塔式起重机机构传动系统安全保护装置及方法技术领域
本发明涉及一种塔式起重机机构传动系统安全保护装置，以及一种塔式起重机机
构传动系统安全保护方法。
背景技术
众所周知，塔式起重机的各种运行动作，是靠各机构系统来完成。现有技术中，有
不少关于塔式起重机的各种安全保护装置及监控装置，但很多装置都是针对超载荷、超行
程或违规操作等方面进行监控和保护。在塔式起重机的某一机构传动系统内发生传动齿轮
断齿、传动轴断裂、输入输出速度不同步等严重的机构传动系统故障时，却只有靠操作者人
为判断并进行控制，而此类故障更大概率是发生在机构运行过程中或运行过程中的某一瞬
间，操作者根本来不及反应，不能及时作出正确有效的判断和控制，继而导致严重的安全事
故，伤及人身安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种塔式起重机机构传动系统安全保护装
置，以及一种塔式起重机机构传动系统安全保护方法，在塔式起重机机构通电过程中，能对
塔式起重机机构传动系统进行实时监测和判断，发生故障时及时停止驱动，并自动发出制
动指令，中断载荷非正常运动，避免造成严重的安全事故。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：塔式起重机机构传动系统安全
保护装置，包括速度信号检测装置、信号处理装置、中央控制器、机构制动装置；速度信号检
测装置包括低速端速度V1检测装置和高速端速度V2检测装置，分别用于采集塔式起重机机
构传动系统的低速端速度V1信号和高速端速度V2信号；速度信号检测装置与信号处理装置
输入端电气连接，信号处理装置的输出端与中央控制器的信号输入端电气连接；中央控制
器包括计时单元、运算单元、比较单元、执行单元，中央控制器的执行单元电气连接于机构
制动装置；机构制动装置包括高速端制动装置和低速端制动装置。
进一步的是：还包括操作运行信号V0输出装置，操作运行信号V0输出装置与信号
处理装置输入端电气连接。
进一步的是：还包括操作室报警装置，操作室报警装置电气连接于中央控制器的
执行单元。
进一步的是：塔式起重机机构传动系统包括卷筒、用于驱动卷筒的角传动减速器、
用于连接卷筒与角传动减速器的第一传动轴，角传动减速器通过第二传动轴与圆柱齿轮减
速器连接，圆柱齿轮减速器通过第三传动轴配合联轴器与变频电机连接。
进一步的是：中央控制器设有第一计时时间T1控制单元,在计时T1后，按判断关系
式V2＜K1*V1*(1-X1)和V2＞K1*V1*(1+X1)进行比较判断，其中V2为塔式起重机机构传动系
统高速端速度，V1为塔式起重机机构传动系统低速端速度，K1为对塔式起重机机构传动系
统进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X1为设定的允许偏差值；
当V2与V1的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K1*V1*(1-X1)、V2＞K1*V1*(1+
X1)中任意一项时，中央控制器的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统的
输入信号、低速端与高速端同时制动，若设有操作室报警装置，操作室自动报警；
当V2与V1的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2
与V1数据清零，重新采集速度信号数据V2与V1，待下次计时时间到，重新比较、判断。
进一步的是：中央控制器设有第二计时时间T2控制单元,在计时T2后，按判断关系
式V2＜K2*V0*(1-X2)和V2＞K2*V0*(1+X2)进行比较判断，其中V2为塔式起重机机构传动系
统高速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统操作运行信号，K2为对塔式起重机机构传动
系统进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X2为设定的允许偏差值；
当V2与V0的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K2*V0*(1-X2)、V2＞K2*V0*(1+
X2)中任意一项时，中央控制器的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统的
输入信号、高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置，操作室自动报警；
当V2与V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2
与V0数据清零，重新采集速度信号数据V2与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
进一步的是：中央控制器设有第三计时时间T3控制单元,在计时T3后，按判断关系
式V1＜K3*V0*(1-X3)和V1＞K3*V0*(1+X3)进行比较判断，其中V1为塔式起重机机构传动系
统低速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统操作运行信号，K3为对塔式起重机机构传动
系统进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X3为设定的允许偏差值；
当V1与V0的计算关系满足设定的判断关系式V1＜K3*V0*(1-X3)、V1＞K3*V0*(1+
X3)中任意一项时，中央控制器的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统的
输入信号、高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置，操作室自动报警；
当V1与V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V1
与V0数据清零，重新采集速度信号数据V1与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
对于塔式起重机机构传动系统安全保护方法，步骤为：
步骤一，分别采集塔式起重机机构传动系统的低速端速度V1信号和高速端速度V2
信号；
步骤二，将塔式起重机机构传动系统的低速端速度V1信号、高速端速度V2信号传
送至信号处理装置进行处理；
步骤三，将信号处理装置处理后的信号传送至中央控制器；
步骤四，中央控制器(50)设有第一计时时间T1控制单元,在计时T1后，按判断关系
式V2＜K1*V1*(1-X1)和V2＞K1*V1*(1+X1)进行比较判断，其中V2为塔式起重机机构传动系
统高速端速度，V1为塔式起重机机构传动系统低速端速度，K1为对塔式起重机机构传动系
统进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X1为设定的允许偏差值；
当V2与V1的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K1*V1*(1-X1)、V2＞K1*V1*(1+
X1)中任意一项时，中央控制器的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统的
输入信号、低速端与高速端同时制动，若设有操作室报警装置，操作室自动报警；
当V2与V1的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2
与V1数据清零，重新采集速度信号数据V2与V1，待下次计时时间到，重新比较、判断。
进一步的是：
在步骤二中，将操作运行信号V0同时传送至信号处理装置进行处理；
在步骤三之后，中央控制器(50)设有第二计时时间T2控制单元和第三计时时间T3
控制单元,计时T2后，按判断关系式V2＜K2*V0*(1-X2)和V2＞K2*V0*(1+X2)进行比较判断，
其中V2为塔式起重机机构传动系统高速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统操作运行信
号，K2为对塔式起重机机构传动系统进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X2为设
定的允许偏差值；
当V2与V0的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K2*V0*(1-X2)、V2＞K2*V0*(1+
X2)中任意一项时，中央控制器的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统的
输入信号、高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置，操作室自动报警；
当V2与V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2
与V0数据清零，重新采集速度信号数据V2与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
计时T3后，按判断关系式V1＜K3*V0*(1-X3)和V1＞K3*V0*(1+X3)进行比较判断，
其中V1为塔式起重机机构传动系统低速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统操作运行信
号，K3为对塔式起重机机构传动系统进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X3为设
定的允许偏差值；
当V1与V0的计算关系满足设定的判断关系式V1＜K3*V0*(1-X3)、V1＞K3*V0*(1+
X3)中任意一项时，中央控制器的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统的
输入信号、高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置，操作室自动报警；
当V1与V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V1
与V0数据清零，重新采集速度信号数据V1与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
进一步的是：计时时间T1＜T2＜T3。
本发明的有益效果是：通过对塔式起重机机构传动系统的输入、输出端进行实时
检测、监控，及时发现塔式起重机机构传动系统故障，例如；高速端电机与终端卷筒联接系
统中的传动轴断裂、传动齿轮损坏、高速端电机堵转、编码器故障、操作输入信号的元器件
损坏等，及时自动发出切断输入信号、立即制动、操作室报警等指令，避免造成更大的安全
事故和人身伤害。
附图说明
图1为本发明塔式起重机机构传动系统安全保护装置结构示意图；
图2为本发明塔式起重机机构传动系统安全保护方法流程示意图；
图3为本发明的优选实施例塔式起重机机构传动系统及安全保护装置构成示意
图；
图中标记：10-塔式起重机机构传动系统、11-卷筒、12-第一传动轴、13-角传动减
速器、14-第二传动轴、15-圆柱齿轮减速器、16-第三传动轴、17-联轴器、18-变频电机、20-
速度信号检测装置、21-低速端速度V1检测装置、22-高速端速度V2检测装置、30-操作运行
信号V0输出装置、40-信号处理装置、50-中央控制器、60-机构制动装置、61-低速端制动装
置、62-高速端制动装置、70-操作室报警装置。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图3所示，塔式起重机机构传动系统安全保护装置，包括速度信号检测装
置20、信号处理装置40、中央控制器50、机构制动装置60；速度信号检测装置20包括低速端
速度V1检测装置21和高速端速度V2检测装置22，分别用于采集塔式起重机机构传动系统10
的低速端速度V1信号和高速端速度V2信号，实施时分别安装于所述塔式起重机机构传动系
统10的低速端和高速端；速度信号检测装置20、操作运行信号V0输出装置30均与信号处理
装置40输入端电气连接，信号处理装置40的输出端与中央控制器50的信号输入端电气连
接；中央控制器50包括计时单元、运算单元、比较单元、执行单元，中央控制器50的执行单元
电气连接于机构制动装置60；机构制动装置60包括高速端制动装置62和低速端制动装置
61。机构制动装置60用于接收中央控制器50的控制指令，对机构进行制动。
实施时，低速端速度V1检测装置21和高速端速度V2检测装置22分别采集塔式起重
机机构传动系统10的低速端速度V1信号和高速端速度V2信号；塔式起重机机构传动系统10
的低速端速度V1信号、高速端速度V2信号传送至信号处理装置40进行处理；信号处理装置
40处理后的信号传送至中央控制器50；中央控制器50设有第一计时时间T1控制单元,在计
时T1后，按判断关系式V2＜K1*V1*(1-X1)和V2＞K1*V1*(1+X1)进行比较判断，其中V2为塔
式起重机机构传动系统10高速端速度，V1为塔式起重机机构传动系统10低速端速度，K1为
对塔式起重机机构传动系统10进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X1为设定的允
许偏差值；当V2与V1的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K1*V1*(1-X1)、V2＞K1*V1*(1+
X1)中任意一项时，中央控制器50的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统
10的输入信号、低速端与高速端同时制动。优选地，还包括操作室报警装置70，操作室报警
装置70电气连接于中央控制器50的执行单元。塔式起重机机构传动系统发生故障时，中央
控制器50在自动发出切断输入信号、立即制动等指令的同时，发出操作室报警指令，声光报
警，可提示操作人员第一时间发现故障，并及时进行处理。当V2与V1的计算关系不满足设定
的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2与V1数据清零，重新采集速度信号数据V2与
V1，待下次计时时间到，重新比较、判断。
具体地，速度信号检测装置20可以为旋转编码器、接近开关、光电开关或其他可以
用于测转速的传感器装置，各检测处安装至少一套。信号处理装置40根据所述速度信号检
测装置20的不同，可以为编码器信号转换器、模拟量扩展模块、变频器或其他可转换所述速
度信号检测装置检测信号的装置。中央控制器50可以为PLC可编程逻辑控制器、变频器、控
制电路板或其他具有计时、运算、比较、判断及发出执行指令程序功能的控制器。优选地，本
实施例中，速度信号检测装置20选用旋转编码器，中央控制器50选用PLC可编程逻辑控制
器。
塔式起重机机构传动系统10可以为塔式起重机起升、变幅的一种或多种机构。优
选地，塔式起重机机构传动系统10包括卷筒11、用于驱动卷筒11的角传动减速器13、用于连
接卷筒11与角传动减速器13的第一传动轴12，角传动减速器13通过第二传动轴14与圆柱齿
轮减速器15连接，圆柱齿轮减速器15通过第三传动轴16配合联轴器17与变频电机18连接。
优选地，还包括操作运行信号V0输出装置30，操作运行信号V0输出装置30与信号
处理装置40输入端电气连接。相应地，信号处理装置40采用模拟量扩展模块对操作运行信
号V0进行转换。
在启动塔式起重机电源后，操作者通过操作运行信号V0输出装置30发出运行和速
度指令，经控制回路后驱动变频电机18旋转，变频电机18通过联轴器17和第三传动轴16带
动圆柱齿轮减速器15运行，圆柱齿轮减速器15通过内部齿轮的动力传递，再通过第二传动
轴14带动角传动减速器13运转，角传动减速器13通过第一传动轴12带动卷筒11旋转，实现
机构的正常运行。调节操作运行信号V0的大小，相应改变变频电机18及卷筒11的运行速度，
在输入一定时，输出也一定。
实施时，中央控制器(50)设有第二计时时间T2控制单元，在计时T2后，按判断关系
式V2＜K2*V0*(1-X2)和V2＞K2*V0*(1+X2)进行比较判断，其中V2为塔式起重机机构传动系
统10高速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统10操作运行信号，K2为对塔式起重机机构
传动系统10进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X2为设定的允许偏差值；当V2与
V0的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K2*V0*(1-X2)、V2＞K2*V0*(1+X2)中任意一项
时，中央控制器50的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统10的输入信号、
高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置70，操作室自动报警；当V2与
V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2与V0数据清零，重
新采集速度信号数据V2与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
中央控制器50设有第三计时时间T3控制单元,在计时T3后，按判断关系式V1＜K3*
V0*(1-X3)和V1＞K3*V0*(1+X3)进行比较判断，其中V1为塔式起重机机构传动系统10低速
端速度，V0为塔式起重机机构传动系统10操作运行信号，K3为对塔式起重机机构传动系统
10进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X3为设定的允许偏差值；当V1与V0的计算
关系满足设定的判断关系式V1＜K3*V0*(1-X3)、V1＞K3*V0*(1+X3)中任意一项时，中央控
制器50的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统10的输入信号、高速端制
动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置70，操作室自动报警；当V1与V0的计算
关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V1与V0数据清零，重新采集速
度信号数据V1与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
结合V2与V0、V1与V0两种比较判断控制，可以更好地对塔式起重机机构传动系统
10的输入、输出端进行实时检测、监控，及时发现塔式起重机机构传动系统10的故障，并及
时自动发出控制指令，避免造成更大的安全事故和人身伤害。
对于塔式起重机机构传动系统安全保护方法，优选实施方式为：
步骤一，分别采集塔式起重机机构传动系统10的低速端速度V1信号和高速端速度
V2信号；
步骤二，将塔式起重机机构传动系统10的低速端速度V1信号、高速端速度V2信号、
操作运行信号V0传送至信号处理装置40进行处理；
步骤三，将信号处理装置40处理后的信号传送至中央控制器50；
步骤四，中央控制器50设有第一计时时间T1控制单元,在计时T1后，按判断关系式
V2＜K1*V1*(1-X1)和V2＞K1*V1*(1+X1)进行比较判断，其中V2为塔式起重机机构传动系统
10高速端速度，V1为塔式起重机机构传动系统10低速端速度，K1为对塔式起重机机构传动
系统10进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X1为设定的允许偏差值；
当V2与V1的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K1*V1*(1-X1)、V2＞K1*V1*(1+
X1)中任意一项时，中央控制器50的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统
10的输入信号、低速端与高速端同时制动，若设有操作室报警装置70，操作室自动报警；
当V2与V1的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2
与V1数据清零，重新采集速度信号数据V2与V1，待下次计时时间到，重新比较、判断。
步骤五，中央控制器50设有第二计时时间T2控制单元,计时T2后，按判断关系式V2
＜K2*V0*(1-X2)和V2＞K2*V0*(1+X2)进行比较判断，其中V2为塔式起重机机构传动系统10
高速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统10操作运行信号，K2为对塔式起重机机构传动
系统10进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X2为设定的允许偏差值；
当V2与V0的计算关系满足设定的判断关系式V2＜K2*V0*(1-X2)、V2＞K2*V0*(1+
X2)中任意一项时，中央控制器50的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统
10的输入信号、高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置70，操作室自
动报警；
当V2与V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V2
与V0数据清零，重新采集速度信号数据V2与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
步骤六，中央控制器50设有第三计时时间T3控制单元,计时T3后，按判断关系式V1
＜K3*V0*(1-X3)和V1＞K3*V0*(1+X3)进行比较判断，其中V1为塔式起重机机构传动系统10
低速端速度，V0为塔式起重机机构传动系统10操作运行信号，K3为对塔式起重机机构传动
系统10进行相关计算及多次实验得出的一固定常数，X3为设定的允许偏差值；
当V1与V0的计算关系满足设定的判断关系式V1＜K3*V0*(1-X3)、V1＞K3*V0*(1+
X3)中任意一项时，中央控制器50的执行单元发出指令，自动切断塔式起重机机构传动系统
10的输入信号、高速端制动，延时几秒后低速端制动，若设有操作室报警装置70，操作室自
动报警；
当V1与V0的计算关系不满足设定的判断关系式时，正常执行后续程序，同时对V1
与V0数据清零，重新采集速度信号数据V1与V0，待下次计时时间到，重新比较、判断。
其中计时时间T1＜T2＜T3，T1、T2、T3从塔式起重机机构传动系统10通电运行后开
始计时；在本实施例中，根据所选变频起升机构特性，设定计时时间分别为：T1＝1s，T2＝
8s，T3＝9s，同时需经过计算及多次实验确定K1、K2、K3及X1、X2、X3的值，以实现对塔式起重
机机构传动系统10的实时监测和保护，保证机构安全运行。