，重物的重量过大时，有可能超过起重机的强度，导致起重机失效甚至损坏。起重机整车强度包括吊臂受力截面强度、转轴支撑强度、支腿强度等，由于吊臂受力截面强度是其中最薄弱的环节，其他部分的设计强度余量较大，这使起重机强度取决于吊臂的承受能力。如果重物重量超过起重机的强度，则首先表现为吊臂折断。所以用来确定起重机额定载荷的强度计算由吊臂的强度决定，具体来说，是起重机吊臂受力截面所能承受的吊重决定起重机的强度最大允许载荷G_吊-强度。

另外，还需要考虑起重机吊重作用于起重机产生的倾翻力矩，若该倾翻力矩超过起重机的稳定力矩，则起重机就会倾翻。

此外，起重机采用伸缩吊臂时，吊臂伸缩油缸具有油缸闭锁压力，如果加于该吊臂伸缩油缸上的压力超过其该数值，吊臂伸缩油缸将无法承受而失效，同样会影响起重机的安全性；因此，吊臂伸缩油缸闭锁压力同样是考虑起重机安全性的重要指标。但是，只有一节吊臂的起重机不存在吊臂伸缩油缸；另外，伸缩吊臂完全未出时，吊臂伸缩油缸不受力；上述两种情况均不用考虑吊臂伸缩油缸闭锁压力。

对起重机的安全保护需要综合考虑上述几个相关因素，对于任何一个工作状态，都需要确保上述几个方面都处于安全状态之中。本发明提供的保护系统即在考虑上述问题之后构建获得，该系统包括获得起重机工作状态的传感器，以及对检测数据进行处理的控制器以及其中的控制程序。

请参看图1，该图为本发明第一实施例提供的起重机安全保护系统的功能框图。

如图所示，该起重机安全保护系统包括控制器101、吊臂伸出检测接近开关102、长度传感器103、角度传感器104、(变幅油缸)有杆腔压力传感器105、(变幅油缸)无杆腔压力传感器106、显示器107；图中还示出保护动作执行结构108，该机构实际上就是起重机力矩限制器或者其它形式的起重机执行机构，这一机构直接限制起重机的动作方向，可视为该安全保护系统的一部分。

所述控制器101是该系统的核心控制器件，其接收吊臂伸出检测接近开关102、长度传感器103、角度传感器104、有杆腔压力传感器105、无杆腔压力传感器106等各个传感器提供的检测信号，并且其内部保存有该起重机的各种设计参数。该控制器101中同时具有对应上述起重机强度、稳定力矩、伸缩油缸闭锁压力等特性所确定的最大允许载荷的计算模块，以及根据变幅油缸的有杆腔压力和无杆腔压力计算实际吊重的各种计算模块，这些计算模块能够根据上述各个传感器的检测数值，分别计算当前起重机的强度、稳定力矩、以及伸缩油缸承受能力等各个数据对应的最大允许载荷；在获得上述对应起重机某一特性的最大允许载荷后，采用其中最小的数值作为起重机当前额定载荷确定的依据。考虑到确保起重机的安全性的需要，具体的额定载荷是在该确定依据的数值基础上取预定的设计余量获得。例如，当设计余量系数取1.5时，就将上述数值除以1.5，获得起重机额定工作载荷。该控制器101获得上述起重机额定载荷后，即可向操作者提示起重机当前的额定载荷数值，以及根据起重机当前的实际吊重和额定载荷数值比较，判定是否发出安全保护控制信号。

吊臂伸出检测开关102用于检测吊臂是否伸出。由于吊臂未伸出时，伸缩油缸不受力，不需要考虑伸缩油缸受力情况；吊臂伸出时，伸缩油缸受力；两种情况下，由于存在是否需要将伸缩油缸承受能力考虑在内的区别，造成对起重机的额定载荷数值的确定和吊臂伸出时的情况有很大差别，起重机额定工作载荷可能产生阶跃性变化。由于单纯使用长度传感器无法对吊臂是否伸出进行准确判断，所以需使用专用的检测开关来判断吊臂是否伸出。请参看图2，该图示出该吊臂伸出检测开关102的安装方法，所述吊臂伸出检测开关102采用接近开关，该接近开关安装在基本臂末端的适当位置，在第二节臂上安装有凸块(图中未示出)作为触发机构。当吊臂未伸出时，所述凸块触发该吊臂伸出检测开关102，即发出吊臂未伸出信号；当吊臂伸出后，所述凸块不再触发所述吊臂伸出检测开关102，该信号变化作为吊臂伸出信号发出；所述控制器101根据上述信号确定是否需要考虑吊臂伸缩油缸闭锁压力对额定工作载荷的影响。

所述长度传感器103用于检测吊臂的伸出长度，该吊臂的伸出长度不同，其各节臂的受力也不相同，图3示出吊臂不同节的受力截面位置，分别示为A-A、B-B、C-C、D-D。图4示出吊臂在不同伸出长度下，其各个受力截面承受力矩的状况。由于吊臂各节伸出存在规律，只有前一节完全伸出后，才会伸出下一节，因此，可以根据吊臂伸出长度确定吊臂各个受力截面的受力状况，并根据各个受力截面的承载能力确定其最大载荷值，并选择其中最小值作为吊臂强度允许最大载荷G_吊-强度，该数值为确定起重机额定载荷的主要判断依据之一。由于根据吊臂伸出长度即可确定其受力截面，因此，长度传感器103是起重机安全保护系统的重要组成部件之一。另外，吊臂伸出长度还可与吊臂角度检测值一起，计算吊臂工作幅度，而该数值和吊重倾翻力矩相关。

所述角度传感器104，用于检测吊臂的抬起角度，采用该数值和吊臂伸出长度相结合，可以获得吊臂工作幅度。不同的吊臂幅工作度，在同样的吊重情况下，对吊臂受力截面产生的力矩大小不同，产生的倾翻力矩也不相同，所以需要使用该角度传感器104获得吊臂工作角度值，以便计算当前吊重在受力截面上产生的实际应力，以及倾翻力矩。

所述有杆腔压力传感器105和无杆腔压力传感器106，分别用于检测变幅油缸的有杆腔和无杆腔压力，使用上述压力值可以计算起重机当前吊重。

所述显示器107用于显示与起重机安全保护相关的信息。例如，在控制器101获得上述起重机额定载荷后，即可通过该显示器107向操作者提供起重机当前的额定载荷数值，以及起重机当前实际载荷下允许的幅度值以及吊臂伸出长度等显示内容。

所述保护动作执行结构108是指直接控制起重机的执行器件不向危险方向运动的机构，具体是力矩控制器等现有技术下已经具备的器件，其接收控制器101输出的安全保护控制信号，并据此限制起重机向危险方向的运动。

上述起重机安全保护系统的关键之一在于控制器101内部的计算控制程序。控制器101根据上述吊臂伸出检测接近开关102、长度传感器103、角度传感器104、有杆腔压力传感器105、无杆腔压力传感器106等传感器的检测值，计算当前的额定工作重量和实际起吊重量，从而判断起重机是否处于危险状态，以及起重机目前的安全系数，这些结果可以通过显示器107显示出来供操作者操作判断，当判断起重机处于危险状况时，控制所述保护动作执行结构108执行保护动作。

请参看图5，该图为本发明第一实施例提供的起重机安全保护系统的计算控制程序的流程图。以下结合该图介绍控制器的控制过程。

步骤S501，开始。

该步骤进行各种准备工作。

步骤S502，传感器信号处理。

该步骤中，所述控制器101接收各个传感器的检测信息。所述控制器101以固定的周期扫描其各个输入端口，获得该扫描周期的传感器检测信号。这些信号是控制器101进行额定工作载荷计算以及当前实际载荷计算的基础。

步骤S503，吊重以及幅度计算。

通过有杆腔压力传感器105、无杆腔压力传感器106的检测数据可计算出当前的吊重；所述幅度计算是根据检测获得的吊臂工作角度以及吊臂伸出长度，计算吊臂的幅度，即重物重心与起重机吊臂转轴中心的水平距离。

步骤S504，根据吊臂伸出检测接近开关102的信号，判断吊臂当前的伸出状态。并根据吊臂的不同伸出状态，选择不同的额定工作载荷计算方法。若该吊臂伸出检测接近开关102有信号，则进入步骤S505；若该吊臂伸出检测接近开关102无信号，则进入步骤S506。

由于吊臂尚未伸出时，所述伸缩油缸不起作用，不用考虑该伸缩油缸承受的压力超过闭锁压力而失效的情况，因此，额定工作载荷的计算方式和吊臂伸出时不同，为此，根据所述吊臂伸出检测接近开关102的信号，判断吊臂当前是否伸出。并据此选择不同的额定工作载荷计算方法。在本实施例中，当吊臂伸出检测接近开关102发出信号时，则表明吊臂未伸出，在计算的额定工作载荷时，无需考虑伸缩油缸闭锁压力的承受能力，选择步骤S505确定的额定载荷计算方法；当吊臂伸出检测接近开关102不发送信号时，则需要考虑伸缩油缸闭锁压力的承受能力，选择步骤S506确定的额定载荷计算方法；该计算方法将伸缩油缸闭锁压力决定的伸缩油缸对吊重的承受能力，与吊臂强度、以及倾翻力矩等因素一起，作为确定起重机额定载荷的指标。

步骤S505，采用不考虑伸缩油缸的闭锁压力的计算方法，确定起重机额定工作载荷。进入步骤S507。

具体而言，就是计算出起重机强度决定的强度最大允许载荷G_吊-强度，以及起重机倾翻力矩决定的稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}，取两个数值中的较低值并取一定的设计余量后，获得额定工作载荷G_额定。

其中，上述强度最大允许载荷G_吊-强度，采用起重机中强度最薄弱部分，即吊臂强度作为计算依据。上述稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}需要考虑起重机各个方向的倾翻力矩，例如考虑侧方和后方的倾翻力矩，并取其中的最小值作为起重机稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}。上述起重机稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}与起重机的工作幅度以及吊臂的旋转方向、起重机的支撑状况等都有关系，需要根据相应的传感器检测值确定。

步骤S506，采用考虑伸缩油缸闭锁压力的计算方法，确定起重机的额定工作载荷。进入步骤S507。

该方法与上述步骤S505的方法相比，需要在额定工作载荷G_额定的计算中，考虑由伸缩油缸闭锁压力确定的允许载荷。伸缩油缸闭锁压力是伸缩油缸维持有效工作所允许承受的最大压力，如果伸缩油缸承受的压力高于该伸缩油缸闭锁压力，则伸缩油缸由于无法支持而失效。因此，在伸缩油缸承担压力的情况下，必须考虑工作载荷对该伸缩油缸产生的压力，确保不会由于工作载荷过大造成伸缩油缸失效。为此，根据伸缩油缸所能够承受的最大压力，可计算出其对应的最大允许载荷，即伸缩油缸闭锁压力最大允许载荷G_{吊-伸缩油缸}。将该数值和上述强度最大允许载荷G_吊-强度、稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}一起比较，取其中最小值并取一定的设计余量后，获得额定工作载荷G_额定。

步骤S507，计算当前的起重机实际工作载荷。

步骤S508，使用上述实际工作载荷与所述额定工作载荷相比较，计算出工作力矩百分比。

步骤S509，将所述工作力矩百分比和设定的限度相比较，判断其是否大于等于该设定的限度；若是，则进入步骤S510；若否，则返回步骤S501。

步骤S510，发出安全保护控制信号。

当其达到设定的限度时，则所述控制器输出安全保护控制信号，到所述保护动作执行结构108，限制起重机向危险方向的动作。

上述步骤中，计算上述强度最大允许载荷G_吊-强度、稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}、伸缩油缸闭锁压力最大允许载荷G_{吊-伸缩油缸}等数值的方法，以及根据检测数据计算实际吊重G_吊的方法，在现有技术中有多种，均可以采用。

为了较好的实现计算目的，对上述各个数值，本发明进一步提出如下计算方法。应当明确，现有技术中可以获得的其它方法也可以应用。

首先说明由起重机强度决定的强度最大允许载荷G_吊-强度的计算方法。

起重机整车强度包括吊臂受力截面强度、转轴支撑强度、支腿强度等，除了吊臂受力截面强度外，整车其他部分设计强度余量较大。因此，用于确定起重机额定载荷的为吊臂受力截面强度。以图2所示的4节臂单缸结构吊臂为例，该吊臂在不同的伸出长度下，其吊臂受力截面为A-A、B-B、C-C、D-D，吊臂所用的材料HG70的安全许用应力值为[σ]＝374Mpa。根据起重机吊臂结构设计，得出各截面承载能力决定的最大载荷值。以下以A-A截面的应力算法为例进行说明。

计算A-A截面的应力，首先需要计算加载在A-A截面上的力矩。由吊臂结构图分析，以垂直水平面向下方向为正方向，可得出吊重以及各主要部件机构对于A-A截面所产生的力矩计算式：

M_吊重-AA＝G_吊×1.4×(L_吊-L_A-A)×COS(α_工作)

M_二臂-AA＝G_二臂×(L_二臂+L_吊-L_A-A)×COS(α_工作)

M_三臂-AA＝G_三臂×(L_三臂+2×L_吊-L_A-A)×COS(α_工作)

M_四臂-AA＝G_四臂×(L_四臂+3×L_吊-L_A-A)×COS(α_工作)

M_副臂-AA＝G_副臂×(L_副臂-L_A-A)×COS(α_工作)

M_单滑轮-AA＝G_单滑轮×(L_单滑轮+3×L_吊-L_A-A)×COS(α_工作)

M_拉绳-AA＝-G_吊×1.4×(L_拉+3×L_吊-L_A-A)×COS(α_拉绳)/N_倍

上述M_吊重-AA、M_二臂-AA、M_三臂-AA、M_四臂-AA、M_副臂-AA、M_单滑轮-AA、M_拉绳-AA分别为主钩吊重、二节臂、三节臂、四节臂、副臂、臂前端单滑轮、拉绳对A-A截面所产生的力矩。

上述G_吊重、G_二臂、G_三臂、G_四臂、G_副臂、G_单滑轮分别为主钩吊重(即吊重)、二节臂、三节臂、四节臂、副臂、臂前端单滑轮的重量

上述L_吊重、L_二臂、L_三臂、L_四臂、L_副臂、L_单滑轮、L_拉绳、L_A-A分别为主钩吊重、二节臂、三节臂、四节臂、副臂、臂前端单滑轮重心和拉绳拉力受力点以及A-A截面对于吊臂铰点的垂直水平面向下方向的力臂长度，α_工作为吊臂工作角度，由角度传感器104检测获得。α_拉绳为拉绳与吊臂中轴线的夹角，由起重机尺寸分析获得。N_倍为钢丝绳倍率，一般情况下默认为8倍率。

带入扭矩力矩平衡公式：

δ_A-A＝(M_吊重-AA+M_二臂-AA+M_三臂-AA+M_四臂-AA+M_副臂-AA+M_单滑轮-AA+M_拉绳-AA))/η_A-A；其中，δ_A-A为A-A截面所受切应力，η_A-A为A-A截面切力矩系数。

则有：

G_{吊-强度-A-A}＝(δ_A-A-MAX×η_A-A-M_二臂-AA-M_三臂-AA-M_四臂-AA-M_副臂-AA-M_单滑轮-AA)/(1.4×(L_吊-L_A-A)×COS(α_工作)-1.4×(L_拉+3×L_吊-L_A-A)×COS(α_拉绳)/N_倍)

G_{吊-强度-A-A}为由A-A截面强度所确定的最大吊重值，即额定重量值。δ_A-A- _max为A-A截面所能承受的最大切应力值。

由上述步骤，可求出由A-A截面强度所决定的额定重量值G_{吊-强度-A-A}

同理，可同样求出由B-B、C-C、D-D截面强度所决定的额定重量值G_吊 _-强度-B-B、G_{吊-强度-C-C}、G_{吊-强度-D-D}，取其中最小值，为强度值所决定的起重机额定载荷G_吊-强度。由于吊臂各节的截面积随着节数增加而逐渐减小，其承受的额定重量值也相应逐级减小。所以实际上，可以根据长度传感器的检测值，判断起重机伸出的最末一节为第几节，并据此确定受力截面为上述A-A、B-B、C-C、D-D中的哪一个截面，以该受力截面的承受能力为依据，计算起重机强度即可。也就是说，吊臂伸出节的最末一节的受力截面决定了起重机的强度

以下提供一种起重机稳定性计算的具体方法。如图6所示的汽车起重机。由力矩平衡公式，当达到起重机倾翻临界点时，有M_倾翻＝M_稳定。M_倾翻为起重机重物产生的倾翻力矩；M_稳定为起重机稳定力矩。

G_{吊-稳定性}＝M_稳定/S_幅度

其中，G_{吊-稳定性}为由稳定性决定的额定吊重值；S_幅度为起重机吊重工作幅度，即重物重心与起重机转轴中心的水平距离。

由于车体后方和侧方倾翻稳定力矩不同，需要分为两部分进行计算：M_{稳定-侧方}＝G_下固×L_{下固-侧方}+G_上固×L_{上固-侧方}-G_上活×L_上活；其中，G_下固为底盘部分重量；G_上固为上车固定机构重量；G_上活为上车(吊臂)活动机构重量；L_下固 _-侧方为底盘重心到转轴中心力臂长度；L_{上固-侧方}为上车固定机构重心到转轴中心力臂长度；L_上活为上车(吊臂)活动机构重心到转轴中心力臂长度。

其中上车活动机构重心位置和重量由吊臂伸出长度和工作角度决定，而上述数值均已经检测获得。

L_上活＝(M_{基本臂-转轴}+M_{二臂-转轴}+M_{三臂-转轴}+M_{四臂-转轴}+M_{副臂-转轴}+M_{单滑轮-转轴}+M_{伸缩机构-转轴})/(G_吊臂)

M_{基本臂-铰点}为基本臂相对于上车转轴中心产生的力矩；M_{二臂-铰点}为二臂相对于上车转轴中心产生的力矩；M_{三臂-铰点}为三臂相对于上车转轴中心产生的力矩；M_{四臂-铰点}为四臂相对于上车转轴中心产生的力矩；M_{副臂-铰点}为副臂相对于上车转轴中心产生的力矩；M_{单滑轮-铰点}为单滑轮相对于上车转轴中心产生的力矩；M_{伸缩机构-铰点}为吊臂伸缩机构相对于上车转轴中心产生的力矩；G_吊臂为整个吊臂重量

吊臂工作幅度由箱式悬臂梁物理分析可得：

S_幅度＝L_吊×COS(α_工作)+L_安装块×SIN(α_工作)+G_{吊-稳定性}×L_吊 ²×SIN(α_工作)×(L_吊/3×COS(α_工作)+0.392×SIN(α_工作))/10000-L_转轴

L_安装块为吊臂顶部安装块垂直于吊臂中轴线方向长度；L_转轴为大臂安装铰点与转轴中心水平距离；综上所述，可求出侧方稳定性所决定的额定重量值G_{额定-侧方}。同理，可求出后方稳定性所决定的额定重量值G_{额定-后方}；取两者较小值为稳定性决定的额重值G_{吊-稳定性}。

以下说明一种伸缩油缸闭锁压力计算的方法。

见图7所示伸缩油缸受力图，由起重机吊臂结构可知，吊臂内部安装的伸缩油缸与吊臂中轴线平行，且吊重受力时伸缩油缸只承受垂直于油缸横截面方向的压力F。

根据起重机吊臂结构图，油缸所承受的力来自于吊重和吊臂机构，由上可知，由伸缩油缸闭锁压力决定的伸缩油缸闭锁压力最大允许载荷G_{吊-伸缩油} _缸为：

G_{吊-伸缩油缸}＝(P_{闭锁压力-max}*10*S_活塞/4-G_三臂)/SIN(α_工作)-G_四臂

其中，P_{闭锁压力-max}为油缸所能承受的最大压力，即伸缩油缸闭锁压力；S_活塞为油缸活塞面积。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1、一种起重机安全保护系统，包括若干传感器、控制器以及保护动作执行机构；所述传感器实时检测起重机的工作状态并传送给控制器；所述控制器根据所获得的检测数据采用如下步骤计算起重机的额定工作载荷G_额定；

根据传感器数据，计算获得当前的实际吊重；

2、根据权利要求1所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述传感器包括测量吊臂长度的长度传感器、测量吊臂角度的角度传感器、以及测量变幅油缸有杆腔压力的有杆腔压力传感器、测量变幅油缸无杆腔压力的无杆腔压力传感器。

3、根据权利要求1所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述起重机为具有伸缩吊臂的起重机，所述控制器首先根据传感器的检测结果判断吊臂是否伸出；若是，则计算与起重机特性相关的最大允许载荷时，包括计算起重机的伸缩油缸闭锁压力最大允许载荷G_{吊-伸缩油缸}。

4、根据权利要求3所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述传感器包括测量吊臂长度的长度传感器、测量吊臂角度的角度传感器、以及测量变幅油缸有杆腔压力的有杆腔压力传感器、测量变幅油缸无杆腔压力的无杆腔压力传感器；还包括专用于测量吊臂是否存在伸缩运动的吊臂伸出检测开关，以及触发该吊臂伸出检测开关的触发装置；所述控制器根据该吊臂伸出检测开关发出的触发信号，判断所述吊臂是否存在伸缩运动。

5、根据权利要求4所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述吊臂伸出检测为接近开关，该接近开关安装在基本臂末端位置，在吊臂的第二节臂上，对应该第二节臂完全缩回的状态，设置触发给接近开关的凸台。

6、根据权利要求3至5任一项所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述强度最大允许载荷G_吊-强度采用以下方式计算获得：首先根据检测获得的吊臂伸出长度，判断吊臂伸出的节数，并相应计算各节臂受力截面的承受能力；以其中的最小值为依据，计算所述强度最大允许载荷G_吊-强度。

7、根据权利要求1-5任一项所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}，是根据传感器检测获得的数据，计算起重机的各方稳定性后，将其中最小的数值作为稳定性最大允许载荷G_{吊-稳定性}。

8、根据权利要求1-5任一项所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述将实际吊重和所述额定工作载荷相比较，具体是将实际吊重除以计算获得的额定工作载荷，获得工作力矩百分比；所述预设的安全范围，具体是该工作力矩百分比的一门限值。

9、根据权利要求1-5任一项所述的起重机安全保护系统，其特征在于，所述吊重根据所述变幅油缸的有杆腔压力传感器和无杆腔压力传感器的检测值计算。

10、根据权利要求1-5任一项所述的起重机安全保护系统，其特征在于，还具有显示器，该显示器用于显示与安全保护相关的信息。

11、一种起重机，其特征在于，采用权利要求1到权利要求10任一项所述的起重机安全保护系统。