CN101454235A - 带有载荷和/或应力测量机构的提升构件 - Google Patents

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CN101454235A CNA2007800190625A CN200780019062A CN101454235A CN 101454235 A CN101454235 A CN 101454235A CN A2007800190625 A CNA2007800190625 A CN A2007800190625A CN 200780019062 A CN200780019062 A CN 200780019062A CN 101454235 A CN101454235 A CN 101454235A
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Abstract

本发明涉及一种用于在提升装置和待提升的载荷之间传递全部或部分提升力的提升构件(1),该提升构件包括:构造成用于固定到提升装置上的近侧部分(1a);设计用于连接到载荷上的远侧部分(1b);从近侧部分(1a)向远侧部分(1b)延伸的纵向部分(1c),该纵向部分(1c)能够在部分提升力的作用下弹性伸长;从提升构件(1)的近侧部分(1a)延伸入纵向部分(1c)中的纵向通道(1d);***所述纵向通道(1d)中的应力传感器(2),该应力传感器(2)固定到所述纵向通道(1d)的侧壁上;用于将来自应力传感器(2)的光纤信号传送到用于接收和分析来自应力传感器的光纤信号的机构(4)的连接机构(3)。

Description

带有载荷和/或应力测量机构的提升构件
技术领域
本发明涉及提升构件,其用于在提升装置和待提升的载荷之间传递全部或部分提升力。这种提升构件通常用于诸如土木工程和港口货物装卸等领域中。
背景技术
许多在提升载荷时发生的事故是由于不了解情况的使用者试图提升比他们的提升机械所能提升的最大载荷更大的过量的载荷造成的。
为了防止这类事故,已经设想在提升机械的致动器上、例如在其液压千斤顶(vérins hydrauliques)上进行测量,并通过计算间接地获得提升机械所提升的载荷的重量。
然而,这些间接方法已证明存在危险,因为它们采用了近似的方法而没有充分考虑提升机械的结构状态。
在提升机械同时使用多个提升构件的情况中,由于仅提升构件中的一些提升载荷也曾造成许多事故发生。例如,被称为“集装箱吊具(spreader)”的保持和提升框架包括多个旋转闭锁机构,所述旋转闭锁机构适用于与载荷相互接合并借助于它们互补的形状而锁定到载荷上。此外,“集装箱吊具”还用于通过使旋转闭锁机构接合在位于集装箱的四个顶角处的长圆孔中来提升和装卸港口的集装箱。根据集装箱的磨损状态和所经受的冲击,长圆孔可能发生变形并不再能够实现所述锁定。这时,仅通过提升构件中的一些来进行提升,这会造成过度负载和使提升构件破裂。
文献EP 1 236 980描述了一种用于提升构件的应力传感器,包括:
- 基体和压力盖(chapeau d’appui),它们共同限定了至少一个流体加压室,并设计成***在提升构件和载荷支承件之间,
- 用于测量加压室中的压力的机构。
这种应力传感器通过测量加压室中的压力来监测向提升构件施加的载荷和监测被提升的载荷在提升构件中所引起的应力。
但是,通过测量压力来测量应力被证明不很准确、反应不很迅速且对温度变化敏感。
这种应力传感器的慢反应使得不能测量当提升载荷时在发生冲击/撞击或突然加速的情况下在提升构件中所引起应力。在提升和装卸载荷期间产生震动时则同样如此。
这种应力测量必须远离提升构件自身而进行,其结果是不能准确地确定提升构件实际承受的应力。
另外,这种应力传感器需要向提升构件添加非常庞大的、难以适用于所有广泛使用的提升和装卸机械的物件。
发明内容
本发明所解决的第一个问题是准确测量当提升载荷时在提升构件中所引起的负载和/或应力。
同时,本发明试图使所述测量尽可能靠近提升构件进行,以便使由于利用了近似的计算而造成的误差最小。
本发明在另一方面试图设计一种非常耐用的、能够经受冲击的、不易受电磁场影响且无需专门的校准操作以补偿温度变化的测量装置。
本发明还试图设计一种用于测量提升构件所提升的载荷的重量和/或由提升载荷所引起的应力的装置,该装置反应非常灵敏、迅速且能够实现实时测量。
本发明在又一方面试图提供一种冲击测量装置,该冲击测量装置能够容易地装配到在提升领域中广泛使用的大多数现有提升构件上,无需对提升构件的特性进行可察觉的修改便可进行所述适配。
为了实现上述和其它目的,本发明提出了一种提升构件,其用于在提升装置和待提升的载荷之间传递全部或部分提升力,该提升构件包括:
- 适用于固定到提升装置上的近侧部分,
- 适用于连接到载荷上的远侧部分,
- 从近侧部分向远侧部分的方向延伸的纵向部分,该纵向部分适用于在部分提升力的作用下弹性拉伸,
其中,
- 提升构件的纵向部分包括至少一个纵向通道,
- 在所述至少一个纵向通道中插置有一光学应力传感器,该光学应力传感器固定到所述至少一个纵向通道的侧壁上,并且
- 设置连接机构用于将来自光学应力传感器的信号传递到用于接收和分析来自光学应力传感器的信号的机构。
使用光学应力传感器使得对由于提升载荷而在提升构件中造成的负载和/或应力的测量非常迅速和非常精确。
光学应力传感器有利地至少在第一固定区域和第二固定区域中固定到纵向通道的侧壁上,所述第一固定区域和第二固定区域沿纵向通道的纵向方向上相互间隔一定距离。
当提升载荷时,提升构件的纵向部分由于提升力而弹性拉伸。纵向部分的这种拉伸会改变所述两个固定区域之间的距离,这会引起来自光学应力传感器的信号的变化,由此变化可以直接推知由于提升构件提升的载荷和/或载荷的重量而在提升构件中引起的应力状态。
第一和第二固定区域可优选地位于提升构件纵向部分的直径不变的区域中。
这种布置避免了在计算中使用近似以通过来自光纤应力传感器的信号来估算应力和/或载荷重量。这避免了必须考虑具有不同横截面的不同部分各自的拉伸而进行计算,所述具有不同横截面的不同部分在相同载荷下将不同地拉伸。这种计算通常最多是基于提升构件的几何构型和在具有不同横截面的部分之间的连接部分的几何构型的简单近似。但是会发生应力集中现象,这在计算中很难考虑,却由于第一和第二固定区域的特殊布置而得以有效地回避。
纵向通道可有利地设置在提升构件纵向部分的横截面中央。
这样,光学应力传感器插置在提升构件纵向部分的中立轴(fibreneutre)中。光学应力传感器测得的应力因此是纯粹的轴向应力。因此,测量不会由于提升构件的任何挠曲而受到不利影响,否则将使提升载荷的重量的计算不真实。
可使用各种类型的光学应力传感器,只要它们能至少部分地容纳在位于提升构件内的纵向通道中即可。
第一种选择是所述光学应力传感器是光纤光学传感器,所述光纤在第一和第二固定区域中紧固到纵向通道的侧壁上。这种结构紧凑、牢固,且能用相同的光纤连接到位于较远处的接收器和分析器机构上。
所述光纤可有利地粘结在一金属管中,而所述金属管又粘结在纵向通道中。
参考文献WO 86/01303(涉及一种Bragg光栅光纤传感器)可获得上述类型的光纤应力传感器的制造和使用方面的信息。
还可参考文献WO 2004/056017,其中描述了用于对来自这种光纤应力传感器的信号进行接收和分析的机构的使用和操作。
第二种选择是所述光学应力传感器包括激光测距仪,该激光测距仪适用于产生反映提升构件纵向部分的拉伸的信号。
在本发明的第一实施例中,提升构件的远侧部分可以是钩形的。
在本发明的第二实施例中,提升构件的远侧部分可以是T形的。
这使得本发明适用于在土木工程领域中或在港口货物装卸领域中最广泛使用的提升构件。
根据本发明的一个或多个提升构件可有利地设置在一载荷保持及提升框架上。
本发明在另一方面提出了一种用于测量和分析载荷的装置,该装置包括至少一个如上文所述的提升构件,其中,接收和分析机构可处理来自光学应力传感器的信号以确定一个或多个如下参数:
- 所述至少一个提升构件所提升的重量,
- 所述至少一个提升构件的应力状态,
- 施加载荷的持续时间及其强度,
- 所述至少一个提升构件操作的周期数,以及
- 所述至少一个提升构件的载荷谱和/或应力谱。
所述载荷谱和/或应力谱用于评估提升构件的疲劳状态。这样便能完全安全地定期更换提升构件。
所述用于测量和分析载荷的装置优选地可包括用于同时装卸同一载荷的多个提升构件,而所述接收和分析机构可对来自多个光学应力传感器的信号进行处理以确定一个或多个如下参数:
- 载荷的重心位置,和
- 各提升构件所施加的提升力。
所述载荷测量及分析装置可有利地用于这样的提升装置,如装卸台、集装箱台架、起重机、移动式起重机、或带叉式升降台的堆垛机(gerbeur)或前置式装载机。
附图说明
从下面结合附图对具体实施例的说明中可以看出本发明的其它目的、特征和优点,其中:
图1是根据本发明的提升构件的第一实施例的透视图;
图2是根据本发明的提升构件的第二实施例的示意性侧视图;
图3是包括多个提升构件的载荷保持及提升框架的透视图;
图4和图5是图3装置的不同应用。
具体实施方式
图1和2示出了一种提升构件1,该提升构件1包括:
-适用于固定到提升装置上的近侧部分1a,
-适用于连接到载荷上的远侧部分1b,
- 从近侧部分1a向远侧部分1b延伸的纵向部分1c,该纵向部分适用于在载荷提升力的作用下弹性拉伸。
提升构件1的纵向部分1c包括从近侧部分1a延伸的一端不通的纵向通道1d。在纵向通道1d中***有光学应力传感器2,所述光学应力传感器固定到纵向通道1d的侧壁上。光学应力传感器2可借助于广泛使用的环氧树脂固定到所述侧壁上。
纵向通道1d一端不通,并从提升构件1的近侧部分1a开始延伸。这种构造对作为提升机构1的用于附加载荷的“有用”部分的远侧部分1b不产生影响。可选地,纵向通道1d例如可末端开口,以便于***和/或取出光学应力传感器2。
设有连接机构3以用于从光学应力传感器2发送信号到用于接收和分析来自光学应力传感器2的信号的机构4。
在图1和2所示的实施例中,光学应力传感器2在沿纵向通道1d的纵向方向相互间隔的两个固定区域5a和5b中固定到纵向通道1d的侧壁上。
当提升附加到提升构件1的远侧部分1b上的载荷时,纵向部分1c由于提升力而弹性拉伸。
当在固定区域5a和5b中被固定到纵向通道1d的侧壁上时,光学应力传感器2也经受长度的改变。所述长度的改变会改变由光学应力传感器2经由连接机构3送至接收和分析机构4的信号。来自光学应力传感器2的信号的变化直接关联到光学应力传感器2所经受的拉伸。
光学应力传感器2的拉伸可由来自光学应力传感器2的信号的变化而推知,并被认为是基本等于纵向部分1c在固定区域5a和5b之间的弹性拉伸。已知提升构件1的材料及其机械特性,通过本领域技术人员熟知的计算,很容易推知在提升构件1中由于载荷而引起的应力。这些应力与固定到提升构件1的远侧部分1b上的载荷的重量直接相关。因此也可以确定提升构件1所提升的载荷的重量。
因此,提升构件1自身构成用于测量载荷重量的机构。这样,在内部、与该提升构件尽可能接近地测量在提升构件中引起的应力,这限制了在使用近似计算时可能发生的误差危险。
在本发明的第一实施例中,可有利地将一光纤光学应力传感器2用作所述光学应力传感器2。
在这种光纤光学应力传感器2中,光纤在第一固定区域5a和第二固定区域5b中被附装到纵向通道1d的侧壁,其中光纤的中间部分位于两个固定区域5a和5b之间。一旦承受载荷的提升构件1的纵向部分1c拉伸时,中间光纤部分发生同样的拉伸,该拉伸造成光纤的光学性质相应地改变。通过向光纤中发射适当的光波并分析反射波,可以确定提升构件1的纵向部分1c的长度改变,并可由此推知提升构件所承受的载荷。
实际上,光纤可延伸超出提升构件1而到达一盒中,该盒容纳有光源和用于接收和分析来自光学应力传感器的信号的机构。
在可动提升构件的情况中,可有利地使用由护套保护的光纤。所述光纤可具有例如约为0.2mm的直径,并可通过包裹在橡胶层中的蜡质层进行保护,所述橡胶层自身包裹在同样被橡胶层包裹的金属编织物中。整个结构具有约为5mm的直径。这种光纤可弯成半径约为10cm,使得它能与其它连接机构、例如电缆和液力软管并行联接。所述盒可距离提升构件5-10m远而不降低载荷测量机构的效率。
在用于***到提升构件中的区域内,光纤可粘结在一金属管中,所述金属管自身粘结在纵向通道1d中。
在提升构件1的纵向部分1c中,例如直径为0.2mm的光纤可粘结到一内径约为0.6mm、外径约为3mm的金属管中,该金属管自身粘结在纵向通道1d中。
光纤光学应力传感器2可以是例如使用Bragg光栅光纤的光学拉伸传感器。在这种传感器中,单模态光纤包括通过强紫外线辐射而使折射率按特定步距沿光纤周期性调制的部分。该具有周期性调制的折射率的光纤部分称之为Bragg光栅。这种Bragg光栅造成在光纤中传输的光波以被称为Bragg波长的波长进行反射,所述Bragg波长基本是Bragg光栅中折射率沿光纤的调制步距的两倍。因此,由Bragg光栅反射的光的波长基本与光纤折射率的两个变化之间的距离成正比,这种距离的任何变化(例如由于拉伸造成的变化)都能通过测量反射的光的波长来进行检测。
但是,可以使用其它类型的光纤拉伸传感器,例如Fabry-Perot干涉仪传感器。
使用光纤光学应力传感器2使得能实现快速和高度可靠的测量。利用如在文献WO 86/01303中给出的数学公式,也能容易地使这种测量不依赖于温度变化。或者,也可使用没有应力且不承受载荷的附加光纤光学应力传感器,以便使用其信号来补偿温度变化。
本发明的另一实施例将一激光测距仪用作光学应力传感器2,所述激光测距仪适用于产生一反映提升构件1的纵向部分1c的拉伸的信号。在此情况下,位于纵向通道1d入口处的激光二极管发射光脉冲,所述光脉冲在通道1d的远端附近发生反射,该反射波由一传感器接收。对光在纵向通道1d中的往返传输时间进行测量,并由此推知其长度和在承受载荷时的任何拉伸。
与在前述实施例中相同,纵向通道中可粘结有一盲管,光的路径位于所述盲管中。
这种激光测距仪可与广泛用于测量短距离的那些仪器类似。
由于其响应度和测量速度,使用光学应力传感器2使得能够测量大的瞬时应力,该瞬时应力可能在提升操作期间发生冲击/撞击和震动的过程中非常短暂地出现,而光学应力传感器2不会由于这些冲击/撞击或震动而被损坏。这更好地指示了提升构件1的疲劳状态,并能确定在其由于早先的提升操作而已经或可能已经损坏时进行预防性更换的时间。事实上,可以实时地确定提升构件1的载荷和/或应力状态,并由此能准确、可靠地确定其载荷谱和/或应力谱。
如图1和2所示,光学应力传感器2直接一体地形成在提升构件1中,该提升构件的功能性外部形状没有改变。因此,图1和2所示的提升构件1仍能装配到它们原来打算应用的全部提升机械上。
一光纤光学应力传感器2具有非常小的直径d,其结果是提升构件1的机械强度几乎不受影响,即便是有纵向通道1d的存在。
在图1和2中,固定区域5a和5b设置在提升构件1的纵向部分1c的直径不变的区域中。
光学应力传感器2以与提升构件1的在第一固定区域5a和第二固定区域5b之间的区域相同的方式拉伸。所述提升构件1的在第一固定区域5a和第二固定区域5b之间的区域具有不变的直径D,并随着固定在提升构件1的远侧部分1b上的载荷而线性地拉伸。
因此不用另外计算便可容易地确定提升构件1中所引起的应力和载荷的重量,从而不存在由于在计算中使用了近似而造成误差的危险。
在图1和2所示的实施例中,纵向通道1d位于提升构件1的纵向部分1c的横截面的中央。
光学应力传感器2因此容纳在提升构件1的纵向部分1c的中立轴中。这使得能够测量施加到提升构件1上的纯粹的轴向应力。这样,测量不会由于提升构件1的任何弯曲效应而受到不利影响。如果情况不是这样,则对于偏心定位的光学应力传感器2,弯曲效应可能减小或增大接收和分析机构4从由光学应力传感器2产生的信号计算出的应力。
在图1所示的第一实施例中,提升构件1的远端1b是“T”形的。
它是旋转闭锁机构,通常称为“扭锁(twistlock)”,广泛用于在港口中提升和装卸集装箱的装卸装置中。
在图2所示的实施例中,提升构件1的远侧部分1b是钩形的。图2所示的提升构件1广泛用于许多提升装置中,例如用在土木工程领域的起重机中。
在图1和2中,提升构件1以及接收和分析机构4组成了载荷测量及分析装置9。该载荷测量及分析装置9使得能够确定一个或多个如下参数:
- 提升构件1所提升的重量,
- 提升构件1的应力状态,
- 施加载荷的持续时间及其强度,
- 提升构件1操作的周期数。
通过建立提升构件1的载荷谱和/或应力谱,能够实现对提升构件1的可靠诊断和在提升构件1由于过度或不合适的使用而被破坏之前进行定期更换。
这种载荷测量及分析装置9还可连接到设在提升装置上的一安全装置(未示出)上,该安装装置适用于在载荷测量及分析装置9检测到载荷大于提升构件1所能提升的最大载荷、或者大于提升构件能安全提升的最大载荷的情况下切断供应给提升装置的动力。
这种载荷测量及分析装置9还可用于监测提升构件1的疲劳和应力状态。因此,可容易地识别提升构件1中的任何残余应力或纵向部分1c的非弹性行为,该非弹性行为表明提升构件1开始可能导致其破坏的塑性变形。
图3示出包括四个依照图1所示实施例的提升构件1的保持及提升框架6。提升构件1设置在框架6的四个拐角处,该框架6可在装卸台7或起重机上互换使用,如图4所示,或者与带叉式升降台框架的堆垛机8结合使用,如图5所示。
在图3所示的框架6中,提升构件1都设有光纤光学应力传感器,这些传感器通过有护套的光纤连接机构3连接到共用的接收和分析机构4,该接收和分析机构4随后对来自包括在提升构件1中的光纤光学应力传感器(未示出)的信号进行分析。接收和分析机构4检测光纤反射的光波,并由此推知各提升构件1的拉伸,并从而推知其所承受的载荷。
接收和分析机构4因此能够对来自包括在提升构件1中的光纤光学应力传感器(未示出)的信号进行处理,以确定一个或多个如下参数:
- 各提升构件1提升的重量,
- 各提升构件1的应力状态,
- 各提升构件1操作的周期数,
- 载荷的重心位置。
已知各提升构件1提升的重量,则可推知载荷重心的准确位置,防止在提升载荷时由于载荷的重心偏心定位而可能发生的事故。这可防止所有由于提升的载荷重心偏置(尽管小于装置的最大重量限值)而造成的提升装置不适当倾斜的危险。
类似地,已知各提升构件1提升的重量,表明各提升构件1是否确实被加载和对提升载荷贡献力量。因此,如果提升构件1中的任一个贡献不够或根本不作贡献、而其它提升构件1承受过量的载荷,则可停止任何试图提升载荷的行为。这有效地增加了提升装置和在装置周围环境中移动的人员的安全性。
尽管图3-5所示的保持及提升框架6只包括四个提升构件1,但是可设想更多的提升构件1,所述提升构件1被不同地布置用以同时提升不止一个集装箱。
本发明不限于这里明确说明的实施例,而是涵盖了其在所附权利要求范围内的各种变型和推广方案。

Claims (15)

1.用于在提升装置和待提升的载荷之间传递全部或部分提升力的提升构件(1),包括:
-适用于固定到提升装置上的近侧部分(1a),
-适用于连接到载荷上的远侧部分(1b),
-从近侧部分(1a)向远侧部分(1b)的方向延伸的纵向部分(1c),该纵向部分(1c)适用于在部分提升力的作用下弹性拉伸,
其特征在于,
-提升构件(1)的纵向部分(1c)包括至少一个纵向通道(1d),
-在所述至少一个纵向通道(1d)中***有一光学应力传感器(2),该光学应力传感器(2)固定到所述至少一个纵向通道(1d)的侧壁上,并且
-设置连接机构(3)用于将来自光学应力传感器(2)的信号传送到用于接收和分析来自光学应力传感器(2)的信号的机构(4)。
2.根据权利要求1所述的提升构件(1),其特征在于,所述光学应力传感器(2)在至少一个第一固定区域(5a)和第二固定区域(5b)中固定到纵向通道(1d)的侧壁上,该至少一个第一固定区域(5a)和第二固定区域(5b)沿纵向通道(1d)的纵向方向相互间隔一定距离地定位。
3.根据权利要求2所述的提升构件(1),其特征在于,所述第一固定区域(5a)和第二固定区域(5b)位于提升构件(1)的纵向部分(1c)的一直径(D)不变的区域中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的提升构件(1),其特征在于,所述纵向通道(1d)是一端不通的,从近侧部分(1a)开始延伸,并设置在提升构件(1)的纵向部分(1c)的横截面中央。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的提升构件,其特征在于,所述光学应力传感器(2)是光纤光学传感器,光纤在第一固定区域(5a)和第二固定区域(5b)中紧固在纵向通道(1d)的侧壁上。
6.根据权利要求5所述的提升构件,其特征在于,所述光纤粘结在一金属管中,所述金属管自身粘结在纵向通道(1d)中。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的提升构件,其特征在于,所述光学应力传感器(2)包括激光测距仪,所述激光测距仪适用于产生反映提升构件(1)的纵向部分(1c)的拉伸的信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的提升构件(1),其特征在于,所述远侧部分(1b)是钩形的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的提升构件(1),其特征在于,所述远侧部分(1b)是T形的。
10.保持及提升框架(6),其特征在于,该保持及提升框架包括至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的提升构件(1)。
11.用于测量和分析载荷的装置(9),其特征在于,该装置包括至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的提升构件(1),而所述接收和分析机构(4)对来自光学应力传感器(2)的信号进行处理,以确定一个或多个如下参数:
-所述至少一个提升构件(1)所提升的重量,
-所述至少一个提升构件(1)的应力状态,
-施加载荷的持续时间及其强度,
-所述至少一个提升构件(1)操作的周期数,以及
-所述至少一个提升构件(1)的载荷谱和/或应力谱。
12.根据权利要求11所述的装置(9),其特征在于,该装置包括用于同时装卸同一载荷的多个提升构件(1),所述接收和分析机构(4)对来自多个光学应力传感器(2)的信号进行处理,以确定一个或多个如下参数:
-载荷的重心位置,和
-各提升构件(1)所施加的提升力。
13.根据权利要求11或12所述的装置,其特征在于,所述提升装置是装卸台(7)。
14.根据权利要求11或12所述的装置,其特征在于,所述提升装置是起重机。
15.根据权利要求11或12所述的装置,其特征在于,所述提升装置是带叉式升降台的堆垛机或前置式装载机(8)。
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