CN103575445B - 一种缆索张力实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缆索张力实时测量装置及方法，固定架的一侧通过轴承固定牵引轮，牵引轮的一侧的固定架上设有一个纵杆，纵杆的顶端通过铰接固定测力板，测力板的中下部和测力轮固定，测力板的左端上侧固定定位轮，测力板的左端下侧连接测力传感器的一端，测力传感器的另一端连接固定架，缆索依次绕设在牵引轮、测力轮、定位轮上，定位轮和测力板在测力轮的带动下同时绕纵杆的顶端转动；牵引轮、测力轮、定位轮在空间位置上处于同一垂直面，牵引轮的水平高度高于测力轮的水平高度，测力轮的水平高度与定位轮的水平高度一致，结构简单，操作方便，误差较小，能够使用于空间窄小的场地，并能够在动态情况下，实时精确地测量缆索的张力。

Description

一种缆索张力实时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及缆索张力测量的技术领域，尤其涉及一种可用于小空间，动态实时测量的缆索张力实时测量装置及方法。

背景技术

在工程应用中，电缆、钢索等有时需要在小场地实施测量张力的工作，同时在动态情况下，能够满足实时、精准地测量缆索张力的需求。目前，通常采用两种方法来实施：第一种是串联法（如图1、图2所示），将缆索的一端串入测力传感器，直接测力，或者由于缆索的长度限制，需要将缆索剪断后，将缆索剪断部的两端头串入测力传感器两头，进行测量；第二种是并联法（如图3所示）：即使是缆索较长，能够在不剪断缆索的情况下，测力传感器和缆索以一定的姿态并联放置，通过缆索在测力传感器敏感方向的分解与合成，求解缆索张力。

一般，串联法是最普遍的测量张力的方法，但是，使用时受到一定的限制，当测量的是较长的缆索时，需要将缆索断开之后再串入测力传感器，并且，串联法只能适用于现场宽敞的场地，窄小场地不适合，如此以来，使得在使用的时候受到场地及缆索长短问题的限制，不能快速、方便、准确的测量；并联法通常使用的是三轮（支点）法，并联法测力受缆索挠度、轮系摩阻、机械结构的精度和刚度的影响比较大，虽然可在小场地、动态测力，但其测量精度远劣于串联法，不能保证测量的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种缆索张力实时测量装置及方法，能够使用于空间窄小的场地，并能够在动态情况下，实时精确地测量缆索的张力。

本发明采用的技术方案为：

一种缆索张力实时测量装置，包括固定架，固定架的一侧通过轴承固定牵引轮，牵引轮的一侧的固定架上设有一个纵杆，纵杆的顶端通过铰接固定测力板，测力板的中下部和测力轮固定，测力板的左端上侧固定定位轮，测力板的左端下侧连接测力传感器的一端，测力传感器的另一端连接固定架，缆索依次绕设在牵引轮、测力轮、定位轮上，定位轮和测力板在测力轮的带动下同时绕纵杆的顶端转动；所述的牵引轮、测力轮、定位轮在空间位置上处于同一垂直面，牵引轮的水平高度高于测力轮的水平高度，测力轮的水平高度与定位轮的水平高度一致。

所述的缆索沿着牵引轮的下沿、测力轮的上沿、定位轮上沿穿过，缆索内公切于牵引轮和测力轮，缆索外公切于测力轮和定位轮。

所述的测力传感器垂直放置。

所述的牵引轮、测力轮、定位轮采用硬质塑料材质。

一种缆索张力实时测量的方法，

使用上述缆索张力实时测量装置及方法进行实时测量的步骤为：

a：将牵引轮通过轴承固定于固定架的E处；

b：将缆索的一端沿着牵引轮的下沿和测力轮的上沿穿过，缆索与牵引轮的切点为C，与测力轮的切点为D，标出此时切点连线CD的中点B；

c：确定固定架第二纵杆顶端A的空间位置：标出切线CD的垂直平分线，固定架第二纵杆顶端A设于垂直平分线上；

d：再将测力板通过铰接固定于固定架第二纵杆顶端A处；

e：再将定位轮固定在测力板左端上侧，静态时保证定位轮水平高度与测力轮水平高度一致；

f：将测力传感器一端固定在测力板的左端下侧，另一端固定在固定架上，使得测力传感器垂直放置；

g：通过函数公式F1=k*Ft+b计算得出缆索张力F1的值。

k为机械构造综合系数，b为缆索本质常量，Ft为测力传感器受力状态显示的数值。

所述的步骤g中机械构造综合系数k和缆索本质常量b的确定方法：

①：在缆索上串联一个力标准器；

②：第一次给缆索一个较小的瞬时拉力Z1，此时，力标准器显示缆索瞬时受力值y1，测力传感器显示瞬时受力值x1，得出y1=k*x1+b；

③：第二次给缆索一个较大的瞬时拉力Z2，此时，力标准器显示缆索瞬时受力值y2，测力传感器显示瞬时受力值x2，得出y2=k*x2+b；

④：得出方程组：

y1=k*x1+b

y2=k*x2+b，

代入y1、x1、y2、x2，解出得k、b的值。

本发明在缆索拉伸力的作用下，使得测力轮转动，同时带动测力板的旋转，当测力板顺时针向下旋转时，连接于测力板和固定架的测力传感器受到测力板向下的压力，从而显示数值，即可算出缆索的张力；当测力板逆时针向上旋转时，测力传感器受到测力板向上的拉力，从而显示数值，即可算出缆索的张力，本装置结构简单，操作方便，误差较小，能够使用于空间窄小的场地，并能够在动态情况下，实时精确地测量缆索的张力。

附图说明

图1为串联法测量缆索的张力；

图2为串联法测量缆索的张力；

图3为并联法测量缆索的张力；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明关于固定架第二纵杆顶端的受力分析图。

具体实施方式

如图4所示，本发明包括固定架2，固定架2的一侧通过轴承固定牵引轮5，牵引轮5的一侧的固定架2上设有一个纵杆3，纵杆3的顶端通过铰接固定测力板8，测力板8的中下部和测力轮4固定，测力板8的左端上侧固定定位轮7，测力板8的左端下侧连接测力传感器6的一端，测力传感器6的另一端连接固定架2，缆索1依次绕设在牵引轮5、测力轮4、定位轮7上，缆索1沿着牵引轮5的下沿、测力轮4的上沿、定位轮7上沿穿过，缆索1内公切于牵引轮5和测力轮4，缆索1外公切于测力轮4和定位轮7，定位轮7和测力板8在测力轮4的带动下同时绕纵杆3的顶端A转动，测力传感器6垂直放置；所述的牵引轮5、测力轮4、定位轮7在空间位置上处于同一垂直面，牵引轮5的水平高度高于测力轮4的水平高度，测力轮4的水平高度与定位轮7的水平高度一致，牵引轮5、测力轮4、定位轮7采用硬质塑料材质。

一种缆索张力实时测量的方法，

使用上述缆索张力实时测量装置及方法进行实时测量的步骤为：

a：将牵引轮5通过轴承固定于固定架2的E处；

b：将缆索1的一端沿着牵引轮5的下沿和测力轮4的上沿穿过，缆索1与牵引轮5的切点为C，与测力轮4的切点为D，标出此时切点连线CD的中点B；

c：确定固定架2的纵杆3顶端A的空间位置：标出切线CD的垂直平分线，固定架2的纵杆3顶端A设于垂直平分线上；

d：再将测力板8通过铰接固定于固定架2纵杆3顶端A处；

e：再将定位轮7固定在测力板8的左端上侧，静态时保证定位轮7水平高度与测力轮4水平高度一致；

f：将测力传感器6一端固定在测力板8的左端下侧，另一端固定在固定架2上，使得测力传感器6垂直放置；

g：通过函数公式F₁=k*F_t+b计算得出缆索张力F₁的值；

k为机械构造综合系数，b为缆索本质常量，F_t为测力传感器受力状态显示的数值。

所述的缆索张力实时测量的方法，所述的步骤g中机械构造综合系数k和缆索本质常量b的确定方法：

①：在缆索1上串联一个力标准器；

②：第一次给缆索1一个较小的瞬时拉力Z₁，此时，力标准器显示缆索瞬时受力值y₁，测力传感器显示瞬时受力值x₁，得出y₁=k*x₁+b；

③：第二次给缆索1一个较大的瞬时拉力Z₂，此时，力标准器显示缆索瞬时受力值y₂，测力传感器显示瞬时受力值x₂，得出y₂=k*x₂+b；

④：得出方程组

y₁=k*x₁+b

y₂=k*x₂+b，

代入y₁、x₁、y₂、x₂，解出得k、b的值。

本发明实施例1，测力轮4、牵引轮5采用标准822型滑车标准轮，假设一种外径为28mm钢芯铝绞线为标准导线，首先需要确定测力轮4、牵引轮5、定位轮7、固定架、测力传感器6的空间相对位置。将导线从张力机中导出，再牵引至牵引轮5下沿穿过，此时调整牵引轮5和张力机静空水平间隔，距离为2m—3m，导线与牵引轮5包络角小于30°，导线继续向测力轮4上沿方向伸拉，此时，导线与牵引轮5和测力轮4内公切，公切点连线为CD，CD的中点B设于牵引轮5和测力轮4圆心连线O₁O₂上，固定架2的纵杆3顶端A设于CD的中垂线上，垂足为B，AB的长度在保证导线、导线连接器具有良好的通过性的前提下，愈小愈好。固定架2的纵杆3顶端A通过铰接连接测立板8，导线与测力轮4的包络角为25°，最后将导线沿着定位轮7的上沿拉出，此时，导线与测力轮4和定位轮7外公切，同时，出线端导线受到拉力F₁，进线端导线受到张力机的拉力F₀，测力传感器6一端通过关节轴承连接测力板8，另一端通过关节轴承连接固定架，测力传感器6垂直放置，空间位置远离测力轮4，以减缓力值波动。

因为固定架2的纵杆3顶端A的受力及其力学效果较为复杂多变，本装置目标测量仅将此理想作为摩阻为零的支点，这样只需关注测力轮4、牵引轮5、固定架作为一个受力分析整体时的关于固定架第二纵杆3顶端A非零转矩的力（如图5所示）。

出线端导线拉力F₁受力分析：

出线端导线拉力F₁随导线张力变化而变化，其值与该处的导线张力相等。因为出线端导线水平出线，其拉力F₁垂直于测力传感器6，拉力F₁在水平力方向的分量为零；测量时，导线仅与测力轮4优良接触，没有过多的接触、约束零部件，没有引入杂散力。所以，本装置具有较高的测力精度和良好的稳定性。

进线端导线拉力F₀受力分析：

因为测力轮摩阻的存在，F₀<F₁，通常：F₀及测力轮摩阻随F₁线性正比例变化，其值与该处的导线张力相等。

受力体（指测力轮、测力板、定位轮）的总重力F_m是常量，测力传感器6受到测力板8向下的压力F_t，即测力传感器6受到固定架2向上的推力，不难看出，测力传感器6受到测力板8向下的压力Ft值随出线端导线拉力F₁值线性正比例变化。

综上所述：进线端导线拉力F₀、测力传感器6受到测力板8向下的压力F_t包括测力轮摩阻随出线端导线拉力F₁值线性正比例变化，受力体的总重力F_m是常量。当刚性的机械结构确定以后，各个力关于固定架2纵杆3顶端A的力矩也就确定了。所以，力矩矢量求和后可以得到函数关系：

F₁=k*F_t+b

k是机械构造综合系数，受机械结构特征影响：杠杆比、机械结构刚性，以及传感器特征、安装方式，以及仪表放大倍数等有关的一个综合参数。

b是缆索本质常量，测量导线的每米重量、挠度等有关的缆索特征常量。

依据上述公式可以通过在线标定，k和b均由CPU通过标定求解；实时采集测力传感器6受到测力板8向下的压力F_t值、就可以实时得到出线端导线拉力F₁值，即：实时得到本装置出线处的导线张力值。

轮系磨损对本装置缆索张力测量精度的影响：

装配式架线对缆索张力测量精度有一定的要求，长期使用本装置势必造成测力轮4、牵引轮5的磨损，磨损导致缆索张力测量精度下降。

由前述不难看出：进线端导线拉力F₀、出线端导线拉力F₁产生的力矩受测力轮4、牵引轮5磨损的影响较大，F_t、F_m产生的力矩不受影响。所以,只需评估进线端导线拉力F₀、出线端导线拉力F₁力矩差的变化率就可以近似得知轮系磨损对本装置缆索张力测量精度的影响。

假设F₁=1.0115*F₀，测力轮4、牵引轮5磨损减少5mm厚，就是槽底直径减少10mm；缆索1直径28mm。本实施例中，F₁的力臂为369mm，F₀的力臂LAB磨损前为91.546mm，磨损后为91.536mm，△LAB=0.01mm，经过粗略计算F₁值误差为35.4ppm，所以轮系磨损对本装置缆索张力测量精度的影响极小。

缆索直径的变化对本装置缆索张力测量精度的影响：

如果缆索4直径发生变化，调整定位轮7的高低位置。保证测力轮4的圆心到缆索1中心的垂直距离为369mm（就本实施例而言）。这样，依照上述的方法，可以求证缆索直径的变化对本装置缆索张力测量精度的影响极小。

但是，在需要精准力测量的场合还是建议缆索直径变化时重新对本装置进行标定。因为缆索的挠度及其它原因导致公式F₁=k*F_t+b中k、b值尤其是b值的变化。

Claims (5)

1.缆索张力实时测量装置，其特征在于：包括固定架，固定架的一侧通过轴承固定牵引轮，牵引轮的一侧的固定架上设有一个纵杆，纵杆的顶端通过铰接固定测力板，测力板的中下部和测力轮固定，测力板的左端上侧固定定位轮，测力板的左端下侧通过上关节轴承连接测力传感器的一端，测力传感器的另一端通过下关节轴承连接固定架，测力传感器垂直设置；缆索依次绕设在牵引轮、测力轮、定位轮上，定位轮和测力板在测力轮的带动下同时绕纵杆的顶端转动；所述的牵引轮、测力轮、定位轮在空间位置上处于同一垂直面，牵引轮的水平高度高于测力轮的水平高度，测力轮的水平高度与定位轮的水平高度一致。

2.根据权利要求1所述的缆索张力实时测量装置，其特征在于：所述的缆索沿着牵引轮的下沿、测力轮的上沿、定位轮上沿穿过，缆索内公切于牵引轮和测力轮，缆索外公切于测力轮和定位轮。

3.根据权利要求2所述的缆索张力实时测量装置，其特征在于：所述的牵引轮、测力轮、定位轮采用硬质塑料材质。

4.采用如权利要求1至3任一项所述的缆索张力实时测量装置的测量方法，其特征在于：

使用上述缆索张力实时测量装置及方法进行实时测量的步骤为：

a：将牵引轮通过轴承固定于固定架的E处；

b：将缆索的一端沿着牵引轮的下沿和测力轮的上沿穿过，缆索与牵引轮的切点为C，与测力轮的切点为D，标出此时切点连线CD的中点B；

c：确定固定架第二纵杆顶端A的空间位置：标出切线CD的垂直平分线，固定架第二纵杆顶端A设于垂直平分线上；

d：再将测力板通过铰接固定于固定架第二纵杆顶端A处；

e：再将定位轮固定在测力板左端上侧，静态时保证定位轮水平高度与测力轮水平高度一致；

f：将测力传感器一端固定在测力板的左端下侧，另一端固定在固定架上，使得测力传感器垂直放置；

g：通过函数公式F₁=k*F_t+b计算得出缆索张力F₁的值；

k为机械构造综合系数，b为缆索本质常量，F_t为测力传感器受力状态显示的数值。

5.根据权利要求4所述的采用如权利要求1至3任一项所述的缆索张力实时测量装置的测量方法，其特征在于：所述的步骤g中机械构造综合系数k和缆索本质常量b的确定方法：

①：在缆索上串联一个力标准器；

②：第一次给缆索一个较小的瞬时拉力Z₁，此时，力标准器显示缆索瞬时受力值y₁，测力传感器显示瞬时受力值x₁，得出y₁=k*x₁+b；

③：第二次给缆索一个较大的瞬时拉力Z₂，此时，力标准器显示缆索瞬时受力值y₂，测力传感器显示瞬时受力值x₂，得出y₂=k*x₂+b；

④：得出方程组：

y₁=k*x₁+b

y₂=k*x₂+b，

代入y₁、x₁、y₂、x₂，解出得k、b的值。