起重機械起升機構制動下滑量測試裝置設計

謝小娟，林曉明，梁敏健

（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519002）

1 研究背景

安裝于起升機構上的制動器，是起重機械的一項重要部件，一方面，該部件能夠將正在被提升或下降的重物停在所需高度，并對起升或下降速度進行調控。另一方面，在運行或變幅等機構中，它又能夠讓機構平穩地停止在相應位置。因此，制動器是起重機械的工作裝置和重要安全裝置。當起重機械的起升機構在吊著負載下降時，制動器在制動時會因為負載本身的重力導致起升機構不能立即被制停，而是帶著制動力矩向下溜車，經過的這一小段距離稱為“制動下滑量”。制動下滑量作為評價制動器工作性能的指標參數，是起重機械檢驗檢測中的重要安全指標。

在起重機械作業時，某些違規操作會導致起重機械制動裝置（如閘瓦、制動輪等）的磨損，使得制動下滑量增加。過大的下滑量輕則將影響到重物起吊時的定位精度，依靠起重機械安裝大型設備變得更加困難，重則導致嚴重事故，造成財產損失和人員傷亡。

由于起重機械工作是周期性、間歇性的，每個機構在工作時都會經常地進行啟動和制動，因此，同一設備測定的制動下滑量會隨不同的工作條件、不同的設備狀況而變化。同時，工作現場還會受到制動器類型及其控制方式的影響：帶式、塊式等不同型式的制動器，其工作性能會因為結構型式、磨損情況、力矩施加等不同影響，造成制動的完成情況有所不同；有些長期服役的起重機械利用接觸器及繼電器進行控制，通過制動器來完成制動，基本上使用全部的制動力矩，會造成沖擊大、不平穩的情況。

目前，對起重機械制動下滑量的檢驗方法通常是目測、重錘檢測法、采用行程開關控制、采用光控繼電器、基于單片機的智能測量，這些檢驗方法由于準確性不足、操作麻煩、有不安全風險、電路的改動等，導致了其局限性，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，隨著傳感器技術的發展，基于傳感器測量的一些下滑量的檢測方法逐漸被研發出來。林劍鋒研發了一種檢測裝置，其通過無線傳輸、采用激光測距來測量制動下滑量；谷惠勇對起重機綜合性能檢測儀進行了研究，能夠在重物下方的適當之處測量制動下滑量；王小翼對霍爾傳感器的起重機制動下滑量檢測進行了研究；戴文駿設計了起重機制動下滑量檢測儀在載荷狀態中進行檢測；王軍、高巖等對分析了制動下滑量的檢測現狀，探討了檢測裝置的發展及設計。

以上研究中的技術和方法大部分在起重機械出廠時的性能檢測比較適用，而現場檢驗時卻有不便之處。針對當前制動下滑量檢測的現狀，本文基于加速度信號測量信號，提出一種結構簡單、安裝方便的適用于現場檢測用的制動下滑量測量裝置。

2 制動下滑量測量裝置設計

按照國標《起重機械安全規程》（GB6067.1-2010）4.2.6.3 規定，吊鉤起重機的起吊物在下降制動時的制動距離不應大于 1分鐘內起升距離的1/65。同時，TSG Q7016-2008《起重機械安裝改造重大維修監督檢驗規則》B10.1 也要求如果起重機械對制動下滑量有要求，其制動下滑量應處于允許范圍。這些條款對起重機械制動下滑量作出了明確要求。

日軍見偷襲不成，惱羞成怒，一起朝最近的女兵石屋掃射。子彈已經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。

根據現有標準中對下滑量規定的技術要求，本文提出一種新的起重機械起升機構制動下滑量測試裝置。該裝置基于加速度信號測量，電子元件使用更少的，結構簡單、操作方便、價格較低且安裝使用簡便，既能作為起重機械制動下滑量的測量裝置，又能作為一種起重機械制動器的安全保護性能及其調節狀況的評估裝置。通過對加速度信號進行濾波處理、消除采樣誤差處理和積分處理，會使得測量數據更加精確。如果測試后發現下滑量超出規定范圍，則應停止該起重機的作業并進行檢修，及時消除潛在危險，避免可能造成的損失。

2.1 測量裝置的原理

該測量裝置的原理是在起重機械懸吊重物勻速下降時，利用加速度的突然變化捕獲制動開始t1以及結束的瞬間t2，并通過加速度a 來獲知其制動開始的速度v1：

制動停止時的速度v2=0，由速度和距離S 的關系可得：

由（2）可得：

由（1）式和（3）式可得：

因此，通過安裝在重物上的加速度傳感器對起重機械制動時的整個過程進行監控，并獲取其加速度以及時間信息，就可以測出重物在下降時的制動距離，即制動下滑量。

2.2 硬件結構

該裝置硬件結構如圖1 所示，由MCU、加速度計、Wi-Fi模塊、存儲、電源管理及時間同步模塊以及上位機等組成。起重機械進行制動的過程中，加速度計采集方向、距離等數據信號，傳送至下位機主控中心MCU，再由下位機中心完成傳感器信號的判定，分析和計算加速度傳感器的數據和參數變化，完成下滑距離的轉化。

圖1 裝置結構圖

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，主要功能為接收加速度傳感器的信號和數據，與上位機的通信、傳送數據，完成無線數據解析與執行、傳感器信號判定、下滑量數據計算。

加速度計采用MMA8451 數字式三軸加速度傳感器，屬電容式微機械傳感器，特點是低電壓供電、最高精度14 位、采用QFN 封裝，有兩個可配置的中斷端口，使用I2C 串行通信協議進行通信。主要功能是在制動下滑時采集加速度和角速度變化數據。

Wi-Fi 模塊采用ESP8266，接收MCU 發過來的數據傳至上位機，并接收上位機的信號并傳送到MCU 中。

上位機即手持控制儀，由TFT 液晶屏、按鍵、外殼、電池、單片機處理電路、Wi-Fi 模組組成。用以完成和下位機的通信，數據的接收和發送，將接收到的處理后數據可視化，在液晶屏上顯示出來，以及完成對下位機的控制。

存儲模塊主要功能是存儲加速度傳感器的數據及MCU 的處理結果等。電源管理模塊則負責提供穩定的電源，給MCU和其它模塊供電。時間同步模塊則通過有線方式與起重機械的控制臺進行連接，由單片機電路以及Wi-Fi 模組組成，主要是記錄起重機制動的時間并發送給主控中心。

2.3 各模塊工作方式

上位機通過Wi-Fi 與主控MCU 進行通信，先把數據或命令發送至與MCU 相連接的Wi-Fi 模塊，Wi-Fi 再通過高速串口把數據傳給MCU。

加速度計采集到重物在下降過程及下滑過程中的加速度變化數據，將其傳送給MCU。

存儲模塊主要用來增加下位機主控MCU 的容量，也通過高速串口方式與MCU 相通信。

時間同步模塊將記錄的起重機制動時間通過Wi-Fi 發送至與MCU 相連接的Wi-Fi 模塊，Wi-Fi 再通過高速串口把數據傳給MCU。

當下位機MCU 計算出下滑結果后，再通過高速串口傳送給Wi-Fi 模塊，再由Wi-Fi 模塊傳送至上位機，通過可視化操作在液晶屏上顯示出下滑距離。

3 測量流程

設備安裝工作步驟：將加速度傳感器及下位機安裝在被測對象起重機的吊鉤下面，通過控制臺啟動起重機將帶有重物的吊鉤升至高處。然后開始測量，流程如圖2 所示。

圖2 測量流程圖

步驟一：控制加速度傳感器開始采集起重機下降制動時的加速度數據；下位機接收上位機發出的檢測指令并控制加速度傳感器開始采集數據，在t0時刻啟動處于高處的起重機，待其穩定下降后，控制臺在t1時刻發送制動指令使起重機制動。

步驟二：時間同步模塊接收制動指令同時記錄制動初始時間t1，并將制動初始時間t1發送至下位機，待起重機完全停止再過3 秒鐘后，下位機接收上位機發出的停止檢測指令并控制加速度傳感器停止采集加速度數據，并將采集的所有加速度、角速度變化等數據發送至下位機。

步驟三：步驟二采集的所有加速度數據被下位機的MCU接收后，調用已設定好的算法程序依次進行濾波處理、消除采樣誤差處理和積分處理，如圖3 所示；數據的處理結果被送至Wi-Fi 模塊，然后通過無線傳輸協議發送至上位機；上位機接收數據并完成可視化，將測量結果（制動下滑量）直接在液晶屏上顯示出來。

圖3 測量方法框圖

4 測量裝置比較

將本文所述的制動下滑量檢測方法與目前常用方法進行比較，如表1 所示。直尺法利用目測判斷制動開始和完成的時間，可靠性較差；微動開關法安裝的時候所需工作量大，而且安裝過程也存在安全隱患，同時，檢測結果欠缺精確度；行程開關法需要測量多次求得平均值，而每次都要從重砣上量取距離并復位行程開關，對操作人員來說不僅勞動強度大，也有安全隱患；旋轉編碼器方式精度較好，但難以安裝拆卸，且測量所需條件比較多，有一定的局限性；激光測距法由于激光測量裝置在重物下方，對操作人員和設備存在安全風險；圖像捕捉方式的設備價格昂貴，且不易安裝，而測量精度并不穩定，和捕捉設備的精度相關。本文所提出的裝置結構簡單、操作方便，其測量結果在經過濾波處理、消除誤差后的數據比較精確，能夠在下滑量超出標準要求時進行檢修，及時消除潛在危險，避免安全隱患，防止損失。

表1 制動下滑量的各種測量方法比較

5 結語

本文針對現有制動下滑量測試方法的不足，提出了一種基于加速度測量方式的檢測裝置和方法。起重機生產廠家和特檢部門可以利用該方法來判定起重機的制動性能是否符合國家標準，確保安裝質量，并為起重機械的檢驗檢測提供依據；起重機用戶則可在實際生產中使用該方法進行定期生產檢測，可使起重機實際操作人員掌握起重機制動器的常態工作性能，該裝置結構簡單、操作方便，減輕了檢測和操作人員的工作強度，非常適用于現場檢驗。