CN103935894A - 一种起重机抓斗动态称重保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机抓斗动态称重保护方法，具体为在起重机抓斗抓料提升后为避免超负荷进行称重保护的方法。本发明利用抓斗起重机原有电控系统中变频器的检测功能，测量电机的实时转速和电机的输出转矩，电气控制系统中的PLC与变频器进行数据传输，通过在PLC程序中调用称重功能块得到负载的总重量，若该值超过预设限额值时，则进行报警，并停止提升工作，抓斗卸掉部分物料，再重新提升，再由PLC程序进行检测计算，直到负载未超过额定值，抓斗则可继续提升。本发明无需安装重量传感器，利用起重机原有的电控设备，节约成本，大大减少现场施工及维护。

Description

一种起重机抓斗动态称重保护方法

技术领域

本发明涉及一种起重机抓斗动态称重保护方法，用于起重机抓斗抓料提升后为避免超负荷进行称重保护。

背景技术

目前国内带抓斗起重机，一般都会使用超负荷限制器来做负载的超载保护，通过重量传感器将起重机起升机构的取力反馈到仪表中进行采集，经过对比、读取、判断后显示当前重量并对其进行相应工况指示，若超过额定重量后则快速切断起重机起升回路，使起重机不能起吊重物，从而达到保护吊车及操作人员安全的目的。

但是一般超负荷限制器使用寿命在两年左右，由于操作不当或长期超负荷，容易导致超负荷限制器中传感器的读数不准确，需要工作人员重新调校，如有严重故障则必须重新更换，给起重机的作业带来很大不便。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，而提供一种起重机抓斗动态称重保护方法，该方法能够在起重机抓斗抓料提升后迅速判断负载重量，若超过额定重量起重机则不能进行起升动作，从而避免超负荷。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种起重机抓斗动态称重保护方法，包括以下步骤：

通过抓斗起重机电控系统中的变频器测量电机的实时转速和电机的输出转矩，将所述转速和转矩转换为负载重量值；

将所述负载重量值与预设限额值比较，若超重则报警并停止提升，卸载掉抓斗中的部分物料后，再重新提升；

重复上述步骤直至所述负载重量值未超过预设限额值，则控制抓斗继续提升。

在上述技术方案中，所述负载重量值通过以下公式计算：

m=m_s+m_G m_s m_G m_s

式中，为物料重量，为抓斗重量，其中，通过下式计算：

$m_s=\frac{T_e-T_{G1}}{\frac{g\·R}{\mathrm{\η}\·j}+\frac{R^2}{9.55\·j^2\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}}$

式中，η为传动效率，R为卷筒半径，j为传动比，T_e为抓料后提升实时采集数据，为转速变化率，其中，η通过下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{2}(\frac{T_{G2}}{T_{G2}}+1)$

T_G1为抓斗空斗上升时，电动机轴上的负载转矩；T_G2为抓斗空斗下降时，电动机轴上的负载转矩。

本发明有以下优点：

1、采用完全不同于传统方式的称重方法，不再使用重量传感器，而是通过读取电机的输出转矩、转速等值，通过公式计算，来得到负载重量值；

2、无需安装重量传感器，利用起重机原有的电控设备，节约成本，大大减少现场施工。

附图说明

图1为起重机称重系统组成结构示意图。

图2为图1中传动系统的结构简图。

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明涉及的起重机称重系统包括起升电机1和开闭电机2，起升电机1和开闭电机2均由变频器3驱动，起升电机1和开闭电机2的电机轴连接减速箱3，钢丝绳5卷绕在钢丝绳卷筒4上，经过滑轮7最后连接在抓斗6上，钢丝绳卷筒4转动带动钢丝绳5的收放实现抓斗6的垂直起升下降动作。抓斗负载受到的拉力和重力符合牛顿第二运动定律，抓斗负载在钢丝绳拉力和重力的作用下先做加速运动，到达一定速度后再匀速运行。起升电机1和开闭电机2的输出转矩可以间接反映抓斗负载的重力大小。

本发明利用变频器的检测功能，测量电机的实时转速和电机的输出转矩，电气控制系统中的PLC与变频器进行数据传输，在PLC程序中调用称重功能块计算出物料的重量，加上抓斗的重量即是负载的总重量。

如图2所示，本发明为了便于计算，将起升机构的起升电机1和开闭电机2和减速箱3，钢丝绳卷筒4，整个传动系统简化成一个电机单轴传动系统，即拖动抓斗负载的传动机构合并等效为一个电机8，一个减速机构9，一个钢丝绳卷筒10，一根钢丝绳11来拖动负载抓斗12，即将图1中两个电机1,2轴上转矩之和转换到电机8轴上的转矩。

本发明通过PLC实时读取变频器中电机输出转矩值，并进行滤波处理，将两个变频器输出的转矩值相加得到电机输出总的转矩值。电机的转速也由变频器读出，传送给PLC进行滤波后求取一段时间内的变化量，即得出电机转速的加速度。

本实施例将负载称重的功能编写为功能块，抓斗在抓完料进行提升操作时，由PLC程序调用称重功能块，在每次完成抓料动作进行提升工作时，若计算的负载重量值超过预设限额值时，则进行报警，并停止提升工作，抓斗卸掉部分物料，再重新提升，再由PLC程序进行检测计算，直到负载未超过额定值，抓斗则可继续提升。

称重功能块中计算抓斗负载重量的方法包括以下三个步骤：

步骤1：抓斗投入运行前，空载操作计算起升电机的传动效率。抓斗空载时，对抓斗进行提升操作，在匀速时记录起升电机和开闭电机输出转矩值并求和,然后再对抓斗进行下降操作，同样在匀速时记录起升电机和开闭电机输出转矩值并求和；计算得到抓斗电机的传动效率。此步骤多次操作求平均值，得到称重功能块的输入参数。

步骤2：抓斗正常工作时，在PLC程序中调用称重功能块，称重功能块在进行提升加速阶段，根据变频器传送过来的电机输出转矩值，计算得到负载重量。

本发明中，在PLC程序中编写称重功能块，称重功能块的输入参数为电机输出转矩值、传动系统参数，输出参数为计算的物料重量。

为了更清楚阐述本实例称重功能块中计算负载重量的方法，以下说明计算的原理。

称重功能块的程序编写分为两部分，一部分是实验测算空斗传动系统参数：空斗传动系统参数有系统的传动效率，加速上升阶段电机输出转矩值，匀速阶段电机输出转矩值等。

抓斗上升时，折算到电动机轴上的负载转矩为T_G1，卷筒上的负载转矩为T，系统传动比为j，传动效率为η，则

T_G1·η·j=T   （1）

抓斗空斗下降时，折算到电动机轴上的负载转矩为

$T_{G2}=\frac{T}{j}(2-\frac{1}{\mathrm{\η}})---\left(2\right)$

由（1）（2）两式可得系统传动效率为

$\mathrm{\η}=\frac{1}{2}(\frac{T_{G2}}{T_{G2}}+1)$

电机的转动惯量、卷筒轴上的转动惯量及抓斗的转动变量转化到电机轴上的部分为J_f，物料的转动惯量等效到电机轴上的部分为其中m_s为物料重量，R为卷筒半径，该值可以直接测量获取。

抓斗空载加速上升阶段记录的电机输出转矩值为T_G3，一段时间内电机转速变化率为电机输出转矩T_G3与折算到电机轴上负载转矩T_G1之间的关系为：

$T_{G3}=T_{G1}=\frac{J_f}{9.55}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

称重功能块的程序另一部分是负载重量计算公式：

抓斗抓料后加速上升阶段，折算到电机轴上的为，读入电机输出转矩值为T_e，电机的转速变化率不变，则

$T_e-(T_{G1}+\frac{m_s\·g\·R}{\mathrm{\η}\·j})=\frac{(J_f+\frac{m_s{R}^2}{j^2\mathrm{\η}})}{9.55}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

由（4）（5）联立求解可得负载重量为

$m_s=\frac{T_e-T_{G1}}{\frac{g\·R}{\mathrm{\η}\·j}+\frac{R^2}{9.55\·j^2\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}}---\left(6\right)$

在PLC中按照公式（6）进行编程，事先采集的输入参数为抓斗空载时测量的T_G1，传动效率η，卷筒半径R，传动比j，抓料后提升实时采集数据为T_e，转速变化率将这些输入参数代入公式进行计算后得出物料的重量，再加上抓斗的重量m_G即为负载重量m：

m=m_s+m_G   （7）

即 $m=\frac{T_e-T_{G1}}{\frac{g\·R}{\mathrm{\η}\·j}+\frac{R^2}{9.55\·j^2\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}}+m_G---\left(8\right)$

步骤3：负载值m若超过预设限额值，则报警中断提升操作，抓斗卸载一定物料后重新抓斗，进行步骤2，直到不超过限额值为止。

Claims (2)

1.一种起重机抓斗动态称重保护方法，其特征在于，包括：

通过m_s抓斗起重机电控系统中的变频器测量电机的实时转速和电机的输出转矩，将所述转速和转矩转换为负载重量值；

将所述负载重量值与预设限额值比较，若超重则报警并停止提升，卸载掉抓斗中的部分物料后，再重新提升；

重复上述步骤直至所述负载重量值未超过预设限额值，则控制抓斗继续提升。

2.根据权利要求1所述起重机抓斗动态称重保护方法，其特征在于所述负载重量值通过以下公式计算：

m=m_s+m_G

式中，m_s为物料重量，m _G为抓斗重量，其中，m_s通过下式计算：

$m_s=\frac{T_e-T_{G1}}{\frac{g\·R}{\mathrm{\η}\·j}+\frac{R^2}{9.55\·j^2\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}}$

式中，η为传动效率，R为卷筒半径，j为传动比，T_e为抓料后提升实时采集数据，为转速变化率，其中，η通过下式计算：

$\mathrm{\η}=\frac{1}{2}(\frac{T_{G2}}{T_{G2}}+1)$

T_G1为抓斗空斗上升时，电动机轴上的负载转矩；T_G2为抓斗空斗下降时，电动机轴上的负载转矩。