CN109987521B - 用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法 - Google Patents

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CN109987521B CN201910312000.8A CN201910312000A CN109987521B CN 109987521 B CN109987521 B CN 109987521B CN 201910312000 A CN201910312000 A CN 201910312000A CN 109987521 B CN109987521 B CN 109987521B
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Abstract

本发明公开了一种用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，包括以下步骤：根据小车上辅助电机的输出力矩计算辅助钢丝绳的受力情况；计算小车吊具的左右调节位置、前后调节位置和倾转位置；左右调节位置的步骤包括：计算钢丝绳的初始原长；计算吊具左移或右移后的钢丝绳理论长度；修正钢丝绳的绳长变化量；计算在钢丝绳竖直方向的分力；前后调节位置的步骤包括：计算钢丝绳的初始原长；计算吊具前移或后移后的钢丝绳理论长度；修正钢丝绳的绳长变化量；计算在钢丝绳竖直方向的分力；倾转位置的步骤包括：计算钢丝绳的初始原长；计算吊具顺时针旋转一定角度后的钢丝绳理论长度；修正钢丝绳的绳长变化量；计算在钢丝绳竖直方向的分力。

Description

用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法
技术领域
本发明涉及门式起重设备过载保护系统，更具体地说，涉及一种用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法。
背景技术
近年来在港口的后场集装箱门式起重机上(轮胎吊，轨道吊等)，全功能小车逐渐得到推广和成熟的应用，但是在过载保护上还存在问题。
目前起重机常用过电流继电器，其有瞬时动作的JL5型和反时限动作的JL12型两种。通常动作整定值为被保护电机额定电流的2-2.5倍。据实际调查，这两种继电器根本经不起电机频繁启动电流的冲击。为此，许多用户往往将电流继电器的“常闭”接点短接起来使用。这种短接的手段固然解决了频繁掉闸的问题，但在遇上短路或在电机严重过载的情况下，烧损电机的事故是不可避免的。
常见的门式起重机都会配备过载保护系统，主要是在主钢丝绳的固定端安装销轴式传感器，其功能实现是通过检测主钢丝绳受力情况，以起到过载保护的作用。全功能小车有两套绳系，主钢丝绳实现提升功能，辅助钢丝绳则负责实现防摇和微动功能。这两套绳系都同时作用于吊具，所以辅助钢丝绳上会承担部分负载的重量，导致主钢丝绳上的受力要小于实际负载重量。
目前制造厂家生产的起重机保护箱中，仍然沿用了瞬时动作的电流继电器作过载保护。用户购入后，不得不把继电器的常闭触点短接起来使用。这样做不仅造成浪费，而且存在着隐患。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，包括以下步骤：根据小车上辅助电机的输出力矩计算辅助钢丝绳的受力情况；计算小车吊具的左右调节位置、前后调节位置和倾转位置；其中，所述左右调节位置的步骤包括：计算钢丝绳的初始原长；计算吊具左移或右移后的钢丝绳理论长度；修正钢丝绳的绳长变化量；计算在钢丝绳竖直方向的分力；其中，所述前后调节位置的步骤包括：计算钢丝绳的初始原长；计算吊具前移或后移后的钢丝绳理论长度；修正钢丝绳的绳长变化量；计算在钢丝绳竖直方向的分力；其中，所述倾转位置的步骤包括：计算钢丝绳的初始原长；计算吊具顺时针旋转一定角度后的钢丝绳理论长度；修正钢丝绳的绳长变化量；计算在钢丝绳竖直方向的分力。
进一步地，钢丝绳初始原长的计算公式为：
Figure BDA0002031815550000021
其中，l0为悬吊高度，b1是辅助电机沿x方向间距，b2是辅助电机沿z方向间距，c1是辅助钢丝绳吊具滑轮沿x方向间距，c2是辅助钢丝绳吊具滑轮沿z方向间距。
进一步地，吊具左移或右移后的钢丝绳理论长度的计算公式为：
Figure BDA0002031815550000022
Figure BDA0002031815550000023
其中，ofstr表示吊具左右平移距离。
进一步地，左右调节位置的计算步骤中，修正钢丝绳的绳长变化量的计算公式为：
Figure BDA0002031815550000024
Figure BDA0002031815550000025
绳长的变化量Δl14、Δl23为：
Figure BDA0002031815550000026
其中，D0为载荷大小，单位为吨。
进一步地，左右调节位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure BDA0002031815550000027
Figure BDA0002031815550000028
其中，i为辅助电机减速器减速比，dr为辅助电机的卷筒直径，n为滑轮倍率，T14代表1号和4号电机输出力矩，T23代表2号和3号电机输出力矩，单位为Nm。
进一步地，所述吊具前移或后移后的钢丝绳理论长度的计算公式为：
Figure BDA0002031815550000031
Figure BDA0002031815550000032
其中，ofstf表示吊具前后平移距离。
进一步地，前后调节位置的计算步骤中，修正钢丝绳的绳长变化量的计算公式为：
Figure BDA0002031815550000033
Figure BDA0002031815550000034
绳长的变化量Δl12、Δl34为：
Figure BDA0002031815550000035
其中，D0为载荷大小，单位为吨。
进一步地，前后调节位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure BDA0002031815550000036
Figure BDA0002031815550000037
其中，i为辅助电机减速器减速比，dr为辅助电机的卷筒直径，n为滑轮倍率，T12代表1号和2号电机输出力矩，T34代表3号和4号电机输出力矩，单位为Nm。
进一步地，所述吊具顺时针旋转一定角度后的钢丝绳理论长度的计算公式为：
Figure BDA0002031815550000038
Figure BDA0002031815550000039
其中，γ为顺时针旋转的角度。
进一步地，倾转位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure BDA00020318155500000310
Figure BDA0002031815550000041
绳长的变化量Δl13、Δl24为：
Figure BDA0002031815550000042
其中，D0为载荷大小，单位为吨。
进一步地，倾转位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure BDA0002031815550000043
Figure BDA0002031815550000044
其中，i为辅助电机减速器减速比，dr为辅助电机的卷筒直径，n为滑轮倍率，T13代表1号和3号电机输出力矩，T24代表2号和4号电机输出力矩，单位为Nm。
在上述技术方案中，本发明能够将全功能小车的4个辅助电机的输出力矩通过几何位置的分析，折算为辅助钢丝绳受力情况；计算后的结果送到PLC，和主钢丝绳上的重量传感器数值进行叠加，实现负载计算及保护功能。
附图说明
图1是本发明小车的运行方向示意图；
图2是小车倾转的示意图；
图3a-3c是吊具及小车的位置关系示意图；
图3d是吊具和钢丝绳的立体结构示意图；
图4是本发明方法的流程图；
图5是数据拟合波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明的补偿计算方法适用于集装箱门式起重机的小车，图1所示为小车的俯视图，其可以分为前、后、左、右四个行进方向，其中前、后方向为小车运行的方向，左、右方向为小车所在大车的运行方向，可以视为小车在左右的运行方向。小车可以任意选择一个方向行进，或者上述几个方向的组合。参照图2，本发明的小车除了前后左右平行移动之外，还可以绕其中心点倾转。图2示出了小车绕其中心点顺时针旋转γ角度之后的位置。
结合图1和图3a-d，小车上安装有至少4个辅助钢丝绳卷筒，分别是辅助钢丝绳卷筒1、辅助钢丝绳卷筒2、辅助钢丝绳卷筒3、辅助钢丝绳卷筒4。沿小车运行的前后方向，右前方为辅助钢丝绳卷筒1，左前方为辅助钢丝绳卷筒2，左后方为辅助钢丝绳卷筒3，右后方为辅助钢丝绳卷筒4。进一步地，图3a-c定义了X方向和Z方向并由此可见：主起升绳吊具滑轮沿x方向间距为a1，主起升绳吊具滑轮沿z方向间距为a2，b1是辅助电机沿x方向间距，b2是辅助电机沿z方向间距，c1是辅助钢丝绳吊具滑轮沿x方向间距，c2是辅助钢丝绳吊具滑轮沿z方向间距，起升卷筒两侧起升绳沿x方向平均间距为d1，起升卷筒中心沿z方向间距为d2。
如图3d所示，在本发明中，辅助电机系统包括布置在小车上的4个辅助电机和减速机(采用三合一电机)、4个辅助钢丝绳卷筒、4个增量式编码器(需要通过软件计算绝对位置)与重量传感器、4个变频器和相应的PLC可编程逻辑控制器、Profibus(Process FieldBus过程现场总线)系统等。采用变频电机，配置增量式编码器，实现闭环矢量控制。4根防摇钢丝绳在空间布置上是等长度并且互不交叉干涉的，一端分别固定在吊具的4个角上，另一端分别通过导向滑轮缠绕在4个防摇卷筒上。本发明采用两种方案定义位置模式闭环方式：
1.使用防摇辅助电机的增量式编码器进行位置计算，实现位置闭环；
2.使用集装箱位置检测系统与吊具定位系统，实现位置闭环(推荐)。
本发明中，小车微动主要动作包括前/后移(FS/BS)、左/右移(LS/RS)、左/右旋(CS/ACS)，左/右倾(左右倾动作由起升动作完成所以采用力矩模式)。
针对上述的小车及其起重机系统，本发明公开一种用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，如图4所示，其主要包括以下步骤：
S1：根据小车上辅助电机的输出力矩计算辅助钢丝绳的受力情况。
S2：计算小车吊具的左右调节位置、前后调节位置和倾转位置。
其中，所述左右调节位置的步骤包括：
S3.1：计算钢丝绳的初始原长。
S3.2：计算吊具左移或右移后的钢丝绳理论长度。
S3.3：修正钢丝绳的绳长变化量。
S3.4：计算在钢丝绳竖直方向的分力。
其中，所述前后调节位置的步骤包括：
S4.1：计算钢丝绳的初始原长。
S4.2：计算吊具前移或后移后的钢丝绳理论长度。
S4.3：修正钢丝绳的绳长变化量。
S4.4：计算在钢丝绳竖直方向的分力。
其中，所述倾转位置的步骤包括：
S5.1：计算钢丝绳的初始原长。
S5.2：计算吊具顺时针旋转一定角度后的钢丝绳理论长度。
S5.3：修正钢丝绳的绳长变化量。
S5.4：计算在钢丝绳竖直方向的分力。
下面来进一步具体说明上述计算方法。
对于吊具左右调节工况：
参照图1，钢丝绳的初始原长：
Figure BDA0002031815550000061
(l0为悬吊高度)右移ofstr后的理论长度为：
Figure BDA0002031815550000062
Figure BDA0002031815550000063
其中，ofstr表示吊具左右平移距离，单位为m。
根据实验数据修正之后的公式为：
Figure BDA0002031815550000064
Figure BDA0002031815550000065
式中，D0为载荷大小，单位(t)。
于是，绳长的变化量Δl14、Δl23为：
Figure BDA0002031815550000066
Figure BDA0002031815550000067
竖直方向分力计算公式：
Figure BDA0002031815550000068
Figure BDA0002031815550000071
式中：辅助电机减速器减速比为i，辅助电机的卷筒直径为dr，滑轮倍率为n，T14代表1号和4号电机输出力矩，T23代表2号和3号电机输出力矩，单位为(Nm)。
对于吊具前后调节的工况：
参照图1，钢丝绳的初始原长：
Figure BDA0002031815550000072
(l0为悬吊高度)
前移ofstr后的理论长度为：
Figure BDA0002031815550000073
Figure BDA0002031815550000074
其中，ofstf表示吊具前后平移距离，单位为m。
根据实验数据修正之后的公式为：
Figure BDA0002031815550000075
Figure BDA0002031815550000076
式中，D0为载荷大小，单位(吨/t)。
于是，绳长的变化量Δl12、Δl34为：
Figure BDA0002031815550000077
Figure BDA0002031815550000078
竖直方向分力计算公式：
Figure BDA0002031815550000079
Figure BDA00020318155500000710
式中：辅助电机减速器减速比为i，辅助电机的卷筒直径为dr，滑轮倍率为n，T12代表1号和2号电机的输出力矩，T34代表3号和4号电机的输出力矩，单位为(Nm)。
对于吊具倾转的工况：
参照图2，钢丝绳的初始原长：
Figure BDA0002031815550000081
(l0为悬吊高度)
顺时针旋转γ后的理论长度为：
Figure BDA0002031815550000082
Figure BDA0002031815550000083
考虑过零点及奇对称约束条件，根据实验数据修正之后的公式为：
Figure BDA0002031815550000084
Figure BDA0002031815550000085
式中，D0为载荷大小，单位(吨/t)。
于是，绳长的变化量Δl13、Δl24为：
Figure BDA0002031815550000086
Figure BDA0002031815550000087
竖直方向分力计算公式：
Figure BDA0002031815550000088
Figure BDA0002031815550000089
式中：辅助电机减速器减速比为i，辅助电机的卷筒直径为dr，滑轮倍率为n，T13代表1号和3号电机的输出力矩，T24代表2号和4号电机的输出力矩，单位为(Nm)。
如图5所示，采用上述计算方法，本发明能够折算辅助钢丝绳受力情况，将其和主钢丝绳上的重量传感器数值进行叠加，实现负载计算及保护功能。
下面通过一个实施例来进一步说明上述技术方案。
以吊具前后调节的工况为例，在某具体工况中，吊具的具体参数如下表所示：
参数说明 数值 备注
主起升绳吊具滑轮沿x方向间距a1(m) 1.75 取均值
主起升绳吊具滑轮沿z方向间距a2(m) 5.2 取均值
辅助电机沿x方向间距b1(m) 4.7
辅助电机沿z方向间距b2(m) 1.6
辅助钢丝绳吊具滑轮沿x方向间距c1(m) 1.632
辅助钢丝绳吊具滑轮沿z方向间距c2(m) 5.395
起升卷筒两侧起升绳沿x方向平均间距d1(m) 1.75
起升卷筒中心沿z方向间距d2(m) 5.2
辅助电机减速器减速比i 146.5
辅助电机输出卷筒直径(m) 0.288
防摇辅助钢丝绳滑轮倍率n 2
重力加速度g(m/s<sup>2</sup>) 9.8
载荷D<sub>0</sub>(t) 变量 11.8～51.8
起升高度l<sub>0</sub>(m) 变量 4.6～24.35
辅助电机转矩T(Nm) 变量 0～26
前后偏差ofst<sub>f</sub>(mm) 变量 +/-200
左右偏差ofst<sub>r</sub>(mm) 变量 +/-200
旋转角度γ° 变量 +/-5
竖直分力F<sub>V12</sub>(N)，F<sub>V34</sub>(N) 计算值
表1：吊具具体工况参数表
上述表格中各个变量的取值为：
起升高度位于下停止位置：l0＝24.35m
辅助钢丝绳输出张紧力矩：T12＝7Nm，T34＝5Nm
吊具处于空载状态：D0＝11.8t
并向前平移100mm：ofstf＝100，ofstr＝0，γ＝0
根据公式
Figure BDA0002031815550000091
Figure BDA0002031815550000101
可得，
1，2号辅助钢丝绳竖直分力FV12＝23.952KN
3，4号辅助钢丝绳竖直分力FV34＝7.4697KN
最后，将4根辅助钢丝竖直分力进行汇总计算，除以重力加速度，就得到重量补偿值为6.4125吨。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (11)

1.一种用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据小车上辅助电机的输出力矩计算辅助钢丝绳的受力情况；
计算小车吊具的左右调节位置、前后调节位置和倾转位置；
其中，所述左右调节位置的步骤包括：
计算钢丝绳的初始原长；
计算吊具左移或右移后的钢丝绳理论长度；
修正钢丝绳的绳长变化量；
计算在钢丝绳竖直方向的分力；
其中，所述前后调节位置的步骤包括：
计算钢丝绳的初始原长；
计算吊具前移或后移后的钢丝绳理论长度；
修正钢丝绳的绳长变化量；
计算在钢丝绳竖直方向的分力；
其中，所述倾转位置的步骤包括：
计算钢丝绳的初始原长；
计算吊具顺时针旋转一定角度后的钢丝绳理论长度；
修正钢丝绳的绳长变化量；
计算在钢丝绳竖直方向的分力，
其中，左右调节位置的计算步骤中，修正钢丝绳的绳长变化量的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000011
Figure FDA0002357464730000012
其中，前后调节位置的计算步骤中，修正钢丝绳的绳长变化量的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000013
Figure FDA0002357464730000014
其中，倾转位置的计算步骤中，修正钢丝绳的绳长变化量的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000021
Figure FDA0002357464730000022
以上公式中，l0为悬吊高度，b1是辅助电机沿x方向间距，b2是辅助电机沿z方向间距，c1是辅助钢丝绳吊具滑轮沿x方向间距，c2是辅助钢丝绳吊具滑轮沿z方向间距，ofstr表示吊具左右平移距离，ofstf表示吊具前后平移距离，γ为顺时针旋转的角度，D0为载荷大小。
2.如权利要求1所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，所述钢丝绳初始原长的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000023
其中，l0为悬吊高度，b1是辅助电机沿x方向间距，b2是辅助电机沿z方向间距，c1是辅助钢丝绳吊具滑轮沿x方向间距，c2是辅助钢丝绳吊具滑轮沿z方向间距。
3.如权利要求2所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，所述吊具左移或右移后的钢丝绳理论长度的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000024
Figure FDA0002357464730000025
其中，ofstr表示吊具左右平移距离。
4.如权利要求3所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，
绳长的变化量Δl14、Δl23为：
Figure FDA0002357464730000026
Figure FDA0002357464730000027
其中，D0为载荷大小，单位为吨。
5.如权利要求4所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，左右调节位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure FDA0002357464730000031
Figure FDA0002357464730000032
其中，i为辅助电机减速器减速比，dr为辅助电机的卷筒直径，n为滑轮倍率，T14代表1号和4号电机输出力矩，T23代表2号和3号电机输出力矩，单位为Nm。
6.如权利要求2所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，所述吊具前移或后移后的钢丝绳理论长度的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000033
Figure FDA0002357464730000034
其中，ofstf表示吊具前后平移距离。
7.如权利要求6所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，
绳长的变化量Δl12、Δl34为
Figure FDA0002357464730000035
Figure FDA0002357464730000036
其中，D0为载荷大小，单位为吨。
8.如权利要求7所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，前后调节位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure FDA0002357464730000037
Figure FDA0002357464730000041
其中，i为辅助电机减速器减速比，dr为辅助电机的卷筒直径，n为滑轮倍率，T12代表1号和2号电机输出力矩，T34代表3号和4号电机输出力矩，单位为Nm。
9.如权利要求2所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，所述吊具顺时针旋转一定角度后的钢丝绳理论长度的计算公式为：
Figure FDA0002357464730000042
Figure FDA0002357464730000043
其中，γ为顺时针旋转的角度。
10.如权利要求9所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，
绳长的变化量Δl13、Δl24为：
Figure FDA0002357464730000044
Figure FDA0002357464730000045
其中，D0为载荷大小，单位为吨。
11.如权利要求10所述的用于小车集装箱门式起重机的重量传感器补偿方法，其特征在于，倾转位置的计算步骤中，计算在钢丝绳竖直方向的分力的公式为：
Figure FDA0002357464730000046
Figure FDA0002357464730000047
其中，i为辅助电机减速器减速比，dr为辅助电机的卷筒直径，n为滑轮倍率，T13代表1号和3号电机输出力矩，T24代表2号和4号电机输出力矩，单位为Nm。
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