專利名稱：塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塔式起重機的安全保護(hù)系統(tǒng)及其方法，特別涉及一種塔式起重機在運行狀態(tài)下能夠?qū)崟r自動監(jiān)測并進(jìn)行自動安全保護(hù)的系統(tǒng)及其方法。
塔式起重機具有塔高、臂長、有效服務(wù)空間大的特點，因而在建筑工程上獲得廣泛應(yīng)用，我國年銷售量大約在3000臺左右。近10年來，隨著高層、超高層建筑的興起，自升塔式起重機需要量猛增，并向大型化、高速化、大高度化、長吊臂、自動化和多功能復(fù)雜化方向發(fā)展，于是塔機的可靠性和安全性日益重要。塔機運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和自動保護(hù)技術(shù)正逐步被工程界和制造廠家采用。
反映塔機運行狀態(tài)的參數(shù)主要有起吊重量、起吊力矩、起吊速度、位置，小車變幅位置、速度，回轉(zhuǎn)角度、速度等。塔機運行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)不僅是自動保護(hù)和故障診斷工作的先決條件，也是提高塔機作業(yè)率、減輕勞動強度、防止事故、保障人身和設(shè)備安全的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)已成為制約塔機向大型、高速、自動化方向發(fā)展的因素之一。據(jù)統(tǒng)計，在塔機事故中，大量屬于司機對上述狀態(tài)參數(shù)不清楚操作失誤所造成，因而塔機運行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與自動保護(hù)問題就提出來了。
目前在國產(chǎn)塔機上僅配置了力矩限制器，位置限制器，速度限制器等裝置，其缺點是1、不能實時監(jiān)測塔機的運行參數(shù)，因而不能將塔機的運行狀態(tài)及時顯示給司機，以便及時調(diào)整。
2、這些保護(hù)裝置長期使用后其自身的可靠性大大降低，一旦失靈，司機又無法知道。
3、對上述參數(shù)的監(jiān)測基本上是單獨進(jìn)行，不能對諸多運行參數(shù)同步進(jìn)行監(jiān)測，不能在計算機的統(tǒng)一管理下對各運行參數(shù)作融合處理為塔機狀態(tài)識別或故障診斷提供依據(jù)。
本發(fā)明的目的在于利用塔機的結(jié)構(gòu)特點，提供一種在駕駛室內(nèi)能夠?qū)崟r自動監(jiān)測并顯示塔機工作狀態(tài)各項性能參數(shù)、并能夠進(jìn)行自動安全保護(hù)的系統(tǒng)及其方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的塔式起重機主要包括塔身(1)、吊臂(2)、平衡臂(3)和三個運動部件，即起升機構(gòu)(4)、小車變幅機構(gòu)(5)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)(6)等。塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)主要包括檢測上述運動部件工作狀態(tài)的多個傳感器；接受上述傳感器電信號的單片機接口；進(jìn)行程序運算的單片機；用于輸入?yún)?shù)的鍵盤和顯示各計算參數(shù)的顯示器；發(fā)出聲光報警的報警器和斷電停機的系統(tǒng)保護(hù)裝置。
塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測方法，包括以下步驟(a)、首先使用單片機內(nèi)初始位置行程開關(guān)進(jìn)行塔機吊重、車位、回轉(zhuǎn)初始位置檢則，將檢測信號送至單片機接口，然后，從鍵盤輸入塔機起吊高度；(b)、吊重檢測使用拉力傳感器(8)將起吊重量轉(zhuǎn)換成電信號，通過動態(tài)應(yīng)變儀放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送至單片機接口，單片機計算出吊重；(c)、起吊位置及速度檢則使用光電傳感器(10)將起升機構(gòu)導(dǎo)向輪(9)的轉(zhuǎn)角變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送至單片機接口；同時，將控制吊重向上、向下位置的控制按鈕所發(fā)出的信號也接入單片機接口；單片機計算出吊重的高度和運行速度；當(dāng)超限值出現(xiàn)時，單片機發(fā)生信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；(d)、小車位置及速度檢測使用光電傳感器(11)將小車行走的速度和位置變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送至單片機接口；同時，將控制小車向前、向后的控制按鈕信號接入單片機接口；單片機進(jìn)行程序計算，計算出小車變幅的位置和速度；當(dāng)超限值出現(xiàn)時，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；(e)、塔機回轉(zhuǎn)角度及速度檢測使用光電傳感器(13)，將回轉(zhuǎn)機構(gòu)的位置與速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送至單片機接口；同時將控制塔機左、右回轉(zhuǎn)的控制按鈕所發(fā)出信號接入單片機接口；單片機計算出回轉(zhuǎn)高度及速度；當(dāng)有超限出現(xiàn)時，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；(f)、綜合上述塔機各性能參數(shù)，單片機計算出起吊力矩，并在顯示器上顯示出上述各性能參數(shù)；(g)、如果起吊力矩超過設(shè)定限值時，單片機發(fā)出信號驅(qū)動聲光報警器報警，同時控制固態(tài)繼電器斷開主回路接觸器的控制線圈，從而切斷電動機主回路；(h)、當(dāng)塔機運行時，上述(b)～(g)步驟反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。
本發(fā)明的優(yōu)點是1、能在一個顯示屏上隨時監(jiān)測到反映塔機運行狀態(tài)的多項參數(shù)起吊重量，起吊力矩，起吊速度及位置，小車變幅位置及速度，回轉(zhuǎn)位置及速度等，提高了塔機的自動化和安全程度。
2、當(dāng)被監(jiān)測參數(shù)超過設(shè)定限值時，可報警或斷電停機，并可自動記錄起重機出現(xiàn)意外時的工況參數(shù)狀態(tài)，提高了塔機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷水平。
3、利用信息融合技術(shù)，將各種監(jiān)測參數(shù)融合后，可以實現(xiàn)空間定位、運行狀態(tài)保護(hù)、典型故障識別等先進(jìn)技術(shù)。
4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、造價低、適合國情，因此市場潛力巨大。
附圖的簡單說明如下

圖1是塔式起重機結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是起升機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是小車變幅結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是回轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本發(fā)明監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)示意圖。
圖6是本發(fā)明實施例原理方框圖。
圖7是實施例檢測流程圖。
圖8是實施例保護(hù)裝置電路示意圖。
圖9是實施例聲光報警電路示意圖。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明涉及的塔機運行狀態(tài)監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)及其方法的實施例。
參見圖1。塔式起重機主要由塔身1、吊臂2、平衡臂3、起升機構(gòu)4、小車變幅機構(gòu)5、回轉(zhuǎn)機構(gòu)6等組成。
參見圖5。塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)，主要包括檢測起吊位置和速度的光電傳感器10(見圖2)，檢測小車位置和速度的光電傳感器11(見圖3)，檢測回轉(zhuǎn)角度和速度的光電傳感器13(見圖4)；接受上述光電傳感器信號的單片機接口；檢測起吊重量的拉力傳感器8(見圖2)，接受該拉力傳感器8電信號的動態(tài)應(yīng)變儀和轉(zhuǎn)換該信號的A/D轉(zhuǎn)換器；接受所需信號并進(jìn)行程序計算的單片機；輸入?yún)?shù)的鍵盤和顯示各計算參數(shù)的顯示器；當(dāng)超限值出現(xiàn)時，發(fā)出聲光報警的報警器和斷電停機的系統(tǒng)保護(hù)裝置。該發(fā)明的傳感器可使用接近開關(guān)。
上述保護(hù)裝置的電路如圖8所示，在電動機M供電主回路15上串聯(lián)一個接觸器(接觸器的主觸頭16，接觸器線圈17)。當(dāng)力矩超限值時，單片機發(fā)生信號，通過固態(tài)繼電器18使接觸器線圈17掉電，切斷電源，從而達(dá)到系統(tǒng)自動保護(hù)的目的。
上述聲光報警的電路如圖9所示。由電阻R1、三極管G1、蜂鳴器組成聲音報警系統(tǒng)；由電阻R2、三極管G2、發(fā)光管、電阻R3組成光報警系統(tǒng)。當(dāng)超限值出現(xiàn)時，單片機發(fā)出信號，聲光報警系統(tǒng)動作。
塔機運行狀態(tài)各性能參數(shù)的檢測如下(1)、吊重檢測拉力傳感器8串接在滑輪組7定滑輪吊繩固定端適當(dāng)位置(見圖2)，將起吊重量G轉(zhuǎn)換成電信號，由動態(tài)應(yīng)變儀放大(見圖6)，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，送入單片機，測量出起吊物體的重量。
(2)、起吊位置及速度檢測光電傳感器10連接在起升機構(gòu)4的導(dǎo)向輪9上(見圖2)，導(dǎo)向輪9的轉(zhuǎn)角變化能反映起吊重物G的起吊位置和速度。將檢測到的導(dǎo)向輪9轉(zhuǎn)角變化電信號送至單片機接口INT。(見圖6)。其檢測原理及操作如下在導(dǎo)向輪9軸上安裝一圓盤，在圓盤上加工出若干個小孔，光電傳感器10與圓盤垂直，當(dāng)塔機起吊時，每當(dāng)小孔轉(zhuǎn)到與傳感器相對的位置，就會產(chǎn)生一個脈沖。由脈沖的個數(shù)及任意兩個脈沖之間的時間間隔，可計算出起吊位置及速度。
檢測時，與吊重向上、向下控制按鈕相接的計算機接口P1.1、P1.2檢測出吊重運動方向，由接口INT。檢測脈沖個數(shù)并對任意兩個脈沖的時間間隔進(jìn)行定時。
起吊位置H1＝H0±n×S起吊速度V＝(H1-H0)/ΔtH1——本次脈沖重物位置H0——上次脈沖重物位置n——脈沖個數(shù)S——每經(jīng)過一個脈沖重物走的距離(3)、小車位置及速度檢測在變幅小車12上安裝光電傳感器11(見圖3)，在小車輪上安裝一個圓盤，在圓盤上加工若干個小孔，光電傳感器11與圓盤垂直，當(dāng)小車運行時每當(dāng)小孔轉(zhuǎn)到與傳感器11相對位置時，便會產(chǎn)生一個負(fù)脈沖。通過對脈沖進(jìn)行計數(shù)及任意兩個脈沖之間的時間差進(jìn)行定時，可計算出小車的瞬時位置及速度。將電傳感器11輸出信號與單片機89C52的接口INT1相連(見圖6)，對該接口脈沖進(jìn)行計算，可獲得經(jīng)過腹桿的個數(shù)，由單片機內(nèi)的定時器對任意兩個脈沖的時間間隔進(jìn)行定時，可檢測出小車經(jīng)過兩個腹桿所用時間，由單片機接口P1.5，P1.6(該接口與控制小車運行方向的按鈕相接)檢測小車向前及向后運動。
小車位置L1＝L0±n×s小車速度v＝(L1-L0)/ΔtL1——本次脈沖小車位置
L2——上次脈沖小車位置n——脈沖個數(shù)s——兩腹桿間的距離(4)、塔機回轉(zhuǎn)角度、回轉(zhuǎn)速度的檢測在塔機回轉(zhuǎn)機構(gòu)6的小齒輪14上安裝光電傳感器13。該傳感器將檢測到的小齒輪13角度變化電信號送到單片機P3.0接口，經(jīng)單片機計算后，給出塔機的回轉(zhuǎn)角度和速度瞬時值。其檢測原理及操作如下塔機回轉(zhuǎn)時，每轉(zhuǎn)過一個齒都會產(chǎn)生一個脈沖，通過對脈沖計數(shù)及任意兩個脈沖時間間隔進(jìn)行定時，可計算出回輪的角度及回輪速度。
由單片機接口P1.3、P1.7(該接口與控制回轉(zhuǎn)方向的按鈕相接)檢測塔機的回轉(zhuǎn)方向，由單片機對P3.0脈沖進(jìn)行計算可得到回轉(zhuǎn)的角度。
回轉(zhuǎn)角度α1＝α0±n×β回轉(zhuǎn)速度v＝(α1-α0)×r/Δtα1——本次回轉(zhuǎn)角度α0——上次回轉(zhuǎn)角度n——回轉(zhuǎn)齒數(shù)β——每轉(zhuǎn)一齒對應(yīng)的角度r——回輪半徑Δt——時間間隔(5)、動態(tài)力矩檢測當(dāng)小車的位置及吊重檢測出來后，運行時的力矩為M＝L×G將運行時的動態(tài)力矩實時地顯示給駕駛室的司機，并與該位置時的額定力矩相比較，可控制小車的運行，提高塔機的安全性。
參見圖7，該發(fā)明檢測流程如下(1)、系統(tǒng)進(jìn)行初始化；(2)、檢測塔機狀態(tài)，檢測吊位、車位、回轉(zhuǎn)是否達(dá)到初始位置，如果N，繼續(xù)檢測，如果Y，進(jìn)行下一個檢測程序；(3)、檢測吊重是否上升或下降，如果Y，吊重有上升或下降動作，單片機計算出吊重的高度及運行速度；如果有超限值出現(xiàn)，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；如果N，吊重沒有上升或下降，進(jìn)行下一個檢測程序；(4)、檢測小車是否向前或向后，如果Y，小車有向前或向后動作，單片機計算出小車位置及運行車速；如果有超限值出現(xiàn)，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；如果N，小車沒有向前或向后行走，進(jìn)行下一個檢測程序；(5)、檢測塔機是否左、右回轉(zhuǎn)，如果Y，塔機有左或右回轉(zhuǎn)動作，單片機計算出回轉(zhuǎn)高度及回轉(zhuǎn)速度；如果有超限值出現(xiàn)，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；如果N，塔機沒有左、右回轉(zhuǎn)，進(jìn)入下一個檢測程序；(6)、單片機計算出吊重、力矩并在顯示器上顯示上述參數(shù)。如果Y，動態(tài)力矩超限值，系統(tǒng)保護(hù)裝置動作斷電停機并發(fā)出聲光報警信號；如果N，系統(tǒng)返回到上述步驟(3)。
塔機工作時，步驟(3)～(6)反復(fù)循環(huán)進(jìn)行，從而實現(xiàn)塔機在運行狀態(tài)下隨時進(jìn)行自動安全檢測和自動安全保護(hù)的功能。
權(quán)利要求
1.一種塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)，該起重機主要包括塔身、吊臂、平衡臂及運動部件起升機構(gòu)、小車變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等，其特征在于，該起重機的安全保護(hù)系統(tǒng)包括檢測上述運動部件工作狀況的多個傳感器；接受上述傳感器電信號的單片機接口；進(jìn)行程序運算的單片機；用于輸入?yún)?shù)的鍵盤和顯示各計算參數(shù)的顯示器；發(fā)出聲光報警的報警器和斷電停機的系統(tǒng)保護(hù)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)測運動部件工作狀況的多個傳感器包括安裝在起重機構(gòu)定滑輪上用于檢測起吊重量的拉力傳感器；安裝在起重機構(gòu)導(dǎo)向輪上用于檢測起吊位置和速度的光電傳感器；安裝于變幅小車上用于測量小車位置和速度的光電傳感器；安裝于塔機回轉(zhuǎn)機構(gòu)上用于檢測回轉(zhuǎn)角度及速度的光電傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括，接受拉力傳感器電信號的動態(tài)應(yīng)變儀和接受該應(yīng)變儀電信號的A/D轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)保護(hù)裝置包括切斷電動機主回路電源的固態(tài)繼電器和接觸器。
5.一種塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測方法，塔式起重機主要包括塔身、吊臂、平衡臂、起升機構(gòu)、小車變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等，該監(jiān)測方法的步驟如下(a)、首先進(jìn)行塔機吊重、小車變幅、回轉(zhuǎn)初始位置檢測，將檢測信號送至單片機接口；(b)、吊重檢測使用拉力傳感器將起吊重量轉(zhuǎn)換成電信號，通過動態(tài)應(yīng)變儀放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送至單片機接口，單片機計算出吊重；(c)、起吊位置及速度檢測使用光電傳感器將起升機構(gòu)導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送至單片機接口；同時，也將控制吊重向上、向下位置的控制按鈕信號接入單片機接口；單片機計算出吊重的高度和運行速度；當(dāng)超限值出現(xiàn)時，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；(d)、小車位置及速度檢測使用光電傳感器，將小車行走的速度和位置變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送至單片機接口；同時，也將控制小車向前、向后的控制按鈕信號接入單片機接口；單片機計算出小車變幅的位置和速度；當(dāng)超限值出現(xiàn)時，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；(e)、塔機回轉(zhuǎn)角度及速度檢測使用光電傳感器，將回轉(zhuǎn)機構(gòu)的位置與速度變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送至單片機接口；同時，也將控制塔機左右回轉(zhuǎn)的控制按鈕信號接入單片機接口；單片機計算出回轉(zhuǎn)高度及速度；當(dāng)有超限值出現(xiàn)時，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動指示燈和報警器報警；(f)、綜合上述塔機各性能參數(shù)，單片機計算出起吊力矩，并在顯示器上顯示出上述各性能參數(shù)；(g)、如果起吊力矩超限時，單片機發(fā)出信號驅(qū)動聲光報警器報警，同時控制固態(tài)繼電器斷開主回路接觸器的控制線圈，從而切斷電動機主回路；(h)、當(dāng)塔機運行時，上述(b)～(g)步驟反復(fù)循環(huán)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種塔式起重機運行狀態(tài)監(jiān)測安全保護(hù)系統(tǒng)及其方法。該保護(hù)系統(tǒng)包括傳感器、單片機、鍵盤、顯示器、聲光報警器及系統(tǒng)保護(hù)裝置。該安全保護(hù)系統(tǒng)能夠檢測出吊重、起吊位置及速度、小車位置及速度、塔機回轉(zhuǎn)角度及速度、起吊力矩等各性能參數(shù)。該發(fā)明的優(yōu)點是:能隨時監(jiān)測上述各項參數(shù),當(dāng)超限值出現(xiàn)時,能自動聲光報警或斷電停機,提高塔機運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷水平;該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、造價低,適合國情,市場潛力巨大。
文檔編號B66C15/06GK1250745SQ9911581
公開日2000年4月19日 申請日期1999年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月30日
發(fā)明者谷立臣, 董建園 申請人:西安建筑科技大學(xué)