1. 引言
1.1. 研究背景与意义
起重机在建筑、港口、物流等领域广泛应用，其起升、变幅、回转机构的转速与转矩参数，是反映传动系统健康状态的核心指标。转速异常可能导致机构卡顿，转矩过载则易引发齿轮磨损、轴系断裂等重大故障。据《中国起重机械安全发展报告》统计，2020~2024年因转速转矩监测失效导致的起重机事故占比达32% [1]，因此在动态工况(如载荷波动、变幅运动)下实现高精度测量，是保障设备安全、延长使用寿命的关键需求。
1.2. 文献研究现状
通过CNKI、Web of Science数据库检索，筛选近15年(2010~2025)相关文献。国内研究以“低成本适配性”为核心，聚焦传感器改进与简化建模；国外研究侧重“高精度与智能化”，突出无线传输、多场耦合与物联网技术融合。当前研究痛点集中于：动态载荷下测量误差超差(国内部分方法误差 > 2%)、复杂环境(粉尘/振动)抗干扰能力不足、高端设备依赖进口(国外无线传感器单价超10万元)，尚未形成普适性强、性价比高的测量方案。
2. 测量方法分类标准
本文对“直接测量”与“间接估算”作如下操作性定义：
直接测量：通过传感器直接检测扭转轴或其附加元件的物理形变或运动状态，从而获取转速或转矩信号。其核心特征是信号来源于被测对象的机械响应。
间接估算：不直接测量轴的形变或运动，而是通过系统外部可测参数，结合物理或数学模型，反推转速与转矩值。
3. 国内起重机转速转矩测量方法
3.1. 直接测量类方法
3.1.1. 接触式测量方法
应变片技术：在被测轴外圆周45˚和135˚方向粘贴应变片，将切应力转化为应变信号，通过滑环或感应式传输装置将信号传至应变仪。该方法精度极高(误差 < 0.1%)，适用于实验室电机标定等高精度场景，但滑环易磨损，不适用于高速或恶劣环境[2]。其物理极限受材料疲劳寿命与信号传输方式制约，改进策略包括采用无线应变片或光纤光栅传感器。
盘式扭矩传感器：作为应变片技术的集成化产品，采用无轴承结构，通过法兰联轴器连接动力端与负载端，其量程可达0~5000 N*m，转速支持0~12,000 r/min，精度0.1%~0.5% F. S. [3]。安装时需保证轴线同轴度 ≤ 0.05 mm，否则将引入额外弯矩误差。
磁电式测量法：利用齿轮与磁电传感器的电磁感应，产生与转速成正比的交变电动势。该方法结构简单、成本低、抗干扰强，误差约0.5%~1%，适用于中低速(<3000 r/min)工业设备[4]。
3.1.2. 非接触式测量方法
为解决安装与环境问题，国内学者开发非接触方案，以霍尔电流传感器与激光转速传感器为代表。哈尔滨工业大学在塔式起重机回转机构中，利用霍尔传感器采集电机定子电流，结合电机转矩与电流的线性关系反推转矩(误差 ± 1.2%)，搭配激光传感器非接触测量转速(精度 ± 0.1 r/min) [5]。该方法无需拆解设备，可在线安装，但受电机磁路饱和影响，载荷波动超30%时误差增至±2.5%。
3.2. 间接估算类方法
3.2.1. 电机参数建模法
基于异步电机的等效电路模型，通过电压、电流等参数估算转速与转矩。中南大学在门式起重机中采用矢量控制理论建立估算模型，成本仅为直接测量的1/5。但忽略铁损与铜损，连续作业后因电机发热导致参数漂移，误差从±1.8%升至±3.2% [6]。
3.2.2. 振动/噪声反演法
通过加速度传感器采集齿轮箱振动信号，结合频谱分析反推转速与转矩。武汉理工大学在20吨级塔式起重机中实现精度约±2.0% [7]。该方法适配性强，但受环境噪声干扰大，在嘈杂场景中误差会扩大至±4.5%。
4. 国外起重机转速转矩测量方法
4.1. 高精度直接测量类方法
无线扭矩传感器法：以美国KISTLER无线扭矩变送器为代表，采用蓝牙5.0协议传输数据，测量精度达±0.1%，动态响应速度10 ms，IP67密封设计适应恶劣环境[8]。在德国汉堡港的岸桥起重机中连续运行12个月故障率仅2%，但设备单价超12万元。
光学测量法：光学测量通过激光技术实现完全非接触测量，典型方案为德国POLYTEC的激光多普勒测速仪(LDV)与扭矩计算模型组合。其原理是：激光照射起重机传动轴表面，通过多普勒频移计算转速，精度 ± 0.01 r/min，同时采集传动轴的微小形变，结合材料力学模型计算转矩，精度 ± 0.08% [9]。该方法无机械干扰，但对环境光照敏感，需配套遮光装置，调试周期长达1周。
4.2. 智能化间接测量类方法
物联网融合法：西门子“传感器 + 云平台”系统通过多传感器数据上传云端，利用大数据算法修正误差，在鹿特丹港的门式起重机中转矩误差稳定在±0.3% [10]。但依赖网络环境，延迟 > 100 ms时动态响应会出现滞后。
多物理场耦合建模法：MIT针对履带式起重机，融合力学、电磁学与热力学模型，通过有限元分析优化转矩估算公式，在载荷波动超50%时误差仍控制在±0.3% [11]。该方法计算复杂度高，需配套工业级算力芯片。
5. 技术路线比较与适用性分析
5.1. 物理极限与关键影响因素
直接测量的精度受限于传感器分辨率、材料特性与信号传输方式。例如，应变片法的极限精度受制于应变片粘贴质量与信号漂移。间接估算的精度依赖于模型完备性与参数稳定性。如电机参数建模法在温升、磁饱和等非线性效应下精度显著下降。
5.2. 适用场景边界
高精度直接测量适用于港口起重机、航空航天等对精度与可靠性要求极高的场景；间接估算更适用于中低端起重机、老旧设备改造或预算受限项目；多传感器融合与云平台辅助是未来提升间接方法精度的关键路径。
5.3. 融合可能性
国内外方法在“传感–建模–平台”三个层面存在互补空间。例如，将国内低成本传感器与国外多场耦合模型结合，构建“本地传感 + 云端修正”的混合系统，可在控制成本的同时提升动态精度。
6. 结论与展望
国内方法以“低成本、易推广”为优势，适用于中低端起重机，但在动态精度与抗干扰能力上存在短板；国外方法聚焦“高精度、智能化”，适配高端港口、履带式起重机，但成本高、依赖进口。
两类方法的核心差异在于“技术目标”——国内优先满足工程需求，国外追求性能极致，未来需结合两者优势，形成“高精度 + 低成本”的平衡方案。
未来，随着人工智能与先进传感技术的深度结合，起重机转速转矩测量技术将朝着更智能、更可靠、更集成的方向发展，为起重机械的智能化升级与安全运行提供坚实的技术支撑。
致 谢
本论文的顺利完成，离不开各方的支持与帮助。首先，衷心感谢我的指导教师包瑞新，从论文选题、框架搭建到内容打磨，您都给予了专业且细致的指导，让我得以清晰梳理起重机转速转矩测量领域的研究脉络。
同时，感谢大创项目团队成员的协作与付出，项目研究过程中的每一次讨论与实践，都为论文的撰写积累了宝贵素材。也感谢期刊审稿专家提出的建设性意见，帮助我进一步完善论文质量。
最后，向所有在学业与科研道路上给予我鼓励的家人和朋友致以诚挚谢意。
基金项目
辽宁省大学生创新训练计划项目(项目编号：S202410148049)；辽宁省市场监督管理局科技计划项目(项目编号：2024ZC013)。
NOTES
*通讯作者。