施工升降機防墜安全器便攜式檢測裝置研究

許志立，盧立東

（廣州特種機電設備檢測研究院，廣東 廣州 510000）

根據國家標準GB/T 34025-2017《施工升降機用齒輪漸進式防墜安全器》規定，防墜安全器必須在定期檢驗的有效期內使用，其定期檢驗周期為1 年。防墜安全器無論使用與否，在定期檢驗有效期屆滿時都應重新進行檢驗與標定[1]。

動作速度、制動距離和制動減速度是防墜安全器的重要性能參數，是檢驗時判斷其是否合格的重要指標。根據GB/T 34025-2017《施工升降機用齒輪漸進式防墜安全器》標準要求，對防墜安全器動作速度、制動距離和減速度參數測量方法包括試驗架法和試驗臺法。

試驗架法由裝有齒條的導軌架、吊籠、吊籠提升裝置和測量傳感器等組成，吊籠在導軌架上自由下落，并被安全器制停，期間測量出所需要的動作速度、制動距離和減速度等參數。試驗臺法由無級調速裝置、飛輪、轉矩轉速傳感器或其他等效測量儀器組成，又稱臥式試驗法，安全器整體安裝在試驗臺上，利用無級調速裝置觸發安全器動作，在動作過程測得安全器動作速度、制動加力彈簧的壓縮量等參數。兩種方法各有優缺點：試驗架法能夠模擬安全器的實際工況，可以測量所有的參數，但該方法安裝測試不便，效率比較低；試驗臺法適合在實驗室對安全器進行標定檢驗，效率高，適用于批量檢驗，但該方法不能模擬安全器的實際工況，不能測量安全器的制動減速度，且測量制動距離誤差較大[2～3]。

本文提出的便攜式施工升降機防墜安全器檢測裝置屬于試驗架法測量方式，可測量GB/T 34025-2017《施工升降機用齒輪漸進式防墜安全器》中要求的所有參數，且由于其便攜性，可直接對工地在用施工升降機防墜安全器進行檢驗標定工作，出具標定檢測報告，省去防墜安全器拆卸工作，提高效率。同時也可以實現施工升降機定期檢驗時的墜落試驗項目的檢驗測量。

1 便攜式檢測裝置系統介紹

我院開發的施工升降機綜合實驗臺，可以進行施工升降機整機性能試驗、可靠性試驗及防墜安全器試驗（圖1）。本文所介紹便攜式檢測裝置是該實驗臺完成防墜安全器試驗的主要組成部分。

圖1 施工升降機綜合檢驗實驗臺

便攜式檢測裝置由位移傳感器、數據采集處理器、通訊處理器、數據計算分析及顯示等部分組成，各部分均輕巧便捷，方便攜帶（臺式電腦可由筆記本電腦代替）。便攜式檢測裝置既可以在實驗臺完成試驗，也可以獨立運用在工地現場完成試驗；其試驗模式分為自動模式和人機交互模式：①自動模式中需把墜落試驗線引入系統接口，通過墜落試驗的操作控制界面控制吊籠的運行，并通過控制記錄開始及結束的操作按鈕界面實現試驗的自動化；②人機交互模式試驗方法，即由操作人員運行吊籠到一定的位置，進行墜落試驗，同時試驗人員進行數據采集，兩者分別獨立完成。墜落試驗結束，整個試驗過程中的位移、速度、加速度和時間的曲線關系即可獲得，進而找出防墜安全器制動速度，計算制動距離與制動加速度，得出試驗結論。

2 關鍵技術研究

2.1 防墜安全器結構及動作過程

防墜安全器主要由齒輪、離心式限速裝置、錐鼓形制動裝置等組成（圖2）。正常工作狀態時，防墜安全器上的齒輪與導軌架上齒條嚙合運動，齒輪軸隨之轉動，離心塊在彈簧力的拉緊作用下與離心塊座緊貼在一起。當吊籠下行運行速度超過安全器標定的動作速度時，離心塊克服彈簧的作用力向外甩出，使其與錐形鐵芯內壁的凸緣接觸，進而帶動錐形鐵芯旋轉，使裝在外錐體軸端的銅螺母做軸向移動，壓緊碟形彈簧；在碟形彈簧的反作用力下，錐形殼體與錐形鐵芯之間壓緊力增大，制動力矩增大，阻止吊籠向下運行，同時安全開關動作，切斷電源，至吊籠停止[4]。

圖2 防墜安全器結構圖

防墜安全器墜落試驗的運動過程為：操作吊籠上行至墜落試驗高度后停止，吊籠速度為零，開始墜落試驗，吊籠下落速度逐漸增大，其下降的加速度（考慮摩擦力的作用）應該小于重力加速度g（9.8m/s2），當速度增大到觸發防墜器動作時（tc時刻），防墜器動作，該速度即是防墜器動作速度。由于漸進式防墜器制動力是逐漸增大的，所以吊籠下降速度在防墜器動作后，仍然有一小段時間是增速下降的(現場試驗證明該時間段非常短暫，采集過程中可以忽略)，直到向下運動加速度的減小到零，速度不再增加，達到速度極值，然后向下減速運動，加速度（即制動減速度）由零變負并反向增大到極值，使速度迅速變小，直至停止，速度為零（ts時刻），減速度亦有極值迅速變化為零。則tc與ts兩個時刻的吊籠的位移之差即為制動距離[5]。該過程在加速度曲線上的反應即為加速度發生變化，斜率突然變為負值時，該拐點就是動作時間，即為tc時刻，是系統獲取的關鍵。速度－時間曲線如圖3 所示。

圖3 速度時間曲線

如果獲取了該墜落試驗過程中任一時刻的位移值，即時間-位移（s，t）坐標，再通過速度、加速度和位移三者之間的計算關系，即可獲取（v，t）、（a，t）坐標曲線，判斷動作時刻tc和ts，計算得到墜落試驗所需參數。所以如何獲取準確可靠的時間-位移（s，t）曲線是關鍵。

2.2 位移傳感器的選擇

安全器試驗時主要的測量參數包括動作速度、制動距離和減速度。速度、加速度和位移三者之間的關系：通過位移時間函數對時間求導，可得到速度時間函數，所得速度時間函數再次對時間求導，即可得加速度時間函數。

當前市場上常見的防墜安全器檢測測試系統主要有3 種：①分別測量不同的信號作為初始信號；②選擇加速度信號；③選擇速度信號。基于位移、速度和加速度的計算關系，考慮到施工升降機齒輪齒條的傳動形式，其運行過程中振動較大，速度、加速度信號測量噪聲大，不易測量，且制動距離是安全器各試驗的重要指標參數，位移值的測量是更為直接、準確的一種測量方式。故本系統選擇位移信號作為初始測量參數，選擇位移傳感器作為系統信號采集裝置。

防墜安全器墜落試驗所用位移傳感器的最大行程為15m，屬于大量程的位移測量，常見的測量傳感器有繞線位移傳感器、激光位移傳感器等。

1）激光位移傳感器 由于產生激光的裝置相對復雜，且激光位移傳感器的體積較龐大，因此其應用的范圍和一些應用的條件是非常苛刻的，且其采樣頻率低，不能滿足本系統的要求。

2）拉繩式位移傳感器 特別適合直線導軌系統，具有輸出方式多樣、量程大、響應速度快、精度高、安裝方便、使用可靠、價格低廉等優點，且工地在用施工升降機在運行過程中自身振動大、噪聲多，拉繩式位移傳感器的抗干擾能力更強，非常適合應用到該系統中。

本系統選擇拉繩式位移傳感器（圖4）作為系統的信號采集元件。

圖4 拉繩式位移傳感器

2.3 卡爾曼濾波信號處理方法

對于采集到的位移信號，選擇合適的信號處理方法，去除噪音及畸變信號，是系統的關鍵。

防墜安全器的動作過程是一個變加速度值的加減速運動。具體到位移信號s是一個恒增過程，即后一時刻的位移值總大于前一時刻的位移值。

卡爾曼濾波是通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。鑒于防墜器的動作過程和運動趨勢，及測量原理，本系統中采用了卡爾曼濾波的信號處理方法。

卡爾曼濾波是一個最優化自回歸數據處理算法，其以前一時刻的最優估計為準，預測下一時刻的狀態變量，在預測值與此時刻的觀測值之間進行分析（或者說是后者對前者進行修正），從而得到該時刻的最優狀態估計值。運用該算法可以合理地去除一些畸變信號，減少系統測量誤差。

3 結語

作為檢測機構的測量工具，本套裝置經過專業計量機構校準，各測量參數均在誤差范圍內，滿足要求。2 年多來，已累計檢測設備80 多臺，出具安全防墜器標定檢測報告20 多份，且已經較多地應用于施工升降機定期檢驗時的墜落試驗項目中，取得了不錯的效果。