王敏潔　李作文　孫利民

摘 要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要時(shí)期，隨著塔式起重機(jī)（塔吊）的使用頻率不斷提高，塔吊超載垮塌事故也隨之頻繁發(fā)生。針對(duì)此狀況，可應(yīng)用力學(xué)模型研制一種可靠、簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的鋼絲繩超載報(bào)警器，來(lái)確保塔吊的安全運(yùn)行。因此，對(duì)碟簧在新型報(bào)警器中的應(yīng)用展開(kāi)了論述，通過(guò)與目前常用的報(bào)警器進(jìn)行比較，分析了碟簧在報(bào)警器中應(yīng)用的優(yōu)越性，并研究了碟簧的相關(guān)計(jì)算、校核、選取和試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：超載報(bào)警器；塔式起重機(jī)；鋼絲繩；碟簧

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.013

目前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)大發(fā)展的重要時(shí)期，城鎮(zhèn)化建設(shè)全面鋪開(kāi)，建筑工地星羅棋布，同時(shí)，因塔吊超載而造成的垮塌事故也層出不窮。塔式起重機(jī)的安全運(yùn)行與起重機(jī)鋼絲繩的載荷有著密切的關(guān)系，因此，在起重機(jī)的正常運(yùn)行中，應(yīng)嚴(yán)格控制起重機(jī)鋼絲繩的負(fù)載，使其處于額定載荷內(nèi)。針對(duì)這種情況，研制了一種新型塔式起重機(jī)超載報(bào)警器，并在報(bào)警器中應(yīng)用了碟簧，將鋼絲繩拉力轉(zhuǎn)變?yōu)榱说蓧嚎s變形量。碟簧的體積小、承載能力強(qiáng)、加壓均勻、緩沖和減震能力強(qiáng)，可采用不同的組合（疊合或?qū)希缘玫讲煌呢?fù)荷、非線性、漸增性、零剛度和負(fù)剛度的變性特性曲線。其最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可在很小的變形條件下，承受變化范圍較大的載荷，這對(duì)提高報(bào)警器的精度有重要作用。

1 報(bào)警器概述及其工作原理

目前，使用較廣泛的是電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器，可將測(cè)力傳感器直接與鋼絲繩串接，測(cè)力傳感器彈性元件在鋼絲繩產(chǎn)生的張力的作用下應(yīng)變，利用應(yīng)變計(jì)將此應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化，再通過(guò)測(cè)量電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)化成電壓變化測(cè)量。一方面，此方法的靈敏度較低，如果長(zhǎng)期使用此方法，則傳感器的應(yīng)變?cè)桩a(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；另一方面，該傳感器完成了力、應(yīng)變、電阻與電壓之間的轉(zhuǎn)換，過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。

另一種傳感器主要利用電磁檢測(cè)原理，根據(jù)鋼絲繩的捻制股波特點(diǎn)，并利用了電磁傳感器的信號(hào)變化推算鋼絲繩拉力。與傳統(tǒng)方法相比，這種檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、精度高，但因鋼絲繩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該技術(shù)在使用時(shí)受到了限制。比如，磁彈效應(yīng)的存在使外力對(duì)鐵磁材料的磁化特性造成了一定的影響，且在鋼絲繩檢測(cè)領(lǐng)域中很少有鋼絲繩受力大小對(duì)其磁化效應(yīng)影響的研究成果。本次研制將碟簧應(yīng)用于塔吊鋼絲繩報(bào)警器中，與市場(chǎng)上其他報(bào)警器相比具有一定優(yōu)越性，還可在一定程度上彌補(bǔ)以上2種常用裝置的不足。

本次研制的塔吊超載報(bào)警器屬于測(cè)力傳感式聲光報(bào)警器，由碟簧、受力拉桿和報(bào)警電路等構(gòu)件組成（如圖1和圖2所示）。當(dāng)塔吊吊載重物時(shí)，鋼絲繩逐漸被拉直，拉桿向下移動(dòng)，碟簧被壓縮，鋼絲繩拉力轉(zhuǎn)化為碟簧壓縮變形量，壓縮量與載荷有一定的比例關(guān)系，通過(guò)壓縮量可控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。在電路部分中，采用霍爾翼片開(kāi)關(guān)和機(jī)械限位開(kāi)關(guān)雙重保護(hù)，并將其固定在底座上，隨著碟簧的壓縮向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)載荷超過(guò)額定值，即達(dá)到限定壓縮量時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電路接通，報(bào)警器報(bào)警，從而達(dá)到對(duì)起重量超載進(jìn)行限制的作用。該報(bào)警器應(yīng)用碟簧完成了從抽象拉力到可測(cè)量壓縮變形量的轉(zhuǎn)化，目前市場(chǎng)上的報(bào)警器很少具有該功能。

2 碟簧的力學(xué)特征

碟形彈簧簡(jiǎn)稱(chēng)“碟簧”，是在軸向上呈錐形并承受負(fù)載的特殊彈簧（如圖3所示）。國(guó)標(biāo)GB/T 1972—2005規(guī)定了它的技術(shù)要求。其可分為三類(lèi)，按其外徑D和壓平時(shí)的高度h0與厚度t的比值D/t、h0/t分成A，B，C三個(gè)系列，可以分別滿足不同的需求（如表1和表2所示），又因其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于鉆機(jī)、模具、液壓件和軍工中。

將報(bào)警器固定于鋼絲繩上，體積不宜過(guò)大。碟簧呈薄片形，非常適合軸向空間中較狹小的場(chǎng)合；碟簧的承載能力強(qiáng)，可在較小的變形條件下承受變化范圍較大的載荷，適用于塔吊類(lèi)高負(fù)荷機(jī)械。當(dāng)將鋼絲繩拉力轉(zhuǎn)化碟簧所受壓力時(shí)，由于碟簧的緩沖和減震能力較強(qiáng)，壓縮量不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)，從而保證了測(cè)量結(jié)果的精確性。此外，碟簧負(fù)載變形曲線呈非線性關(guān)系，極限行程與厚度的比在不同數(shù)值范圍內(nèi)特性曲線的特點(diǎn)也不同。由于碟簧具有的固有特性，對(duì)于不同的鋼絲繩，可選擇不同的極限行程與厚度比來(lái)滿足需求；按需要進(jìn)行碟簧之間的組合，以得到不同負(fù)荷、非線性、漸增性、零剛度和負(fù)剛度的變形特性曲線；進(jìn)行積木式的裝配和更換，從而為維修、換裝帶來(lái)方便。現(xiàn)階段，關(guān)于碟簧力學(xué)特性的研究已近完備，將其應(yīng)用在報(bào)警器中不存在技術(shù)上的障礙。

3 碟簧壓縮量計(jì)算

第二步，根據(jù)計(jì)算得到的碟簧壓力數(shù)據(jù)，即碟簧載荷F，查詢表3中的碟簧參數(shù)，初選碟簧為C系列的63×31×1.8×4.15.已知D/t=63/1.8=35，計(jì)算得出K1=0.69.應(yīng)用式（3）計(jì)算碟簧壓平時(shí)的載荷Fc，得出Fc=4.467 kN。

第三步，根據(jù)碟簧載荷F與碟簧壓平時(shí)的載荷Fc的比值≈0.895，查單片碟簧特征曲線得f/h0=0.62，則f=0.62h0=0.62×2.35=1.457 mm。

第四步，按照總變形量fz1=5 mm所要求的組數(shù)i=fz1/f=5/1.457≈3.4，因此取4個(gè)碟簧組。未受負(fù)荷時(shí)的自由高度H（總）=i×[H0+（n-1）]=23.8 mm。理論壓縮量為f（總）=i×f1=4×1.457=5.828 mm。最終確定如下組合：4個(gè)碟簧組，每組2個(gè)碟簧，總高度為24 mm，壓縮量約為5.828 mm。

第五步，碟形彈簧校驗(yàn)。對(duì)于靜載荷作用下的碟簧，通過(guò)校驗(yàn)f=h0時(shí)的應(yīng)力σOM來(lái)驗(yàn)證碟簧的安全性。壓平時(shí)的σOM應(yīng)接近碟簧材料的屈服點(diǎn)σS，對(duì)于材料為60Si2MnA的碟簧，其屈服點(diǎn)的σS為1 400～1 600 MPa。通過(guò)計(jì)算，可以得出σOM的數(shù)值，σOM=1 000.26 MPa，符合要求，初選碟簧合適。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)用WDW200D萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試，測(cè)得在許用拉力下碟簧的實(shí)際均壓縮量為5.75 mm，與理論值接近，并設(shè)定此值為極限壓縮量，經(jīng)反復(fù)拉伸試驗(yàn)，記錄了當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的鋼絲繩實(shí)際拉力和碟簧實(shí)際壓縮量，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

經(jīng)計(jì)算，在5%誤差范圍內(nèi)，達(dá)到最小破斷拉力時(shí)的報(bào)警器報(bào)警的精度較平穩(wěn)、可靠，運(yùn)行效果較好，試驗(yàn)圖如圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)鋼絲繩的種類(lèi)確定不同碟簧及其組合方式、數(shù)量、壓縮量，并可對(duì)同一種鋼絲繩進(jìn)行批量生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析計(jì)算和試驗(yàn)可看出，碟簧在塔吊超載報(bào)警器中的應(yīng)用彌補(bǔ)了現(xiàn)階段報(bào)警器的一些不足，其制作原理簡(jiǎn)單、操作方便、報(bào)警效果好、系統(tǒng)可靠性高，能有效防止塔吊工作中的鋼絲繩超載，并執(zhí)行報(bào)警監(jiān)視。目前，該超載報(bào)警器處于試驗(yàn)階段，屬于國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，希望社會(huì)各界人士能不斷提出新的要求，我們將繼續(xù)探索和完善碟簧在該報(bào)警器的應(yīng)用，從而提高報(bào)警器的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]王雷，陳立強(qiáng)，秦嶺，等.數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠用碟形彈簧壓縮量的計(jì)算[J].產(chǎn)品與技術(shù)，2013（05）.

[2]王曉波.碟形彈簧的力學(xué)性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2007.

[3]李春靜，譚繼文，田軍.鋼絲繩張力檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].煤礦安全，2006（01）.

[4]劉九卿.關(guān)于稱(chēng)重傳感器設(shè)計(jì)與制造的一些問(wèn)題[J].科技應(yīng)用，2008（04）.

[5]徐澋主.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： In an important period for China's economic development， with the increasing frequency of use of the tower crane （crane）， crane overload collapse accident also subsequently occurs frequently. This condition can be applied mechanics model developed a reliable， simple， inexpensive wire rope overload alarm， to ensure the safe operation of the tower crane. Therefore， application of disc spring in new type of alarm in the exposition， by comparing with the common alarm， analysis the superiority of the application of disc spring in alarm， and the relevant calculation of the disc spring， checking， selection and testing.

Key words： overload alarm； tower crane； wire rope； disc spring