履带吊起重量算法|转向节起重机力限制器的空载校准算法*

李晓飞1 朱文峰2 陈泽鹏1 李兴华1

1 韶关起重机械有限公司 韶关 512025 2 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室 西安 710064

摘要：力矩限制器是起重机必不可少的安全保护装置。可实时记录起重机的起重量、臂架角度、臂架长度和工作范围。当起重量大于额定重量时，会报警并自动控制安全。. 本文研究了折臂起重机力矩限制器的算法。由于副臂的存在，力矩限制器的算法与汽车起重机的算法不同。有必要提出有针对性的空载校准算法。对手臂头部有效。结合折臂起重机的结构和受力特性履带吊起重量算法，建立了工作装置的数学模型，通过对臂架重量和重心进行标定，实现了空载标定。

关键词：折臂起重机；力矩限制器；安全保护装置；空载校准算法

CLC 编号：TH213 文件识别码：A 货号：1001-0785 (2020）02-0042-05

0 前言

为更好地指导起重机进行起重作业，保护起重机免受超载造成结构件损坏或倾覆事故，GB12602-2009明确了起重机械过载保护装置的功能、技术要求和精度要求。综合转矩限制器要求其综合误差不超过±5%[1,2]。在汽车起重机领域，扭矩限制器已成为标准配置，其功能也越来越强大。除了臂长、仰角、振幅、高度、起重量显示和过载力矩保护等基本功能外，还扩展了过载信息。录音、智能辅助吊装、虚拟墙等功能。通过算法的不断优化，起重载荷的精度也在不断提高。操作人员根据扭矩限制器提供的精确信息进行起重作业，设备操作更简单，劳动强度显着降低。

在扭矩限制器算法方面，陈友等人。中南大学基于伸缩臂起重机臂架受力分析建立了基于变幅油缸压力的起重机扭矩计算模型，并提出了一种新的主​​臂自重校准算法。主要研究了伸缩臂变形补偿算法，并通过Matlab对该算法进行了仿真，并就神经网络在伸缩臂起重机力矩计算中的应用进行了相关研究。目前，该算法在汽车起重机中得到广泛应用，但在转向臂起重机中应用较少[3,4]。姚丽娟等。采用了将BP网络的函数逼近性能与转矩限制器的转矩平衡理论相结合的方法，并根据现场采集的汽车起重机工况数据设计BP网络结构，并对数据样本进行训练吊车出租，从而构建扭矩限制器的计算方法。吊装网络模型[5]。大连理工大学赵海涛进行了大型履带起重机扭矩限制器系统的研究与设计，设计并搭建了硬件系统的调试平台，分析了系统的非线性检测算法履带吊起重量算法，分析并实现了起重性能表和试验数据。回归模型的方法[6]。高顺德等。提出了一种基于动臂运动学分析的齐次坐标变换方法，可以准确计算出动臂头的位置坐标，然后根据折臂随车起重机二维分布的额定起重性能确定实时的额定起重量。为有效防止超载运行，采用销式传感器测量起重重量[7]。长安大学罗平通过分析汽车起重机的结构，建立了起重机载荷的数学模型，并利用PLC设计了扭矩限制器的软硬件，降低了系统成本[8]。国外的折臂起重机，如Palfinger、Effer等，采用简单的力矩保护方案，也是通过检测变幅液压缸的压力状态来实现保护，但未能提供详细的起重信息。经过分析，主要原因是与汽车起重机相比，转向节臂起重机多了一个臂架[9]，它不能像汽车起重机一样通过有限数据的空载校准来准确测量臂架质量和重心位置。数据不准确会导致显示的起重载荷与实​​际起重载荷存在较大误差。

本文通过分析转向节式起重机的机构特点和受力情况，建立工作装置的数学模型，提出了一种新的空载标定算法。片刻。

1 原理分析

力矩限制器利用力矩平衡原理计算实际起重量，如图1所示。

图1 折臂起重机受力分析图

臂架、伸缩臂架、第一变幅液压缸、第二变幅液压缸的自重分别为m1、m2、m3和m4，重心水平臂杆末端的铰链点 O。方向上的投影距离分别为L1、L2、L3和L4，起重载荷的重量为mL，重心到臂架铰接点的投影距离为水平方向为L5。液压缸无杆腔和有杆腔的压力分别为P1和P2，作用面积分别为A1和A2，作用力方向为H相对于臂架后铰点力臂, 与垂直方向的夹角为 θ,

在扭矩限制器硬件系统中，提供了压力传感器、倾斜传感器和长度角传感器。压力传感器用于检测第一变幅液压缸无杆腔和有杆腔的压力信息，倾角传感器用于获取仰角信息，长度角传感器用于获取长度和角度信息的伸缩臂。然而，动臂、伸缩动臂、第一变幅液压缸、第二变幅液压缸的质量以及动臂重心位置无法通过传感器获得。臂尾铰链点位置比较近，相关参数可以在3D软件中获取，但是伸缩臂重心远，并且臂的长度由于结构构件的挠曲而改变。仅从3D模型中获取质量和重心数据，无法满足扭矩限制。因此，需要在算法中进行空载校准以获得相关数据。

汽车起重机力矩限制器采用空载标定算法，假设臂架重心在臂架头部，如图2所示。臂架不起升时，根据力矩平衡原理，计算臂杆头部的臂杆等效质量。由于臂架在不同长度和角度下的等效质量不同，需要进行无穷值标定。为了减少标定的工作量和占用控制器有限的存储空间，扭矩限制器的算法通常只标定有限的值，例如在指定角度的臂架质量和指定长度等值的位置。动臂头，

在确定空载mea和meb值后，对于位于Lea和Leb之间的任意位置Lex，臂头在臂头处的当量重量为

与汽车起重机相比，折臂起重机多了一个臂架。如果仍然使用汽车起重机的空载校准方案，则存在以下问题：

1）空载标定数据量大增：汽车起重机只为伸缩臂长度和仰角两个变量确定一个点，是一个二维值。所以在空载标定中，只需要设置两到三个仰角，每个仰角设置5-6组臂长数据，总共10-18组空载数据，并可实现结构自重的准确计算。折臂起重机多了一个起重臂，一个点由起重臂仰角、伸缩臂仰角和伸缩臂臂长三个变量决定，是一个三维值。假定的动臂校准 3

伸缩臂分别标定了3个角度和6个长度，总空载标定数据量达到54组，空载标定时间和扭矩限制器的存储空间占用较多。

2）未标定状态下臂头等效质量的算法比较复杂，如图3所示。

假设臂角α和伸缩臂长度L2不变，只改变伸缩臂的角β，两点（β1，Meq1）和（β2，Meq2)）为分别标定吊车出租，而在任何其他角度βx处的标定值Meqx与这两个标定值相关为

图 2 汽车起重机臂头等效质量

图3 折臂起重机重心位置示意图

由公式（6）可知，在折臂起重机中，计算伸缩臂的当量自重，首先要得到臂的自重和重心，则可进一步计算臂头处的等效质量； ，当伸缩臂的角度和长度不变，臂的角度α发生变化时，还需要先得到臂的质量和重心，然后获得臂头的等效质量。

2 折臂起重机空载标定算法

为了降低转向节起重机力矩限制器的算法复杂度，减少空载标定的次数，提供控制器的计算效率和精度。在本文中，提出了一种校准伸缩臂质量和重心的算法。在伸缩臂长度相同的情况下，其自重质量和重心相对于伸缩臂铰点旋转轴线E是固定的；臂架的质量和重心位置确定后，无论臂架与伸缩臂架的角度如何变化，伸缩臂架到臂架后铰点的自重力矩都可以得到有效得到，根据公式（2），可以计算出实际提升量。

由公式（6）可知，伸缩臂长度确定后，只需要标定两个点即可得到臂的质量和重心。质量和重心可以通过线性差分法得到，具体的标定方法分为以下三个步骤：

1）将臂架长度调整到指定值，将臂架角度和伸缩臂架角度调整到指定值。控制器根据传感器获取臂架高度α1、伸缩臂架长度L2和角度β1。计算相当于手臂头部的质量 Meq1。

2）臂架臂长不变，臂架角度不变，伸缩臂架角度调整到另一个规定值β2，控制器计算当量臂头质量Meq2。

3）控制器根据Meq1和Meq2以及得到的两组长度和角度数据，按照公式6计算臂架质心位置Mc2和Lc2。如果已知伸缩臂的重量，则可以直接校准重心位置。

3 测试验证

如图 4 所示，该算法在某型折叠旋臂起重机上进行了验证。转向节式起重机的力矩限制器系统包括长度角传感器、倾角传感器、用于检测第一变幅液压缸无杆腔和有杆腔内压力的压力传感器和显示控制一体机。其软件算法使用已知的伸缩臂质量并直接校准伸缩臂重心。不同臂长标定的重心位置如图5所示。进行不同工况下的吊装试验，记录实测吊装载荷和实际吊装载荷，并记录试验结果

如表1所示。测试数据表明，该算法能较好地实现起重重量的测量，显示质量与实际质量的误差小于3.5%，满足国家标准。

图 4 配备力矩限制器系统的折臂起重机

图5 起重臂重心位置

4。结论

本文研究了折臂起重机力矩限制器的称重原理，提出了一种不同于汽车起重机的空载标定算法。该算法只需要阵列的标定数据即可计算伸缩臂的自重和重心位置。将空载标定算法应用于某型折臂起重机进行测试。测试结果表明，力矩限制器可以在不同工况下显示高精度的起重量信息。

参考

[1] GB 12602—2009 起重机械过载保护装置[S].

[2] 卜小平，李伟新，何伟成。大型汽车起重机扭矩限制器算法研究[J]. 建筑机械化, 2017(8): 35-38.

[3] 陈友. 伸缩臂起重机力矩限制器功能参数算法研究[D]. 长沙：中南大学，2013.

[4] 陈友，郭勇。伸缩臂起重机扭矩限制器算法研究[J]. 广西大学学报, 2013 (2): 320-324.

[5] 姚丽娟，曾阳，郑庆华。汽车起重机扭矩限制器算法模型的实现[J]. 机械设计与研究, 2011 (1):106-108.

[6] 赵海涛. 履带式起重机力矩限制器系统的研究与设计[D]．大连：大连理工大学，2009.

[7] 高顺德，牟晶晶．折臂式随车起重机扭矩限制器算法研究与实现[J]. 工程机械, 2012 (8):92-96.

[8] 罗平. 扭矩限制器的研究与开发[D]. 西安：长安大学履带吊起重量算法|转向节起重机力限制器的空载校准算法*，2010.

[9] 赵银珍. 折臂随车起重机和折臂随车起重机的结构特点及市场前景[J]. 起重运输机械, 2008 (11): 41-43.