基于動態位移檢測的起重機制動下滑量檢測儀研制*

祝鳳金 呂桂志

菏澤學院機電工程學院 菏澤 274000

0 引言

起重機制動后，由于慣性作用，負載會繼續沿運動方向滑移一段距離，該距離為起重機制動距離。起重機制動分為起升制動和下降制動[1]，由于起升制動和下降制動時受負載自重影響不同，下降制動距離遠大于起升制動距離，起重機制動下滑量即額定載荷在勻速下降過程中的制動距離。制動下滑量是評價起重機安全性能的重要指標，TSGQ7016—2016《起重機械安裝改造重大修理監督檢驗規則》、GB/T3811—2008《起重機設計規范》、GB6067.1—2010《起重機械安全規程 第1 部分》以及JB/T1306—2008《電動單梁起重機》中對起重機制動下滑量進行了技術規范。實際檢測中所執行的技術規范并沒有對制動下滑量具體數據做出要求，但要求制動下滑量必須在標注允許范圍內。制動下滑量過大會影響起重機定位精度，并對周圍人員或物體安全造成影響；制動下滑量過小，在制動過程中需施加較大制動力，從而可能產生較大的瞬時沖擊，影響整機安全[2]。

為實現制動下滑量的精確檢測，國內外學者進行了許多研究。目前，實現制動下滑量檢測的行程開關法[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制動開始時刻，并從刻度尺上讀取載荷制動開始時刻高度H1，待起重機制動停止后讀取載荷高度H2，最后通過H1-H2獲得制動下滑量。此類方法在實施時需要將測量儀與起重機控制電路相串聯，以獲得起重機制動開始時刻，現場布置效率低、無法實現制動過程數字化描述及信息存儲。采用加速度傳感器實時測量載荷加速度并最終利用最小二乘法計算制動下滑量[8-10]的方法，在計算時未考慮不同制動方式對起重機實際運行速度曲線的影響。當起重機采用制動器制動時，采用最小二乘法計算制動下滑量,其測量結果的誤差較大。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獲得制動下滑量[11]的方法，在現場測量中難以保證拉線處于垂直位置，且受制動沖擊及振動影響該方法難以準確判斷制動開始時刻位置，測量結果不準確。

本研究采用激光測距儀實時測量額定載荷高度，獲得載荷位移及速度曲線，并針對制動器制動與變頻器制動方式采用不同計算方法實現制動下滑量的精準測量。同時，設計激光測距儀位置自動調整結構，保證了測量精度及提高現場布置及測量效率，并最大限度地保障了測量人員及設備安全。

1 測量方案設計

本研究通過放置在額定載荷下方的激光測距儀實時采集額定載荷下行過程中高度變化。利用標準通訊接口將所采集高度信息傳送至上位機進行算法處理，獲得額定載荷運動位移曲線和速度曲線，最終通過上位機對速度曲線分析，計算出起重機制動下滑量。為保證測量時激光測距儀測量精度與測量人員安全，在額定載荷側面利用磁力座安裝測量擋板，使激光測距儀垂直位于測量擋板正下方，其測量方案如圖1 所示。

圖1 測量方案

2 制動下滑量測量

2.1 起重機制動過程分析

傳統起重機制動采用接觸器加繼電器的硬件控制系統，制動完全由制動器實現。該制動過程可描述為額定載荷勻速下降，當產生制動信號時，從制動器開始斷電到制動器摩擦副開始接觸這段時間內，由于載荷自重作用，載荷繼續做勻加速運動；從摩擦副開始工作到載荷制動停止，載荷做勻減速運動。隨著技術的發展，采用變頻控制系統已能實現零速抱閘[2]，在整個檢測過程中，載荷運動可描述為載荷從靜止開始勻加速下降直至勻速下降，制動后載荷勻減速制動直至停止。制動器制動與變頻器制動載荷理想運動速度曲線如圖2 所示。其中AB、BC1、C1D1、D1D2、D2E1、E1F分 別 為 制 動 器 制 動中運動前靜止、勻加速下降、勻速下降、制動后勻加速下降、勻減速制動、制動后停止階段。AB、BC、CD、DE和EF分別為變頻器制動中運動前靜止、勻加速下降、勻速下降、勻減速制動、制動后停止階段。

圖2 起重機制動理想速度曲線圖

2.2 制動下滑量算法

上位機通過實時采集激光測距儀數據獲得額定載荷位移曲線H(t)，然后通過對位移曲線求導獲得額定載荷速度曲線，即

最后根據起重機不同制動方式，針對速度曲線分別采用積分法和最小二乘法擬合獲得起重機制動下滑量。

2.2.1 積分求解

積分求解是從起重機制動開始時刻到制動停止時刻，對速度曲線進行積分獲得起重機制動下滑量。該方法適用于制動器制動和變頻器制動方式，可消除機械振動對測量結果的影響。圖2 中，D1和D分別為制動器和變頻器制動開始時刻，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方式的制動下滑量計算。制動過程中各階段最小二乘法擬合方程依次為

式中：V0、V4為運動前靜止狀態載荷速度和制動停止后額定載荷速度，其擬合結果為0；a1、a2為勻加速加速度和勻減速加速度；V1、V3為擬合參數；V2為勻速下降速度。

通過擬合處理制動下滑量表達為

采用變頻器制動方式的起重機制動下滑量用積分法和最小二乘法擬合計算結果基本一致。而對于制動器制動方式2 種計算結果相差較大，其原因在于制動器制動方式存在斷電后勻加速下降階段，在采用擬合處理時該階段被作為測量誤差進行擬合處理，導致擬合處理后制動下滑量小于積分求解結果。

3 系統設計

3.1 激光測距儀選擇

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

3.2 測量方向調整

激光測距儀測量方向垂直于測量擋板是準確測量載荷高度的前提條件。現場測量時，先通過水準泡調整測量擋板為水平位置，然后調整激光測距儀測量方向垂直于測量擋板。

3.2.1 測量擋板調整

測量擋板通過2 自由度連桿結構調整，并通過水準泡檢驗其是否水平，如圖3 所示。首先將磁力座吸附在額定載荷側面上，再松開鎖緊螺母，沿ω1和ω2方向旋轉調整測量擋板為水平后，鎖緊螺母。

圖3 測量擋板調整結構

3.2.2 激光測距儀位置調整

激光測距儀位置自動調整結構如圖4 所示，該結構能實現激光測距儀豎直位置自動調節和手動調節。安裝在激光測距儀固定板上的傾角傳感器實時檢測激光測距儀位置信息，X、Y軸調整電機選擇減速步進電機，X、Y方向手動按鍵驅動X、Y軸調整電機轉動。通過水準儀標定激光測距儀處于豎直位置，記錄下此位置傾角傳感器數值并保存至存儲器。按下自動調整按鍵，單片機驅動X、Y調整電機轉動，直至傾角傳感器數據與所保存豎直位置數據處于允許誤差范圍內，即可實現自動豎直位置調整，此時激光測距儀測量方向垂直于測量擋板。當自動位置調整功能故障時，可通過手動按鍵和水準泡進行人工調整激光測距儀處于豎直位置。

圖4 激光測距儀位置自動調整結構設計

選擇傾角傳感器MPU6050 并以STC12C2052AD 為控制芯片，通過I2C 總線讀取MPU6050 數據，根據檢測傾角位置控制減速步進電機調整激光測距儀至指定位置。電路板內置在調整結構底座內以提高設備集成度，其控制流程如圖5 所示。

圖5 激光測距儀位置調整控制流程圖

3.3 上位機設計

上位機采用LabVIEW 為開發工具，實現相關功能開發。上位機通過串口實時采集激光測距儀數據，并以位移曲線形式顯示，然后通過求導獲得速度曲線。最后根據利用速度曲線進行積分或擬合分析獲得制動下滑量。LabVIEW 提供4 種求導算法和4 種積分算法，不同的求導及積分算法對測量結果影響較小，本設計選擇Backward 求導和Bode 積分算法。上位機軟件同時可實現采集數據存儲、圖像存儲、采集周期調整、歷史數據查詢等功能。

4 實驗測量及分析

4.1 實驗測量

以某企業雙梁額定載荷10 t、額定速度2 m/min，制動方式為錐形制動器制動的起重機檢測為例，測量現場如圖6 所示。根據現場實際條件，起吊負載為9.3 t。選擇激光測距儀測量周期為30 ms，測量位移曲線如圖7 所示，速度曲線如圖8 所示。從速度曲線中可以看出，受起重機運行速度及激光測距儀測量精度影響，在該速度曲線中難以準確找到B、C1、D1、D2、E1點，進而影響制動下滑量計算。調整采激光測距儀采集周期為60 ms、90 ms、120 ms 其速度曲線有明顯改善，測量周期為120 ms 速度曲線如圖9 所示。根據速度曲線，依次找到B、C1、D1、D2、E1、F 點位置，采用積分法求解制動下滑量為39 mm，如圖10 所示。

圖6 測量現場

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 制動下滑量積分求解

如果將該測量過程直接用最小二乘法擬合處理，制動下滑量為19 mm，擬合處理曲線如圖11 所示。重復測量五次，其結果如表1 所示。數據表明，起重機采用制動器制動時擬合計算結果小于積分計算結果。多次測量，2 種計算方法分別測得的結果基本一致。

圖11 120 ms 制動下滑量擬合求解

表1 制動下滑量測量比較

通過計算及大量檢測實驗表明，當額定速度大于4 m/min 時，采用30 ms 測量周期速度曲線各運動階段區分較為明顯，速度小于4 m/min 時，根據各起重機實際運行情況，在保證各運動階段有明顯區分的情況下，盡可能選擇較小測量周期。

4.2 影響制動下滑量因素分析

4.2.1 激光測距儀精度及測量周期

從理論分析，激光測距儀精度越高、測量周期越小對位移信息的采集越準確，但激光測距儀的價格也越高。同時當測量頻率較高時，對上位機的硬件要求也越高。當起重機額定速度較低時，采用較小測量周期采集得到的速度曲線中各運動階段特征不易于識別，影響制動下滑量的測量。

4.2.2 激光測距儀與測量擋板位置精度

在現場測量中，為了最大限度地保障測量人員及測量設備的安全，同時考慮到測量過程中可能出現的負載脫落現象，一般使負載處于較低位置進行測量。即使激光測距儀和測量擋板垂直精度有一定誤差，對實際測量結果影響較小。本設計中提供的位置調整方法及位置精度能滿足現場測量要求。

4.2.3 振動

在實際測量中，載荷質量一般接近額定載荷，載荷運動對起重機沖擊會引起桁架、鋼絲繩及索具振動。其振動是圍繞平衡位置做衰減振動，由于其衰減較小[9]，在使用積分法和最小二乘法擬合時，振動對測量結果影響較小。

5 結語

采用激光測距儀實現額定載荷制動過程中位移動態檢測，并獲得載荷位移曲線和速度曲線。針對起重機不同制動方式分別利用積分法和最小二乘法實現制動下滑量的準確測量，同時可檢測起重機實際運行速度。通過激光測距儀位置自動調整，保證了測量精度以及現場布置效率，并保障了檢測人員人身安全。該自動調整機構整體質量1.5 kg，易于攜帶?，F場檢測表明，該測量方法受檢測人員經驗影響較小，可消除機械振動對檢測結果的影響，多次測量結果一致度高。