基于霍爾傳感器檢測(cè)起重機(jī)制動(dòng)下滑量的技術(shù)研究

王小翼

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院張家港分院，江蘇 張家港 215600）

起重機(jī)制動(dòng)后，由于負(fù)載自身的重力會(huì)導(dǎo)致負(fù)載繼續(xù)往下滑動(dòng)一段距離，這段距離就是制動(dòng)下滑量。制動(dòng)下滑量應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。GB6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1 部分：總則》第4.2.6.3 中規(guī)定：對(duì)于吊鉤起重機(jī)，起吊物在下降制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離（控制器在下降速度最低檔穩(wěn)定運(yùn)行，拉回零位后，從制動(dòng)器斷電至物品停止時(shí)的下滑距離）不應(yīng)大于1min 內(nèi)穩(wěn)定起升距離的1/65。因?yàn)橄禄苿?dòng)量過大會(huì)對(duì)起重機(jī)、起吊載荷和現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全造成影響、一旦發(fā)生事故會(huì)產(chǎn)生很大損失。同時(shí)，下滑制動(dòng)量也是橫梁制動(dòng)系統(tǒng)性能的指標(biāo)之一。

目前測(cè)量制動(dòng)下滑量的方法多采用目測(cè)和微動(dòng)開關(guān)控制的檢測(cè)方法。這些方法都需要依靠檢驗(yàn)人員的感官來判定動(dòng)作，測(cè)量的結(jié)果往往偏差很大，效率不高且精度很低。本文設(shè)計(jì)研究了一種利用霍爾傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)門座式起重機(jī)制動(dòng)下滑量的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)反映制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作情況，還能夠?qū)⒅苿?dòng)系統(tǒng)工作時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)精確記錄下來，后期可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，精確地計(jì)算出制動(dòng)下滑量。

1 制動(dòng)下滑量檢測(cè)原理

根據(jù)原理，應(yīng)該是抱閘電機(jī)得電后，然后抱閘打開，起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)工作；制動(dòng)時(shí)，抱閘電機(jī)失電，抱閘閉合，制動(dòng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)下滑量就是在抱閘電機(jī)失電開始時(shí)，到負(fù)載完全停止運(yùn)動(dòng)這段時(shí)間內(nèi)負(fù)載下滑的距離。因此，根據(jù)這個(gè)原理，在抱閘電機(jī)的三相進(jìn)線上布置一個(gè)霍爾電流傳感器，用來檢測(cè)抱閘電機(jī)得電和失電的情況；同時(shí)，在制動(dòng)輪上布置霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、在制動(dòng)輪上貼兩個(gè)小磁鐵，這樣制動(dòng)輪轉(zhuǎn)過一圈，轉(zhuǎn)速傳感器會(huì)采集到兩個(gè)信號(hào)，在軟件中就是表現(xiàn)為兩個(gè)尖波。這樣可以通過比較在同一時(shí)間內(nèi)抱閘電機(jī)失電后制動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)情況來判斷和計(jì)算制動(dòng)下滑量。這些傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)處理模塊上，數(shù)據(jù)處理模塊再把測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，通過軟件將微動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)、抱閘線圈電流和制動(dòng)輪轉(zhuǎn)速以曲線形式實(shí)時(shí)顯示。其中數(shù)據(jù)采集模塊，一秒鐘采集500 個(gè)數(shù)據(jù)，即采樣周期為0.002s，即時(shí)間精度可以達(dá)到0.002s。電路如圖1 所示。

圖1 電路原理圖

2 檢測(cè)儀器以及檢測(cè)精度

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由霍爾電流傳感器、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、微動(dòng)開關(guān)、DeweSoft 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。主要檢測(cè)參數(shù)及級(jí)精度見表1。

表1 主要試驗(yàn)參數(shù)

3 檢驗(yàn)方案

（1）測(cè)試前準(zhǔn)備工作：①首先對(duì)起重機(jī)起升電氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢查：a、電氣設(shè)備固定是否牢固，控制功能是否有效；b、線路保護(hù)是否良好；c、斷錯(cuò)相、零位、失壓保護(hù)是否有效；d、測(cè)量接地電阻，判斷阻值是否符合標(biāo)準(zhǔn)。②準(zhǔn)備好測(cè)試儀器和測(cè)試工具，并將相應(yīng)測(cè)量?jī)x器和測(cè)試工具放置到指定地點(diǎn)。吊重運(yùn)送到指定地點(diǎn)，相關(guān)工作人員到達(dá)指定位置。③對(duì)要測(cè)量的部位，進(jìn)行除銹除塵清洗處理。④在清洗完畢后，初步觀察各個(gè)測(cè)量點(diǎn)使用情況，拍照做好記錄。

（2）傳感器調(diào)試和參數(shù)設(shè)置。在傳感器使用之前，要對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置和定標(biāo)，使傳感器可以線性輸出數(shù)據(jù)。設(shè)置完傳感器后，打開數(shù)據(jù)處理模塊和電腦，開始對(duì)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行調(diào)試。首先設(shè)置采樣頻率，通常的設(shè)置為1 秒采集500 個(gè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，將數(shù)據(jù)的顯示方式設(shè)置為曲線，以便于直觀的反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化。

（3）在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)安裝傳感器。①找到抱閘電機(jī)，確定抱閘電機(jī)的三相進(jìn)線。在電機(jī)的輸入端安裝電流傳感器，測(cè)量電機(jī)輸入端實(shí)時(shí)的電流，并通過數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)處理器上，接線圖見圖1。②在電機(jī)制動(dòng)輪上布置好霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)量電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速傳感器通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)處理器連接起來。霍爾傳感器布置見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器

（4）空載試驗(yàn)。①試驗(yàn)開始前，先確定每個(gè)傳感器，每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道都能測(cè)量和接收到數(shù)據(jù)。可以在電腦上通過觀察對(duì)應(yīng)窗口是否有數(shù)據(jù)顯示來判斷。②在吊載實(shí)驗(yàn)過程中，吊臂方向始終與大車行走方向成90°，門座起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)保持鎖死狀態(tài)。一切準(zhǔn)備完畢后，電腦前的數(shù)據(jù)記錄員通過對(duì)講機(jī)，向吊重處和司機(jī)室人員發(fā)布命令，開始空載試驗(yàn)。③吊重處人員接到開始命令，確定空載狀態(tài)后，然后向司機(jī)室發(fā)布起升命令。司機(jī)起升同時(shí)，電腦前的數(shù)據(jù)記錄員，按下“開始”命令，開始接受7 個(gè)傳感器的傳輸過來的數(shù)據(jù)。司機(jī)將吊載以最低檔位吊離地面0.3 米左右，然后保持載荷靜止1 分鐘；數(shù)據(jù)采集人員在這1 分鐘內(nèi)采集穩(wěn)定的數(shù)據(jù)值，然后向司機(jī)發(fā)布變幅命令。④司機(jī)操縱吊載向外變幅，直至幅度增至最大，然后將吊載保持靜止約3 分鐘；數(shù)據(jù)采集人員在這3 分鐘內(nèi)采集穩(wěn)定數(shù)據(jù)值，采集結(jié)束后向司機(jī)發(fā)布起升命令。⑤司機(jī)以最低檔位將吊載向上起升，吊離地面約2 米距離；數(shù)據(jù)采集人員在這段時(shí)間內(nèi)采集起升系統(tǒng)電力參數(shù)。采集完畢后，電腦前的數(shù)據(jù)采集員按下“停止”命令，同時(shí)后向司機(jī)室發(fā)布結(jié)束命令。⑥司機(jī)已最低檔位下放吊載至地面0.3 米左右，再進(jìn)行變幅，至幅度最小，將載荷放下。

（5）重載試驗(yàn)。重載試驗(yàn)起吊次數(shù)和負(fù)載率如表2 所示，重載試驗(yàn)的試驗(yàn)方法同步驟（4）。

表2 起吊重量

（6）在間隔一段時(shí)間后，繼續(xù)進(jìn)行同一試驗(yàn)，試驗(yàn)方法重復(fù)步驟（1）～（5）。

（7）數(shù)據(jù)處理與分析。①吊重試驗(yàn)結(jié)束后，將傳感器等從測(cè)量點(diǎn)拆除下來。收拾工具，打掃現(xiàn)場(chǎng)衛(wèi)生。②對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。分別計(jì)算各負(fù)載情況下制動(dòng)下滑量。

4 測(cè)試試驗(yàn)

本次試驗(yàn)是在2018 年9 月12 日在江蘇沙鋼集團(tuán)碼頭上一臺(tái)門座式起重機(jī)上進(jìn)行的。

圖3 上位圖是制動(dòng)輪轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)曲線圖，一個(gè)尖峰表明制動(dòng)輪轉(zhuǎn)過半圈。下位圖是主起升電機(jī)電流隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)曲線圖。從圖3 中可以看出，在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)先得電，然后制動(dòng)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)；制動(dòng)時(shí)，電機(jī)先失電，然后制動(dòng)輪才停止轉(zhuǎn)動(dòng)。從這幅圖中可以看出，電機(jī)啟動(dòng)和制停與抱閘之間有個(gè)延時(shí)動(dòng)作，表明抱閘的閉合與釋放都滯后于電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)失電時(shí)，抱閘還沒有閉合，制動(dòng)輪還在轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)載還會(huì)有個(gè)向下制動(dòng)距離。制動(dòng)時(shí)電流與轉(zhuǎn)速的局部放大圖見圖4。

圖3 轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流變化圖

從圖4 中可以知道，電機(jī)失電后，制動(dòng)輪至少轉(zhuǎn)了1 圈，制動(dòng)時(shí)間是0.511s。由電動(dòng)機(jī)銘牌可以知道，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為588r/min，起升速度為50m/min。即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈，起升0.086m。由此可以推出電機(jī)失電后，制動(dòng)距離至少為0.086m。

圖4 制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流變化圖

5 結(jié)語

通過實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，通過霍爾傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠精確測(cè)得門座式起重機(jī)的制動(dòng)下滑量。這種檢測(cè)方式經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用后，得到了檢測(cè)人員和用戶的一致好評(píng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以高效精確的測(cè)量出門座式起重機(jī)的制動(dòng)下滑量，而且可以將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便以后查閱與比較。同時(shí)這種檢測(cè)方式也為日后的智能化檢測(cè)提供了實(shí)踐和理論準(zhǔn)備。