起升高度限制器試驗臺的研制

金郁沁，劉 藝

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

起升高度限制器試驗臺的研制

金郁沁，劉 藝

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

本實驗臺根據起升高度限制器的工作原理，模擬在起重機實際工況下，對起升高度限制器的性能進行了測試。試驗臺可對起升高度限制器的運轉限位功能和重復定位精度進行測試，可用于各類型起重機起升高度限制器的運轉限位功能試驗和重復定位精度試驗。

起升高度限制器；轉角精度；試驗臺

0 引言

起升高度限制器是用于限制起重機吊起升高度的重要安全保護裝置，其作用是當吊具上升或下降至極限位置時，自動切斷起升的動力源，卷筒停止轉動，使吊具不再繼續升高，避免吊具與橫梁(臂架)相撞，保證鋼絲繩在卷筒上的纏繞圈數不少于設計規定的周數。近幾年來，隨著起重機向著大型化，高效化，成套化的方向發展，對起重機安全保護裝置的安全要求越來越高，尤其應特別關注起升高度限制器的動作可靠性。為了保證起升高度限制器的性能，國家制定了《GB 12602起重機械超載保護裝置安全技術規范》、《TSG Q7014-2008起重機械安全保護裝置型式試驗細則》等規范標準，其中規定了起升高度限制器動作性能的試驗方法。研制的起升高度限制試驗臺就是基于這些標準設計的，本試驗臺模擬起重機運行時卷筒的實際工況，可對重錘式、螺桿式以及蝸輪蝸桿式起升高度限制器進行運動限位功能和凸輪轉角重復定位精度的實驗。

1 起升高度限制器試驗臺的結構

1.1 組成

本起重機起升高度限位器試驗臺主要由機架、伺服電機、編碼器、行星式減速器、十字滑塊聯軸器、卷筒、計算機測試及控制系統等組成。本試驗臺的電機選用伺服電機,以滿足不同轉速情況下的測量，且比直流電機速度響應頻率高，具有高速定位和閉環控制功能，大大提高了測試系統的精度。為了減少制動時整機產生的振動，采用了十字滑塊聯軸器，在支架底座與地基接觸處墊有橡膠隔振板。卷筒上繞出的繩索通過滑輪組來升降重物，其工況與起重機的實際工況相符。因伺服電機輸出軸轉速高，慣性力矩比較小，需選用質量在15kg內的重物模擬實際工況。卷筒與減速器之間采用十字滑塊聯軸器聯接，使卷筒軸的受力情況得到了改善，并保證了測量精度。

圖1 起升高度限制器實驗臺

1.2 試驗臺的性能參數和精度

1）伺服電機：功率P=0.2kW，轉速S=3000r/min，最大轉矩Mmax=1.91N.m；2）行星減速器：連續出力轉矩M=19.6N·m，減速比i=70；3）起升高度限制器：傳動比i=80，動作組數n=4，工作電壓：U=AC220/380V；4）凸輪轉角測量精度：±0.1%FS，顯示精度：2位小數。

2 起升高度限位器測試原理及實驗方法

2.1 起升高度限位器測試原理

系統的主要測試原理是根據起升高度限位器的傳動比，動作組數，調整試驗臺與之相匹配，然后模擬起升高度限位器的運行狀況。當起升高度限位器在工作循環中反復動作時， 對反映起升高度限位器性能的主要參數進行測量，采集到一段時間內的脈沖信號，再通過計算機進行數據處理與分析，從而完成對起升高度限位器的質量檢測。

2.2 實驗內容

伺服電機帶動卷筒轉動并傳遞轉矩，編碼器自動記錄電機的轉速，并把轉矩傳遞給起升高度限位器。當電機運轉相應的轉數時，起升高度限位器的記憶凸輪或碰塊就會觸碰微動開關發出相應的行程限位報警和極限限位報警并切斷電源。編碼器所顯示電機轉速的對應距離與起身高度限位器所顯示的起升高度相比較可反應限位器的高度顯示精度。電動機反轉時，凸輪或碰塊與微動開關脫離接觸且返回正常工作狀態時，微動開關應能自動復位，凸輪或碰塊反轉至初始位置停止。反復以上實驗過程3次，通過編碼器輸出的脈沖數進行轉換并計算出升高限制器的轉角重復定位精度。

3 試驗臺測試系統

3.1 伺服控制系統

伺服控制系統主要由伺服電機、伺服驅動放大器、PLC、PLC特殊功能模塊、計算機和電氣控制柜組成，如圖2所示。

圖2 伺服控制系統組成

3.1.1 伺服電機

伺服電機比步進電機有更好的控制精度和速度響應性能，伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證，每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這和接受的脈沖形成了呼應，這樣系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，就能很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位。MR-E系列的伺服電機編碼器帶有10000脈沖/轉分辨率的增量型位置編碼器，在本系統中可對凸輪或碰塊的位置進行準確的控制。

3.1.2 伺服驅動放大器

伺服驅動放大器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能比步進電機更為可靠。本系統中伺服驅動放大器為三菱的MR-E-40A，是高性能的伺服系列，控制模式有位置控制和速度控制兩種模式，并能切換位置控制和速度控制模式進行運行。適合用于設備的高密度定位和平穩的速度控制。在本系統測試過程中，主要用到的是位置控制模式，MR-E-40A與三菱的脈沖發生單元FX2N-1PG接口良好，可從FX2N-1PG接收脈沖并根據脈沖數控制伺服電機的啟停和運轉方向。伺服驅動放大器與PLC特殊功能模塊的連接電纜必須采用屏蔽電纜，屏蔽層要可靠接地，并且要計算屏蔽電纜的長度，以保證脈沖信號的正確傳輸。

3.1.3 PLC和PLC特殊功能模塊

在本系統中，PLC為三菱的FX2N，該PLC有較高的可靠性，豐富的指令和較強的實時通訊能力，還有豐富的可以與其匹配的擴展模塊。PLC特殊功能模塊為FX2N-1PG和FX2N-1HC。FX2N-1PG為脈沖發生單元，可通過向伺服電機的驅動放大器提供指定數量的脈沖來實現伺服電機的精確定位。FX2N-1PG接收PLC的指令，分別從FP和RP端發出正轉和反轉的脈沖，伺服驅動放大器的PP和NP端和FX2N-1PG的FP和RP端相連，接收到脈沖后根據放大器的設置值直接驅動伺服電機運行。在本系統中為1800脈沖/轉。FX2N-1HC是硬件高速計數模塊，有2相50HZ的高速計數器，計數速度比PLC的內置高速計數器的計數速度高，而且可直接進行比較和輸出。確保高速計數器的計數能力才能保證PLC程序的正常工作，讀取到正確的編碼器脈沖輸出信號。伺服驅動放大器的 LA和LAR、LB和LBR、LZ和LZR端分別為編碼器的A相、B相和Z相脈沖的差動驅動輸出，將它們與FX2N-1HC的A24+和A-、B24+和B-、XP24和COMP端相連，FX2N-1HC就能讀取伺服電機編碼器通過驅動放大器輸出的反饋脈沖信號，計算出伺服電機旋轉過的角度，并與預先設定的值進行比較。在本系統中伺服電機編碼器的輸出為4000脈沖/轉。

3.1.4 計算機和電氣控制柜

PLC通過232-BD接口板與計算機的232口進行通訊，計算機能讀取PLC所有的輸出和內部設置值，如FX2N-1PG輸出的脈沖值和FX2N-1HC讀取到的編碼器反饋脈沖值等，并進行一系列的計算，再將計算結果顯示在屏幕上，使試驗過程更為直觀。電氣控制柜中除了安裝系統主要的組成部分外，還有斷路器、穩壓電源、保險絲、接線端子和操作按鈕、急停按鈕等，可為實驗過程中提供安全穩定的電源、必要的保護和緊急停止裝置。

3.2 計算機軟件

本系統中的計算機軟件采用了模塊化的設計方法，專門開發了一套起升高度限制器實驗臺測試系統軟件。基于計算機系統的測試軟件在數據處理、顯示、存儲等各方面都比傳統的儀器儀表功能強大，新一代的起升高度限制器試驗臺試驗流程的控制，試驗數據的采集、計算、存儲等功能都由計算機軟件來實現。用戶可通過在計算機程序設計的界面上進行參數輸入，開始試驗和結束試驗等操作，由計算機軟件自動進行數據處理、存儲和試驗結果顯示等工作，并最后生成試驗報告。測試系統軟件流程如圖3所示。

4 數據處理方法

對于起升高度限制器轉角定位精度的測量。本系統采用伺服電機的編碼器。測試控制系統能實時測量凸輪轉角重復定位精度，伺服電機輸出的脈沖數于其轉速成正比，計算機得到的信號是PLC通過高速計數器采集到的伺服驅動放大器輸出的編碼器脈沖信號。通過調整設置值可改變電機的轉速和伺服電機每轉輸出的脈沖數(輸出脈沖=設定值[脈沖數/轉])。起升高度限位器的凸輪觸碰到微動開關發出相應的極限限位報警并切斷電源后，計算機將采集到的信號轉換為角度輸出。角度計算公式為：

圖3 測試系統軟件流程圖

式中，X為計算機采集到的脈沖數；Y為伺服電機編碼器的輸出脈沖；i為起升高度限制器的傳動比，即電機轉角與起升高度限制器凸輪轉角比。由于考慮到本系統中存在系統誤差和單次測量的誤差，因此該測量結果需進行修正，修正的公式為：

式中，為三次測量的平均值；Δ*X為系統誤差；δx為標準誤差，此處δx=±1%Fs。

若時間間隔較短，則采集到的脈沖數少，精度較低。反之，采集到的數據多，顯示的精度提高，但虛擬儀表的刷新速度就會變慢。為了既保證精度，同時又使虛擬儀表保持較快的刷新速度，就要根據轉速信號的特點來選擇合適的時間間隔。經反復試驗，選取了100ms的時間間隔，測試精度和虛擬角度儀表的分辨力都能滿足系統要求。

實驗結果輸出：

經過對QGX-B型起升高度限制器的測試，結果表明，多次試驗均滿足規范標準內對起升高度限制器動作性能的試驗要求，該型號起升高度限制器的運動限位功能和凸輪轉角重復定位精度的多次試驗結果均為合格。試驗結果見圖4。

圖4 試驗結果

5 結語

本文介紹了起升高度限制器試驗臺的研制過程，該實驗臺可較好模擬起重機的實際工作情況，對各種螺桿式、重錘式、渦輪蝸桿式起升高度限制器均可進行測試。實驗臺的結構設計可滿足測試起升高度限制器性能的工作要求，且該試驗系統建立了良好的人機交流界面，可完成對數據的采集、分析處理和狀態監控等工作，這突破了傳統儀器儀表在數據傳送、處理顯示和存儲功能等方面的限制，實際使用效果好，這為起升高度限制器的安全監察提供了可靠的實驗設備。

[1]TSG Q7014-2008起重機械安全保護裝置型式試驗細則.特種設備安全技術規范,2008.

[2]尤建陽,侯振亞,劉凱.起升高度限制器的技術與管理現狀[J].起重運輸機械,2005(10):49-51.

[3]黃漫國,陶元芳,起重機制動器試驗臺檢測系統軟件設計[J].計算機技術與應用,2007,27(2):52-54.

[4]朱鈺,許順隆,劉少輝,等.液壓起重機安全監控系統的開發[J].武漢理工大學學報,2008,4(8):67-69.

Development of Lifting Height Limiter Test Bed

JIN Yu-qin,LIU Yi
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

According to the operation principle of lifting height limiter，the test bed simulates the crane actual working condition and tests the lifting height limiter performance.The test bed can test the limiting function and repeat positioning accuracy of lifting height limiter.It can also be used in different types of crane lifting height limiter.

lifting height limiter; rotation angle accuracy; test bed

TH16

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.011

金郁沁（1977-），女，工程師，長期從事物流輸送系統以及非標設備的電氣設計、開發與研究。