基于動(dòng)態(tài)位移檢測(cè)的起重機(jī)制動(dòng)下滑量檢測(cè)儀研制*

祝鳳金 呂桂志

菏澤學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 菏澤 274000

0 引言

起重機(jī)制動(dòng)后，由于慣性作用，負(fù)載會(huì)繼續(xù)沿運(yùn)動(dòng)方向滑移一段距離，該距離為起重機(jī)制動(dòng)距離。起重機(jī)制動(dòng)分為起升制動(dòng)和下降制動(dòng)[1]，由于起升制動(dòng)和下降制動(dòng)時(shí)受負(fù)載自重影響不同，下降制動(dòng)距離遠(yuǎn)大于起升制動(dòng)距離，起重機(jī)制動(dòng)下滑量即額定載荷在勻速下降過程中的制動(dòng)距離。制動(dòng)下滑量是評(píng)價(jià)起重機(jī)安全性能的重要指標(biāo)，TSGQ7016—2016《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》、GB/T3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1 部分》以及JB/T1306—2008《電動(dòng)單梁起重機(jī)》中對(duì)起重機(jī)制動(dòng)下滑量進(jìn)行了技術(shù)規(guī)范。實(shí)際檢測(cè)中所執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范并沒有對(duì)制動(dòng)下滑量具體數(shù)據(jù)做出要求，但要求制動(dòng)下滑量必須在標(biāo)注允許范圍內(nèi)。制動(dòng)下滑量過大會(huì)影響起重機(jī)定位精度，并對(duì)周圍人員或物體安全造成影響；制動(dòng)下滑量過小，在制動(dòng)過程中需施加較大制動(dòng)力，從而可能產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊，影響整機(jī)安全[2]。

為實(shí)現(xiàn)制動(dòng)下滑量的精確檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多研究。目前，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)下滑量檢測(cè)的行程開關(guān)法[3]、光控繼電器法[4]、霍爾傳感器法[5]、激光傳感器法[6]、高速圖像捕捉法[7]等都是通過傳感器獲得起重機(jī)制動(dòng)開始時(shí)刻，并從刻度尺上讀取載荷制動(dòng)開始時(shí)刻高度H1，待起重機(jī)制動(dòng)停止后讀取載荷高度H2，最后通過H1-H2獲得制動(dòng)下滑量。此類方法在實(shí)施時(shí)需要將測(cè)量?jī)x與起重機(jī)控制電路相串聯(lián)，以獲得起重機(jī)制動(dòng)開始時(shí)刻，現(xiàn)場(chǎng)布置效率低、無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程數(shù)字化描述及信息存儲(chǔ)。采用加速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量載荷加速度并最終利用最小二乘法計(jì)算制動(dòng)下滑量[8-10]的方法，在計(jì)算時(shí)未考慮不同制動(dòng)方式對(duì)起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度曲線的影響。當(dāng)起重機(jī)采用制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，采用最小二乘法計(jì)算制動(dòng)下滑量,其測(cè)量結(jié)果的誤差較大。采用拉線位移傳感器獲得額定載荷位移曲線，并利用加速度曲線特點(diǎn)獲得制動(dòng)下滑量[11]的方法，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中難以保證拉線處于垂直位置，且受制動(dòng)沖擊及振動(dòng)影響該方法難以準(zhǔn)確判斷制動(dòng)開始時(shí)刻位置，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

本研究采用激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)測(cè)量額定載荷高度，獲得載荷位移及速度曲線，并針對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)與變頻器制動(dòng)方式采用不同計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)下滑量的精準(zhǔn)測(cè)量。同時(shí)，設(shè)計(jì)激光測(cè)距儀位置自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，保證了測(cè)量精度及提高現(xiàn)場(chǎng)布置及測(cè)量效率，并最大限度地保障了測(cè)量人員及設(shè)備安全。

1 測(cè)量方案設(shè)計(jì)

本研究通過放置在額定載荷下方的激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)采集額定載荷下行過程中高度變化。利用標(biāo)準(zhǔn)通訊接口將所采集高度信息傳送至上位機(jī)進(jìn)行算法處理，獲得額定載荷運(yùn)動(dòng)位移曲線和速度曲線，最終通過上位機(jī)對(duì)速度曲線分析，計(jì)算出起重機(jī)制動(dòng)下滑量。為保證測(cè)量時(shí)激光測(cè)距儀測(cè)量精度與測(cè)量人員安全，在額定載荷側(cè)面利用磁力座安裝測(cè)量擋板，使激光測(cè)距儀垂直位于測(cè)量擋板正下方，其測(cè)量方案如圖1 所示。

圖1 測(cè)量方案

2 制動(dòng)下滑量測(cè)量

2.1 起重機(jī)制動(dòng)過程分析

傳統(tǒng)起重機(jī)制動(dòng)采用接觸器加繼電器的硬件控制系統(tǒng)，制動(dòng)完全由制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。該制動(dòng)過程可描述為額定載荷勻速下降，當(dāng)產(chǎn)生制動(dòng)信號(hào)時(shí)，從制動(dòng)器開始斷電到制動(dòng)器摩擦副開始接觸這段時(shí)間內(nèi)，由于載荷自重作用，載荷繼續(xù)做勻加速運(yùn)動(dòng)；從摩擦副開始工作到載荷制動(dòng)停止，載荷做勻減速運(yùn)動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，采用變頻控制系統(tǒng)已能實(shí)現(xiàn)零速抱閘[2]，在整個(gè)檢測(cè)過程中，載荷運(yùn)動(dòng)可描述為載荷從靜止開始勻加速下降直至勻速下降，制動(dòng)后載荷勻減速制動(dòng)直至停止。制動(dòng)器制動(dòng)與變頻器制動(dòng)載荷理想運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖2 所示。其中AB、BC1、C1D1、D1D2、D2E1、E1F分 別 為 制 動(dòng) 器 制 動(dòng)中運(yùn)動(dòng)前靜止、勻加速下降、勻速下降、制動(dòng)后勻加速下降、勻減速制動(dòng)、制動(dòng)后停止階段。AB、BC、CD、DE和EF分別為變頻器制動(dòng)中運(yùn)動(dòng)前靜止、勻加速下降、勻速下降、勻減速制動(dòng)、制動(dòng)后停止階段。

圖2 起重機(jī)制動(dòng)理想速度曲線圖

2.2 制動(dòng)下滑量算法

上位機(jī)通過實(shí)時(shí)采集激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)獲得額定載荷位移曲線H(t)，然后通過對(duì)位移曲線求導(dǎo)獲得額定載荷速度曲線，即

最后根據(jù)起重機(jī)不同制動(dòng)方式，針對(duì)速度曲線分別采用積分法和最小二乘法擬合獲得起重機(jī)制動(dòng)下滑量。

2.2.1 積分求解

積分求解是從起重機(jī)制動(dòng)開始時(shí)刻到制動(dòng)停止時(shí)刻，對(duì)速度曲線進(jìn)行積分獲得起重機(jī)制動(dòng)下滑量。該方法適用于制動(dòng)器制動(dòng)和變頻器制動(dòng)方式，可消除機(jī)械振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。圖2 中，D1和D分別為制動(dòng)器和變頻器制動(dòng)開始時(shí)刻，其求解公式可分別表示為

2.2.2 最小二乘法擬合求解

最小二乘法擬合求解適用于變頻器制動(dòng)方式的制動(dòng)下滑量計(jì)算。制動(dòng)過程中各階段最小二乘法擬合方程依次為

式中：V0、V4為運(yùn)動(dòng)前靜止?fàn)顟B(tài)載荷速度和制動(dòng)停止后額定載荷速度，其擬合結(jié)果為0；a1、a2為勻加速加速度和勻減速加速度；V1、V3為擬合參數(shù)；V2為勻速下降速度。

通過擬合處理制動(dòng)下滑量表達(dá)為

采用變頻器制動(dòng)方式的起重機(jī)制動(dòng)下滑量用積分法和最小二乘法擬合計(jì)算結(jié)果基本一致。而對(duì)于制動(dòng)器制動(dòng)方式2 種計(jì)算結(jié)果相差較大，其原因在于制動(dòng)器制動(dòng)方式存在斷電后勻加速下降階段，在采用擬合處理時(shí)該階段被作為測(cè)量誤差進(jìn)行擬合處理，導(dǎo)致擬合處理后制動(dòng)下滑量小于積分求解結(jié)果。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 激光測(cè)距儀選擇

激光測(cè)距儀的測(cè)量精度、測(cè)量頻率是影響測(cè)量結(jié)果的重要因素。本研究選擇LDS30-VCR 系列激光測(cè)距儀，其測(cè)量分辨率為1 mm、最小測(cè)量周期為30 ms，同時(shí)選擇RS232 接口方式更易于上位機(jī)程序開發(fā)。

3.2 測(cè)量方向調(diào)整

激光測(cè)距儀測(cè)量方向垂直于測(cè)量擋板是準(zhǔn)確測(cè)量載荷高度的前提條件?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，先通過水準(zhǔn)泡調(diào)整測(cè)量擋板為水平位置，然后調(diào)整激光測(cè)距儀測(cè)量方向垂直于測(cè)量擋板。

3.2.1 測(cè)量擋板調(diào)整

測(cè)量擋板通過2 自由度連桿結(jié)構(gòu)調(diào)整，并通過水準(zhǔn)泡檢驗(yàn)其是否水平，如圖3 所示。首先將磁力座吸附在額定載荷側(cè)面上，再松開鎖緊螺母，沿ω1和ω2方向旋轉(zhuǎn)調(diào)整測(cè)量擋板為水平后，鎖緊螺母。

圖3 測(cè)量擋板調(diào)整結(jié)構(gòu)

3.2.2 激光測(cè)距儀位置調(diào)整

激光測(cè)距儀位置自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距儀豎直位置自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)。安裝在激光測(cè)距儀固定板上的傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)激光測(cè)距儀位置信息，X、Y軸調(diào)整電機(jī)選擇減速步進(jìn)電機(jī)，X、Y方向手動(dòng)按鍵驅(qū)動(dòng)X、Y軸調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過水準(zhǔn)儀標(biāo)定激光測(cè)距儀處于豎直位置，記錄下此位置傾角傳感器數(shù)值并保存至存儲(chǔ)器。按下自動(dòng)調(diào)整按鍵，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)X、Y調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至傾角傳感器數(shù)據(jù)與所保存豎直位置數(shù)據(jù)處于允許誤差范圍內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)豎直位置調(diào)整，此時(shí)激光測(cè)距儀測(cè)量方向垂直于測(cè)量擋板。當(dāng)自動(dòng)位置調(diào)整功能故障時(shí)，可通過手動(dòng)按鍵和水準(zhǔn)泡進(jìn)行人工調(diào)整激光測(cè)距儀處于豎直位置。

圖4 激光測(cè)距儀位置自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇傾角傳感器MPU6050 并以STC12C2052AD 為控制芯片，通過I2C 總線讀取MPU6050 數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測(cè)傾角位置控制減速步進(jìn)電機(jī)調(diào)整激光測(cè)距儀至指定位置。電路板內(nèi)置在調(diào)整結(jié)構(gòu)底座內(nèi)以提高設(shè)備集成度，其控制流程如圖5 所示。

圖5 激光測(cè)距儀位置調(diào)整控制流程圖

3.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW 為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能開發(fā)。上位機(jī)通過串口實(shí)時(shí)采集激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)，并以位移曲線形式顯示，然后通過求導(dǎo)獲得速度曲線。最后根據(jù)利用速度曲線進(jìn)行積分或擬合分析獲得制動(dòng)下滑量。LabVIEW 提供4 種求導(dǎo)算法和4 種積分算法，不同的求導(dǎo)及積分算法對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小，本設(shè)計(jì)選擇Backward 求導(dǎo)和Bode 積分算法。上位機(jī)軟件同時(shí)可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像存儲(chǔ)、采集周期調(diào)整、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

以某企業(yè)雙梁額定載荷10 t、額定速度2 m/min，制動(dòng)方式為錐形制動(dòng)器制動(dòng)的起重機(jī)檢測(cè)為例，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，起吊負(fù)載為9.3 t。選擇激光測(cè)距儀測(cè)量周期為30 ms，測(cè)量位移曲線如圖7 所示，速度曲線如圖8 所示。從速度曲線中可以看出，受起重機(jī)運(yùn)行速度及激光測(cè)距儀測(cè)量精度影響，在該速度曲線中難以準(zhǔn)確找到B、C1、D1、D2、E1點(diǎn)，進(jìn)而影響制動(dòng)下滑量計(jì)算。調(diào)整采激光測(cè)距儀采集周期為60 ms、90 ms、120 ms 其速度曲線有明顯改善，測(cè)量周期為120 ms 速度曲線如圖9 所示。根據(jù)速度曲線，依次找到B、C1、D1、D2、E1、F 點(diǎn)位置，采用積分法求解制動(dòng)下滑量為39 mm，如圖10 所示。

圖6 測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

圖7 30 ms 位移曲線圖

圖8 30 ms 采集周期速度曲線

圖9 120 ms 采集周期速度曲線

圖10 120 ms 制動(dòng)下滑量積分求解

如果將該測(cè)量過程直接用最小二乘法擬合處理，制動(dòng)下滑量為19 mm，擬合處理曲線如圖11 所示。重復(fù)測(cè)量五次，其結(jié)果如表1 所示。數(shù)據(jù)表明，起重機(jī)采用制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)擬合計(jì)算結(jié)果小于積分計(jì)算結(jié)果。多次測(cè)量，2 種計(jì)算方法分別測(cè)得的結(jié)果基本一致。

圖11 120 ms 制動(dòng)下滑量擬合求解

表1 制動(dòng)下滑量測(cè)量比較

通過計(jì)算及大量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)額定速度大于4 m/min 時(shí)，采用30 ms 測(cè)量周期速度曲線各運(yùn)動(dòng)階段區(qū)分較為明顯，速度小于4 m/min 時(shí)，根據(jù)各起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，在保證各運(yùn)動(dòng)階段有明顯區(qū)分的情況下，盡可能選擇較小測(cè)量周期。

4.2 影響制動(dòng)下滑量因素分析

4.2.1 激光測(cè)距儀精度及測(cè)量周期

從理論分析，激光測(cè)距儀精度越高、測(cè)量周期越小對(duì)位移信息的采集越準(zhǔn)確，但激光測(cè)距儀的價(jià)格也越高。同時(shí)當(dāng)測(cè)量頻率較高時(shí)，對(duì)上位機(jī)的硬件要求也越高。當(dāng)起重機(jī)額定速度較低時(shí)，采用較小測(cè)量周期采集得到的速度曲線中各運(yùn)動(dòng)階段特征不易于識(shí)別，影響制動(dòng)下滑量的測(cè)量。

4.2.2 激光測(cè)距儀與測(cè)量擋板位置精度

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，為了最大限度地保障測(cè)量人員及測(cè)量設(shè)備的安全，同時(shí)考慮到測(cè)量過程中可能出現(xiàn)的負(fù)載脫落現(xiàn)象，一般使負(fù)載處于較低位置進(jìn)行測(cè)量。即使激光測(cè)距儀和測(cè)量擋板垂直精度有一定誤差，對(duì)實(shí)際測(cè)量結(jié)果影響較小。本設(shè)計(jì)中提供的位置調(diào)整方法及位置精度能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。

4.2.3 振動(dòng)

在實(shí)際測(cè)量中，載荷質(zhì)量一般接近額定載荷，載荷運(yùn)動(dòng)對(duì)起重機(jī)沖擊會(huì)引起桁架、鋼絲繩及索具振動(dòng)。其振動(dòng)是圍繞平衡位置做衰減振動(dòng)，由于其衰減較小[9]，在使用積分法和最小二乘法擬合時(shí)，振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。

5 結(jié)語

采用激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)額定載荷制動(dòng)過程中位移動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并獲得載荷位移曲線和速度曲線。針對(duì)起重機(jī)不同制動(dòng)方式分別利用積分法和最小二乘法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)下滑量的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)可檢測(cè)起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度。通過激光測(cè)距儀位置自動(dòng)調(diào)整，保證了測(cè)量精度以及現(xiàn)場(chǎng)布置效率，并保障了檢測(cè)人員人身安全。該自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量1.5 kg，易于攜帶?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，該測(cè)量方法受檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)影響較小，可消除機(jī)械振動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，多次測(cè)量結(jié)果一致度高。