基于壓力監(jiān)測的汽車起重機平衡防傾翻系統(tǒng)研究

趙天玉，劉 林

（1.彰武縣第一高級中學，遼寧 阜新 123000；2.沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035）

0 引言

汽車起重機是裝在普通汽車底盤或特制汽車底盤上的一種起重機，其行駛駕駛室與起重操縱室分開設(shè)置。汽車起重機憑借自身機動性好、轉(zhuǎn)移迅速以及越野性能好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)及城市維修、工程安裝工地等領(lǐng)域，是起重運輸業(yè)應(yīng)用最廣泛的起重機械之一。汽車起重機的活動支腿是保證汽車起重機進行安全起吊作業(yè)的關(guān)鍵，在不同傾角、起重臂位置工況下，汽車起重機能夠承受的最大起吊負載也各不相同，當起吊負載過大時，汽車起重機進行起吊時，容易發(fā)生傾翻事故[1，2]。因此，實現(xiàn)汽車起重機起吊過程中各活動支腿受力的實時監(jiān)測，分析起吊載荷是否在允許范圍內(nèi)，是保證汽車起重機安全作業(yè)、防止傾翻的重要保障。

近年來，針對汽車起重機的放傾翻問題，眾多專家學者展開了大量深入的研究，范卿等提出了一種工程機械主動平衡分析方法，確定穩(wěn)定臨界點，通過計算工程起重機4個支腿的受力情況，作為直接負載平衡判定依據(jù)[3]；王偉等通過安裝相應(yīng)傳感器并以所建防傾翻理論模型為基礎(chǔ)構(gòu)建防傾翻監(jiān)控器，給出相應(yīng)的防傾翻安全檢測方法[4]；崔書文提出了一種計算汽車起重機支腿反力的新方法，利用節(jié)點自由度藕合技術(shù)模擬回轉(zhuǎn)支承，簡化了有限元計算模型，提高了計算效率[5]；謝飛采用 ADAMS動力學分析軟件對汽車起重機在斜坡工況下的動力學特性進行仿真分析，構(gòu)建斜坡工況的臨界角度數(shù)學模型，為研究汽車起重機的穩(wěn)定性能提供了重要依據(jù)[6]；張敏等提出了“測液壓缸支承力-測傾角”結(jié)合的防傾翻檢測新方法，該方法可以解決傳統(tǒng)防傾翻檢測技術(shù)的技術(shù)難題，簡化防傾翻的檢測技術(shù)[7]?，F(xiàn)有方法主要針對汽車起重機進行仿真模擬分析以及通過液壓缸檢測的方法對汽車起重機防傾翻進行分析，而針對汽車起重機作業(yè)過程中各活動支腿的實時受力情況的監(jiān)測尚無大量研究。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

汽車起重機防傾翻監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，在汽車起重機的四個活動支腿與地面接觸一側(cè)的末端安裝壓力傳感器，當活動支腿伸出并起支撐作用時，壓力傳感器實時監(jiān)測四個活動支腿的受力情況，每個壓力傳感器與一個無線發(fā)射模塊連接，無線發(fā)射模塊將壓力傳感器檢測到的壓力信號通過無線收發(fā)模式發(fā)送到無線采集終端，無線采集終端和數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的進一步分析和處理，各模塊在汽車起重機上的安裝位置如圖2所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the monitoring system

圖2 模塊安裝位置Fig.2 Module installation location

2 數(shù)據(jù)檢測與信號傳輸

汽車起重機在起吊作業(yè)過程中，四個支腿的受力情況能夠直接反映汽車起重機當前的安全性，將壓力傳感器安裝在支腿與接觸的地面之間，壓力傳感器就能夠?qū)崟r反映各支腿的受力情況。為了實現(xiàn)對壓力傳感器檢測到的數(shù)據(jù)進行實時無線傳輸，在無線發(fā)射模塊和無線采集終端開發(fā)了縮減功能的Zigbee協(xié)議棧，實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)傳送功能。系統(tǒng)采用的是每3秒采樣一次壓力傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線采集終端的方案。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)讀取無線采集終端的壓力信號采用串口中斷方式。無線采集中端上電后一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當無線發(fā)射模塊通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸過來時，先對數(shù)據(jù)進行識別篩選，分析其數(shù)據(jù)包的編號，若為重復接收信號，則做丟棄處理，符合條件的信號進一步做CRC校驗，校驗合格的數(shù)據(jù)傳輸給分析與處理系統(tǒng)，并實時監(jiān)測串口的終端狀態(tài)，保證所有數(shù)據(jù)全部傳輸完成。信號的傳輸與接收流程圖如圖3所示。

圖3 信號傳輸與接收流程圖Fig.3 Signal transmission and reception flow chart

3 數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場實驗監(jiān)測，得到汽車起重機空載和起吊作業(yè)過程中各支腿壓力傳感器的信號變化分別如圖4和圖5所示。由圖4可知，汽車起重機各支腿伸出后，支撐反力隨著支腿與地面接觸施壓強度的變化快速增長，而第一支腿與第二支腿的支撐反力大于第三支腿和第四支腿，是由于現(xiàn)場汽車起重機所處地面存在7°的傾角，各支腿的支撐反力在支腿伸出過程中均出現(xiàn)一定的振蕩，支腿全部伸出穩(wěn)定后，各支腿的支撐反力逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5可以看出，當汽車起重機起吊負載時，由于起吊臂與負載處于汽車起重機的一側(cè)，因此，各支腿的支撐反力出現(xiàn)反向變化，處于起吊負載一側(cè)的第一支腿和第二支腿在起吊瞬間支撐反力快速增長，而第三支腿與第四支腿的支撐反力則呈現(xiàn)一定程度的減小，在起吊過程中，四個支腿的支撐反力均出現(xiàn)明顯的振蕩，直到負載勻速上升后，四個支腿的支撐反力才逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 空載支腿伸出過程支撐反力Fig.4 support back force of an unloaded leg protruding process

圖5 起吊過程各支腿支撐反力Fig.5 The support of each leg support during the lifting process

通過圖4和圖5可知，汽車起重機在空載條件下，各支腿的支撐反力基本保持在一定范圍內(nèi)，相差不大，而起吊負載時，起吊負載一側(cè)的支腿支撐反力明顯大于無載一側(cè)的支腿，因此，根據(jù)負載側(cè)支腿與無載側(cè)支腿的受力差值，可以分析判定汽車起重機的安全狀態(tài)，實現(xiàn)對傾翻危險工況的實時預警，為保證汽車起重機的安全作業(yè)提供了重要保障。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于壓力監(jiān)測的汽車起重機平衡防傾翻系統(tǒng)，通過壓力傳感器實時監(jiān)測各支腿的受力情況，并通過無線收發(fā)裝置進行信號傳輸，利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)無線發(fā)射裝置和無線采集終端的數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，可實現(xiàn)汽車起重機各支腿受力情況的實時在線監(jiān)測，并分析支腿間的最大受力差，分析判定汽車起重機起吊負載的安全性，為保證汽車起重機的安全穩(wěn)定作業(yè)，防止傾翻事故發(fā)生提供了一種重要技術(shù)手段和新方法。

[1]韓應(yīng)奎.32噸汽車起重機底架優(yōu)化設(shè)計與分析研究[D].重慶大學，2008.

[2]鄧賽幫，唐華平，張冠勇.汽車起重機轉(zhuǎn)臺的有限元分析及拓撲優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2016，7.

[3]范卿，曾楊，胡玉茹.工程起重機械主動平衡分析及傾翻判定[J].起重運輸機械，2015，11.

[4]王偉，魏洪興，甄彧.基于變幅油缸油壓的汽車起重機防傾翻檢測方法[J].機械工程學報，2012，3.

[5]崔書文，朱磊，丁宏剛.一種基于ANSYS接觸技術(shù)計算汽車起重機支腿反力的新方法[J].建筑機械，2010，15.

[6]謝飛.斜坡工況下汽車起重機工作穩(wěn)定性的仿真分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016，3.

[7]張敏，程曉鳴，包朝亮.汽車式起重機防傾翻檢測方法的研究[J].建筑機械，2006，6.