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摘 要：针对起重机司机无法判断吊装中吊钩是否处于垂直状态，以及至少近三十年滞留在从吊钩钢丝绳上检测吊重摆角却未得到普遍应用，文章介绍一种不存在难点、疑点的吊重摆角检测装置，并阐述了显示实时吊重摆角起重机的优势。
关键词：起重机；吊重摆角；垂直吊装；吊车
中图分类号：TH213 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）20-0007-02
1 吊重摆角检测显示的必要性
起重机稳定性差，起重施工规范规定“使用流动式起重机起吊工件时吊钩偏角不应超过3？觷”（吊钩偏角即吊重摆角），故垂直吊装是起重机安全作业的基本要求，单机旋转法吊装立式重物要通过边提升的速度与边回转之速度的配合才能实现垂直吊装；单机滑移法吊装立式重物要通过起重机提升速度与其它机械牵引立式重物滑移速度的配合才能实现垂直吊装；起重机抬吊时，依据速度投影定理，若要实现立式设备或重物的垂直吊装，主机的提升速度与辅机的移送速度之比值，应等于主机的吊点与辅机的吊点连线的斜率，由于吊装中斜率在不断改变，尤其是大仰角下吊装更难控制，但是，目前起重机设计先进操控灵活，许多还采用先导式手柄，只要在司机操作室装设吊重摆角的动态显示，即可依此控制起重机消除吊重摆角，实现垂直吊装。因而无论从实现起重机垂直吊装还是从防止斜吊、控制吊钩偏摆或克服力矩限制器未能反映斜吊状态，以及实现操作自动化，起重机吊重摆角的检测都是不可或缺的。
2 从吊钩钢丝绳上检测吊重摆角的难点、疑点
起重机吊重摆角的检测，多年来通过检测吊钩钢丝绳（吊绳）的角度得到或通过机器视觉技术检测吊钩垂直姿态，由于机器视觉技术受同视、光线、周围环境等多种条件限制，难以普遍用于起重机吊重摆角的检测。以下仅从吊绳检测吊重摆角的方案进行分析：从吊绳测量吊绳摆角的共同点是由滑轮组多根吊绳中选择一根吊绳作为检测对象，由于提升滑轮组由定、动滑轮与穿绕的吊绳及吊钩组成，吊绳无论顺穿或花穿吊绳之间并不完全平行，定、动滑轮间也常存在一定相对偏扭角度，尤其是当定、动滑轮间距缩小时，故从吊绳测量吊重摆角并不精确，为什么只从吊绳上检测吊重摆角。据笔者不完全检索，国外至少早在20世纪80年代就有SU1257050A1俄国专利文献于1986年9月15日公开了从吊绳检测吊重摆角的方案，如图1SU1257050A1所示，将三角型框架1通过二侧托轮3夹于吊绳5上，且三角型框架1在吊绳摆动时可绕滑轮轴4转动，在三角型框架的台面上装设角度测量仪2以检测吊绳5的摆角。
问题是检测吊绳的摆角却不允许在运行中的吊绳上装设角度测量仪，不在吊绳上装设角度测量仪又要准确检测吊绳的摆角是个难题，这是因为要将吊绳的偏摆信号传出，角度测量仪就要接触吊绳，而吊绳总是在运行之中，故在向角度测量仪传递吊绳的偏摆信号同时，也就不可避勉向角度测量仪传递因吊绳的运行而产生的干扰信号，以图1所示的检测方案为例，设吊绳顺时针方向运行，因托轮3夹于吊绳之间，吊绳必须与托轮接触以传递出吊绳偏摆信号，与此同时也就传递因吊绳顺时针方向运行，在与托轮的摩擦力作用下而产生的干扰信号，即使此时滑轮组呈铅垂状态，而三角型框架的台面也会出现左高右低的微小变化，从而导致角度测量仪错误显示出提升滑轮组垂直度偏差角度或吊重摆角，且吊绳运行的起、停以及运行方向在不断改变，而起重施工规范[1]规定“使用流动式起重机起吊工件时吊钩偏角不应超过3？觷”故对此种小角度的摆角检测，要将干扰有效排除至不影响正常的检测难度大，尽管检测方案各异但是或多或少总会受到影响，为此从吊绳测量吊重摆角的方案总是不尽人意。我国ZL02104525.9吊车吊绳的角度测量装置，从2003年公开至今也有十年，而我国近些年此类专利申请量增多，并由有实力的起重机制造厂提出了多种方案。
虽然对吊重摆角的检测早就得到重视，构思巧妙方案各异的从吊绳测量吊重摆角的尝试不断，但是迄今起重机上依然缺失吊重摆角的显示，故究其原因应与滞留在从运行的吊绳上检测吊重摆角有关，因而要寻找其他可行方案。
3 直接检测提升力作用线摆角的方案
由于吊重摆角是指通过吊钩的滑轮组提升力作用线偏离铅垂线的角度，因而吊重摆角可以通过直接检测吊装中提升力作用线偏离铅垂线的角度得到。
现介绍一种吊重摆角检测方案，即同等量增加起重机提升滑轮组动滑轮两侧护板长度尺寸后，在所增长出的两侧护板内侧空置的位置上固定装设满足吊重摆角0？觷时所设的平台面为水平面的平台。在所述的平台面上居中建立直角坐标，装设检测所述的平台面相对于水平面倾角的角度测量仪，因为所述的平台面与水平面间的夹角，数值上就等于吊重摆角。
3.1 以万向水平仪对吊重摆角检测原理说明
3.2 装设吊重摆角检测装置的实施
用于吊重摆角检测可供备选的角度测量仪众多，考虑传统传感器体积较大，受惯性力影响大而精度低，应将MEMS传感器列为首选。
以下例举一种用双轴角度传感器检测吊重摆角的装置：
①首先将起重机提升滑轮组动滑轮两侧护板（或称夹板）尺寸各增长30 cm，在护板下部仍保持固定一横梁，吊钩用螺毋固定在横梁上，从而拉大滑轮与吊钩钩头间距，提供了在护板内侧空置（该处及空间未被佔用）的位置上装设检测装置的空间，由于在护板两侧空置的位置上装设，简化了结构且有利于装置的装设与防护，但为了无线传输要采取措施，如将装设无线发射器一侧的护板用无磁性的玻璃钢制造。
②在护板内侧空置的位置上固定装设满足吊重摆角0？觷时所设的平台面为水平面的平台；在所述的平台面居中建立十字垂直坐标，装设检测所述的平台面相对于水平面二维倾角的MEMS双轴角度传感器；同时装设无线发射器；并在另一侧护板内侧装设大容量电池对装置供电。
③在起重机操作室装设无线接收器、天线，和控制显示器。 图4为双轴倾角无线采集方框图，主要由传感器模块，无线发射模块，无线接收模块，PC机4部分组成。传感器模块和无线发射模块（配天线）装设于动滑轮护板增长后的护板内侧上，无线接收模块（配天线）和PC机装设于起重机操作室或监控点。其中传感器模块由双轴倾角传感器、调理电路组成，无线发射模块由A/D转换部分、无线收发单片机和发射电路组成，无线接收模块由无线收发单片机、接收电路，及串口电路组成，PC机部分主要由PC机及串口通信软件、LED指示电路组成。
但是由于起重机种类众多、型号规格各异，在检测方案确定、包括角度测量仪具体选用上要从是否可行以及技术上、经济上进行比较确定。
3.3 从动滑轮护板装设角度测量仪检测吊重摆角的特点
一是角度测量仪可直接装设在被检测物体上；二是检测吊重摆角是检测所设平台面相对水平面的角度；三是依MEMS传感技术检测运行的所设平台面相对水平面的角度属于可靠的现有技术，且起重机吊钩相对只是属于缓慢运行的物体，因而于动滑轮护板装设角度测量仪检测吊重摆角不存在难点、疑点，故可在起重机上普遍应用。
4 显示实时吊重摆角起重机的优势
在起重机上装设吊重摆角检测装置，即成为具有显示实时吊重摆角的起重机，同时具有新的技术效果：
①结束了起重机司机无法判断其吊钩是否处于垂直状态。
②将改变吊装时由吊装指挥者，依据监视被吊重物垂直吊装者提供的信息指挥起重机司机操控实现垂直吊装的、这种既不及时又不准确的作法。
③由于实时显示吊重摆角，可为稳钩、减小吊重摆角的操作提供依据。
④由于实时显示吊重摆角，可有效防斜吊。
⑤起重机旋转法吊装重物时，可依起重机司机操作室显示的吊重摆角，调整起重机边提升速度与边旋转速度间的配合，实现垂直吊装。
⑥起重机滑移法吊装重物时，可依起重机司机操作室显示的吊重摆角操控提升速度实现垂直吊装。
⑦起重机抬吊时，主、辅机可各依据司机操作室显示的吊重摆角操控主机提升与辅机跟送的速度，主、辅机配合以消除吊装中吊重摆角，实现垂直吊装。
⑧可为完善起重机力矩限制器未能反映斜吊提供实时的吊重摆角。
⑨可为进一步开发完善起重机监控仍至操作自动化提供必要的、实时吊重摆角。
5 结 语
在起重机上装设吊重摆角检测装置，为起重机增添了新的功能，从而开发出具有显示实时吊重摆角的新一代起重机。
参考文献：
[1] SH/T 3536-2011，石油化工工程起重施工规范[S].
关键词：起重机；吊重摆角；垂直吊装；吊车
中图分类号：TH213 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）20-0007-02
1 吊重摆角检测显示的必要性
起重机稳定性差，起重施工规范规定“使用流动式起重机起吊工件时吊钩偏角不应超过3？觷”（吊钩偏角即吊重摆角），故垂直吊装是起重机安全作业的基本要求，单机旋转法吊装立式重物要通过边提升的速度与边回转之速度的配合才能实现垂直吊装；单机滑移法吊装立式重物要通过起重机提升速度与其它机械牵引立式重物滑移速度的配合才能实现垂直吊装；起重机抬吊时，依据速度投影定理，若要实现立式设备或重物的垂直吊装，主机的提升速度与辅机的移送速度之比值，应等于主机的吊点与辅机的吊点连线的斜率，由于吊装中斜率在不断改变，尤其是大仰角下吊装更难控制，但是，目前起重机设计先进操控灵活，许多还采用先导式手柄，只要在司机操作室装设吊重摆角的动态显示，即可依此控制起重机消除吊重摆角，实现垂直吊装。因而无论从实现起重机垂直吊装还是从防止斜吊、控制吊钩偏摆或克服力矩限制器未能反映斜吊状态，以及实现操作自动化，起重机吊重摆角的检测都是不可或缺的。
2 从吊钩钢丝绳上检测吊重摆角的难点、疑点
起重机吊重摆角的检测，多年来通过检测吊钩钢丝绳（吊绳）的角度得到或通过机器视觉技术检测吊钩垂直姿态，由于机器视觉技术受同视、光线、周围环境等多种条件限制，难以普遍用于起重机吊重摆角的检测。以下仅从吊绳检测吊重摆角的方案进行分析：从吊绳测量吊绳摆角的共同点是由滑轮组多根吊绳中选择一根吊绳作为检测对象，由于提升滑轮组由定、动滑轮与穿绕的吊绳及吊钩组成，吊绳无论顺穿或花穿吊绳之间并不完全平行，定、动滑轮间也常存在一定相对偏扭角度，尤其是当定、动滑轮间距缩小时，故从吊绳测量吊重摆角并不精确，为什么只从吊绳上检测吊重摆角。据笔者不完全检索，国外至少早在20世纪80年代就有SU1257050A1俄国专利文献于1986年9月15日公开了从吊绳检测吊重摆角的方案，如图1SU1257050A1所示，将三角型框架1通过二侧托轮3夹于吊绳5上，且三角型框架1在吊绳摆动时可绕滑轮轴4转动，在三角型框架的台面上装设角度测量仪2以检测吊绳5的摆角。
问题是检测吊绳的摆角却不允许在运行中的吊绳上装设角度测量仪，不在吊绳上装设角度测量仪又要准确检测吊绳的摆角是个难题，这是因为要将吊绳的偏摆信号传出，角度测量仪就要接触吊绳，而吊绳总是在运行之中，故在向角度测量仪传递吊绳的偏摆信号同时，也就不可避勉向角度测量仪传递因吊绳的运行而产生的干扰信号，以图1所示的检测方案为例，设吊绳顺时针方向运行，因托轮3夹于吊绳之间，吊绳必须与托轮接触以传递出吊绳偏摆信号，与此同时也就传递因吊绳顺时针方向运行，在与托轮的摩擦力作用下而产生的干扰信号，即使此时滑轮组呈铅垂状态，而三角型框架的台面也会出现左高右低的微小变化，从而导致角度测量仪错误显示出提升滑轮组垂直度偏差角度或吊重摆角，且吊绳运行的起、停以及运行方向在不断改变，而起重施工规范[1]规定“使用流动式起重机起吊工件时吊钩偏角不应超过3？觷”故对此种小角度的摆角检测，要将干扰有效排除至不影响正常的检测难度大，尽管检测方案各异但是或多或少总会受到影响，为此从吊绳测量吊重摆角的方案总是不尽人意。我国ZL02104525.9吊车吊绳的角度测量装置，从2003年公开至今也有十年，而我国近些年此类专利申请量增多，并由有实力的起重机制造厂提出了多种方案。
虽然对吊重摆角的检测早就得到重视，构思巧妙方案各异的从吊绳测量吊重摆角的尝试不断，但是迄今起重机上依然缺失吊重摆角的显示，故究其原因应与滞留在从运行的吊绳上检测吊重摆角有关，因而要寻找其他可行方案。
3 直接检测提升力作用线摆角的方案
由于吊重摆角是指通过吊钩的滑轮组提升力作用线偏离铅垂线的角度，因而吊重摆角可以通过直接检测吊装中提升力作用线偏离铅垂线的角度得到。
现介绍一种吊重摆角检测方案，即同等量增加起重机提升滑轮组动滑轮两侧护板长度尺寸后，在所增长出的两侧护板内侧空置的位置上固定装设满足吊重摆角0？觷时所设的平台面为水平面的平台。在所述的平台面上居中建立直角坐标，装设检测所述的平台面相对于水平面倾角的角度测量仪，因为所述的平台面与水平面间的夹角，数值上就等于吊重摆角。
3.1 以万向水平仪对吊重摆角检测原理说明
3.2 装设吊重摆角检测装置的实施
用于吊重摆角检测可供备选的角度测量仪众多，考虑传统传感器体积较大，受惯性力影响大而精度低，应将MEMS传感器列为首选。
以下例举一种用双轴角度传感器检测吊重摆角的装置：
①首先将起重机提升滑轮组动滑轮两侧护板（或称夹板）尺寸各增长30 cm，在护板下部仍保持固定一横梁，吊钩用螺毋固定在横梁上，从而拉大滑轮与吊钩钩头间距，提供了在护板内侧空置（该处及空间未被佔用）的位置上装设检测装置的空间，由于在护板两侧空置的位置上装设，简化了结构且有利于装置的装设与防护，但为了无线传输要采取措施，如将装设无线发射器一侧的护板用无磁性的玻璃钢制造。
②在护板内侧空置的位置上固定装设满足吊重摆角0？觷时所设的平台面为水平面的平台；在所述的平台面居中建立十字垂直坐标，装设检测所述的平台面相对于水平面二维倾角的MEMS双轴角度传感器；同时装设无线发射器；并在另一侧护板内侧装设大容量电池对装置供电。
③在起重机操作室装设无线接收器、天线，和控制显示器。 图4为双轴倾角无线采集方框图，主要由传感器模块，无线发射模块，无线接收模块，PC机4部分组成。传感器模块和无线发射模块（配天线）装设于动滑轮护板增长后的护板内侧上，无线接收模块（配天线）和PC机装设于起重机操作室或监控点。其中传感器模块由双轴倾角传感器、调理电路组成，无线发射模块由A/D转换部分、无线收发单片机和发射电路组成，无线接收模块由无线收发单片机、接收电路，及串口电路组成，PC机部分主要由PC机及串口通信软件、LED指示电路组成。
但是由于起重机种类众多、型号规格各异，在检测方案确定、包括角度测量仪具体选用上要从是否可行以及技术上、经济上进行比较确定。
3.3 从动滑轮护板装设角度测量仪检测吊重摆角的特点
一是角度测量仪可直接装设在被检测物体上；二是检测吊重摆角是检测所设平台面相对水平面的角度；三是依MEMS传感技术检测运行的所设平台面相对水平面的角度属于可靠的现有技术，且起重机吊钩相对只是属于缓慢运行的物体，因而于动滑轮护板装设角度测量仪检测吊重摆角不存在难点、疑点，故可在起重机上普遍应用。
4 显示实时吊重摆角起重机的优势
在起重机上装设吊重摆角检测装置，即成为具有显示实时吊重摆角的起重机，同时具有新的技术效果：
①结束了起重机司机无法判断其吊钩是否处于垂直状态。
②将改变吊装时由吊装指挥者，依据监视被吊重物垂直吊装者提供的信息指挥起重机司机操控实现垂直吊装的、这种既不及时又不准确的作法。
③由于实时显示吊重摆角，可为稳钩、减小吊重摆角的操作提供依据。
④由于实时显示吊重摆角，可有效防斜吊。
⑤起重机旋转法吊装重物时，可依起重机司机操作室显示的吊重摆角，调整起重机边提升速度与边旋转速度间的配合，实现垂直吊装。
⑥起重机滑移法吊装重物时，可依起重机司机操作室显示的吊重摆角操控提升速度实现垂直吊装。
⑦起重机抬吊时，主、辅机可各依据司机操作室显示的吊重摆角操控主机提升与辅机跟送的速度，主、辅机配合以消除吊装中吊重摆角，实现垂直吊装。
⑧可为完善起重机力矩限制器未能反映斜吊提供实时的吊重摆角。
⑨可为进一步开发完善起重机监控仍至操作自动化提供必要的、实时吊重摆角。
5 结 语
在起重机上装设吊重摆角检测装置，为起重机增添了新的功能，从而开发出具有显示实时吊重摆角的新一代起重机。
参考文献：
[1] SH/T 3536-2011，石油化工工程起重施工规范[S].