起重機(jī)械起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)下滑量測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

謝小娟，林曉明，梁敏健

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東 珠海 519002）

1 研究背景

安裝于起升機(jī)構(gòu)上的制動(dòng)器，是起重機(jī)械的一項(xiàng)重要部件，一方面，該部件能夠?qū)⒄诒惶嵘蛳陆档闹匚锿Ｔ谒韪叨龋?duì)起升或下降速度進(jìn)行調(diào)控。另一方面，在運(yùn)行或變幅等機(jī)構(gòu)中，它又能夠讓機(jī)構(gòu)平穩(wěn)地停止在相應(yīng)位置。因此，制動(dòng)器是起重機(jī)械的工作裝置和重要安全裝置。當(dāng)起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)在吊著負(fù)載下降時(shí)，制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)會(huì)因?yàn)樨?fù)載本身的重力導(dǎo)致起升機(jī)構(gòu)不能立即被制停，而是帶著制動(dòng)力矩向下溜車，經(jīng)過(guò)的這一小段距離稱為“制動(dòng)下滑量”。制動(dòng)下滑量作為評(píng)價(jià)制動(dòng)器工作性能的指標(biāo)參數(shù)，是起重機(jī)械檢驗(yàn)檢測(cè)中的重要安全指標(biāo)。

在起重機(jī)械作業(yè)時(shí)，某些違規(guī)操作會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)械制動(dòng)裝置（如閘瓦、制動(dòng)輪等）的磨損，使得制動(dòng)下滑量增加。過(guò)大的下滑量輕則將影響到重物起吊時(shí)的定位精度，依靠起重機(jī)械安裝大型設(shè)備變得更加困難，重則導(dǎo)致嚴(yán)重事故，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

由于起重機(jī)械工作是周期性、間歇性的，每個(gè)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)都會(huì)經(jīng)常地進(jìn)行啟動(dòng)和制動(dòng)，因此，同一設(shè)備測(cè)定的制動(dòng)下滑量會(huì)隨不同的工作條件、不同的設(shè)備狀況而變化。同時(shí)，工作現(xiàn)場(chǎng)還會(huì)受到制動(dòng)器類型及其控制方式的影響：帶式、塊式等不同型式的制動(dòng)器，其工作性能會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)型式、磨損情況、力矩施加等不同影響，造成制動(dòng)的完成情況有所不同；有些長(zhǎng)期服役的起重機(jī)械利用接觸器及繼電器進(jìn)行控制，通過(guò)制動(dòng)器來(lái)完成制動(dòng)，基本上使用全部的制動(dòng)力矩，會(huì)造成沖擊大、不平穩(wěn)的情況。

目前，對(duì)起重機(jī)械制動(dòng)下滑量的檢驗(yàn)方法通常是目測(cè)、重錘檢測(cè)法、采用行程開關(guān)控制、采用光控繼電器、基于單片機(jī)的智能測(cè)量，這些檢驗(yàn)方法由于準(zhǔn)確性不足、操作麻煩、有不安全風(fēng)險(xiǎn)、電路的改動(dòng)等，導(dǎo)致了其局限性，可操作性不夠以及推廣困難等，均存在諸多不足之處。

近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，基于傳感器測(cè)量的一些下滑量的檢測(cè)方法逐漸被研發(fā)出來(lái)。林劍鋒研發(fā)了一種檢測(cè)裝置，其通過(guò)無(wú)線傳輸、采用激光測(cè)距來(lái)測(cè)量制動(dòng)下滑量；谷惠勇對(duì)起重機(jī)綜合性能檢測(cè)儀進(jìn)行了研究，能夠在重物下方的適當(dāng)之處測(cè)量制動(dòng)下滑量；王小翼對(duì)霍爾傳感器的起重機(jī)制動(dòng)下滑量檢測(cè)進(jìn)行了研究；戴文駿設(shè)計(jì)了起重機(jī)制動(dòng)下滑量檢測(cè)儀在載荷狀態(tài)中進(jìn)行檢測(cè)；王軍、高巖等對(duì)分析了制動(dòng)下滑量的檢測(cè)現(xiàn)狀，探討了檢測(cè)裝置的發(fā)展及設(shè)計(jì)。

以上研究中的技術(shù)和方法大部分在起重機(jī)械出廠時(shí)的性能檢測(cè)比較適用，而現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)卻有不便之處。針對(duì)當(dāng)前制動(dòng)下滑量檢測(cè)的現(xiàn)狀，本文基于加速度信號(hào)測(cè)量信號(hào)，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)用的制動(dòng)下滑量測(cè)量裝置。

2 制動(dòng)下滑量測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

按照國(guó)標(biāo)《起重機(jī)械安全規(guī)程》（GB6067.1-2010）4.2.6.3 規(guī)定，吊鉤起重機(jī)的起吊物在下降制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離不應(yīng)大于 1分鐘內(nèi)起升距離的1/65。同時(shí)，TSG Q7016-2008《起重機(jī)械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》B10.1 也要求如果起重機(jī)械對(duì)制動(dòng)下滑量有要求，其制動(dòng)下滑量應(yīng)處于允許范圍。這些條款對(duì)起重機(jī)械制動(dòng)下滑量作出了明確要求。

日軍見(jiàn)偷襲不成，惱羞成怒，一起朝最近的女兵石屋掃射。子彈已經(jīng)在李曉英居住的石屋周圍迸出了火花。陳山利飛奔的腳步，恨不得一下飛到李曉英面前，為她擋槍遮彈。

根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)下滑量規(guī)定的技術(shù)要求，本文提出一種新的起重機(jī)械起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)下滑量測(cè)試裝置。該裝置基于加速度信號(hào)測(cè)量，電子元件使用更少的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格較低且安裝使用簡(jiǎn)便，既能作為起重機(jī)械制動(dòng)下滑量的測(cè)量裝置，又能作為一種起重機(jī)械制動(dòng)器的安全保護(hù)性能及其調(diào)節(jié)狀況的評(píng)估裝置。通過(guò)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理、消除采樣誤差處理和積分處理，會(huì)使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加精確。如果測(cè)試后發(fā)現(xiàn)下滑量超出規(guī)定范圍，則應(yīng)停止該起重機(jī)的作業(yè)并進(jìn)行檢修，及時(shí)消除潛在危險(xiǎn)，避免可能造成的損失。

2.1 測(cè)量裝置的原理

該測(cè)量裝置的原理是在起重機(jī)械懸吊重物勻速下降時(shí)，利用加速度的突然變化捕獲制動(dòng)開始t1以及結(jié)束的瞬間t2，并通過(guò)加速度a 來(lái)獲知其制動(dòng)開始的速度v1：

制動(dòng)停止時(shí)的速度v2=0，由速度和距離S 的關(guān)系可得：

由（2）可得：

由（1）式和（3）式可得：

因此，通過(guò)安裝在重物上的加速度傳感器對(duì)起重機(jī)械制動(dòng)時(shí)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并獲取其加速度以及時(shí)間信息，就可以測(cè)出重物在下降時(shí)的制動(dòng)距離，即制動(dòng)下滑量。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

該裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由MCU、加速度計(jì)、Wi-Fi模塊、存儲(chǔ)、電源管理及時(shí)間同步模塊以及上位機(jī)等組成。起重機(jī)械進(jìn)行制動(dòng)的過(guò)程中，加速度計(jì)采集方向、距離等數(shù)據(jù)信號(hào)，傳送至下位機(jī)主控中心MCU，再由下位機(jī)中心完成傳感器信號(hào)的判定，分析和計(jì)算加速度傳感器的數(shù)據(jù)和參數(shù)變化，完成下滑距離的轉(zhuǎn)化。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

主控MCU 模塊采用STM32F407 集成控制板，其具有性能高、功耗低的特點(diǎn)，主要功能為接收加速度傳感器的信號(hào)和數(shù)據(jù)，與上位機(jī)的通信、傳送數(shù)據(jù)，完成無(wú)線數(shù)據(jù)解析與執(zhí)行、傳感器信號(hào)判定、下滑量數(shù)據(jù)計(jì)算。

加速度計(jì)采用MMA8451 數(shù)字式三軸加速度傳感器，屬電容式微機(jī)械傳感器，特點(diǎn)是低電壓供電、最高精度14 位、采用QFN 封裝，有兩個(gè)可配置的中斷端口，使用I2C 串行通信協(xié)議進(jìn)行通信。主要功能是在制動(dòng)下滑時(shí)采集加速度和角速度變化數(shù)據(jù)。

Wi-Fi 模塊采用ESP8266，接收MCU 發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，并接收上位機(jī)的信號(hào)并傳送到MCU 中。

上位機(jī)即手持控制儀，由TFT 液晶屏、按鍵、外殼、電池、單片機(jī)處理電路、Wi-Fi 模組組成。用以完成和下位機(jī)的通信，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，將接收到的處理后數(shù)據(jù)可視化，在液晶屏上顯示出來(lái)，以及完成對(duì)下位機(jī)的控制。

存儲(chǔ)模塊主要功能是存儲(chǔ)加速度傳感器的數(shù)據(jù)及MCU 的處理結(jié)果等。電源管理模塊則負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電源，給MCU和其它模塊供電。時(shí)間同步模塊則通過(guò)有線方式與起重機(jī)械的控制臺(tái)進(jìn)行連接，由單片機(jī)電路以及Wi-Fi 模組組成，主要是記錄起重機(jī)制動(dòng)的時(shí)間并發(fā)送給主控中心。

2.3 各模塊工作方式

上位機(jī)通過(guò)Wi-Fi 與主控MCU 進(jìn)行通信，先把數(shù)據(jù)或命令發(fā)送至與MCU 相連接的Wi-Fi 模塊，Wi-Fi 再通過(guò)高速串口把數(shù)據(jù)傳給MCU。

加速度計(jì)采集到重物在下降過(guò)程及下滑過(guò)程中的加速度變化數(shù)據(jù)，將其傳送給MCU。

存儲(chǔ)模塊主要用來(lái)增加下位機(jī)主控MCU 的容量，也通過(guò)高速串口方式與MCU 相通信。

時(shí)間同步模塊將記錄的起重機(jī)制動(dòng)時(shí)間通過(guò)Wi-Fi 發(fā)送至與MCU 相連接的Wi-Fi 模塊，Wi-Fi 再通過(guò)高速串口把數(shù)據(jù)傳給MCU。

當(dāng)下位機(jī)MCU 計(jì)算出下滑結(jié)果后，再通過(guò)高速串口傳送給Wi-Fi 模塊，再由Wi-Fi 模塊傳送至上位機(jī)，通過(guò)可視化操作在液晶屏上顯示出下滑距離。

3 測(cè)量流程

設(shè)備安裝工作步驟：將加速度傳感器及下位機(jī)安裝在被測(cè)對(duì)象起重機(jī)的吊鉤下面，通過(guò)控制臺(tái)啟動(dòng)起重機(jī)將帶有重物的吊鉤升至高處。然后開始測(cè)量，流程如圖2 所示。

圖2 測(cè)量流程圖

步驟一：控制加速度傳感器開始采集起重機(jī)下降制動(dòng)時(shí)的加速度數(shù)據(jù)；下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)出的檢測(cè)指令并控制加速度傳感器開始采集數(shù)據(jù)，在t0時(shí)刻啟動(dòng)處于高處的起重機(jī)，待其穩(wěn)定下降后，控制臺(tái)在t1時(shí)刻發(fā)送制動(dòng)指令使起重機(jī)制動(dòng)。

步驟二：時(shí)間同步模塊接收制動(dòng)指令同時(shí)記錄制動(dòng)初始時(shí)間t1，并將制動(dòng)初始時(shí)間t1發(fā)送至下位機(jī)，待起重機(jī)完全停止再過(guò)3 秒鐘后，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)出的停止檢測(cè)指令并控制加速度傳感器停止采集加速度數(shù)據(jù)，并將采集的所有加速度、角速度變化等數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)。

步驟三：步驟二采集的所有加速度數(shù)據(jù)被下位機(jī)的MCU接收后，調(diào)用已設(shè)定好的算法程序依次進(jìn)行濾波處理、消除采樣誤差處理和積分處理，如圖3 所示；數(shù)據(jù)的處理結(jié)果被送至Wi-Fi 模塊，然后通過(guò)無(wú)線傳輸協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并完成可視化，將測(cè)量結(jié)果（制動(dòng)下滑量）直接在液晶屏上顯示出來(lái)。

圖3 測(cè)量方法框圖

4 測(cè)量裝置比較

將本文所述的制動(dòng)下滑量檢測(cè)方法與目前常用方法進(jìn)行比較，如表1 所示。直尺法利用目測(cè)判斷制動(dòng)開始和完成的時(shí)間，可靠性較差；微動(dòng)開關(guān)法安裝的時(shí)候所需工作量大，而且安裝過(guò)程也存在安全隱患，同時(shí)，檢測(cè)結(jié)果欠缺精確度；行程開關(guān)法需要測(cè)量多次求得平均值，而每次都要從重砣上量取距離并復(fù)位行程開關(guān)，對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，也有安全隱患；旋轉(zhuǎn)編碼器方式精度較好，但難以安裝拆卸，且測(cè)量所需條件比較多，有一定的局限性；激光測(cè)距法由于激光測(cè)量裝置在重物下方，對(duì)操作人員和設(shè)備存在安全風(fēng)險(xiǎn)；圖像捕捉方式的設(shè)備價(jià)格昂貴，且不易安裝，而測(cè)量精度并不穩(wěn)定，和捕捉設(shè)備的精度相關(guān)。本文所提出的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，其測(cè)量結(jié)果在經(jīng)過(guò)濾波處理、消除誤差后的數(shù)據(jù)比較精確，能夠在下滑量超出標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)進(jìn)行檢修，及時(shí)消除潛在危險(xiǎn)，避免安全隱患，防止損失。

表1 制動(dòng)下滑量的各種測(cè)量方法比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)下滑量測(cè)試方法的不足，提出了一種基于加速度測(cè)量方式的檢測(cè)裝置和方法。起重機(jī)生產(chǎn)廠家和特檢部門可以利用該方法來(lái)判定起重機(jī)的制動(dòng)性能是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確保安裝質(zhì)量，并為起重機(jī)械的檢驗(yàn)檢測(cè)提供依據(jù)；起重機(jī)用戶則可在實(shí)際生產(chǎn)中使用該方法進(jìn)行定期生產(chǎn)檢測(cè)，可使起重機(jī)實(shí)際操作人員掌握起重機(jī)制動(dòng)器的常態(tài)工作性能，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，減輕了檢測(cè)和操作人員的工作強(qiáng)度，非常適用于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。