許志立，盧立東

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510000）

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34025-2017《施工升降機(jī)用齒輪漸進(jìn)式防墜安全器》規(guī)定，防墜安全器必須在定期檢驗(yàn)的有效期內(nèi)使用，其定期檢驗(yàn)周期為1 年。防墜安全器無論使用與否，在定期檢驗(yàn)有效期屆滿時(shí)都應(yīng)重新進(jìn)行檢驗(yàn)與標(biāo)定[1]。

動(dòng)作速度、制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度是防墜安全器的重要性能參數(shù)，是檢驗(yàn)時(shí)判斷其是否合格的重要指標(biāo)。根據(jù)GB/T 34025-2017《施工升降機(jī)用齒輪漸進(jìn)式防墜安全器》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)防墜安全器動(dòng)作速度、制動(dòng)距離和減速度參數(shù)測(cè)量方法包括試驗(yàn)架法和試驗(yàn)臺(tái)法。

試驗(yàn)架法由裝有齒條的導(dǎo)軌架、吊籠、吊籠提升裝置和測(cè)量傳感器等組成，吊籠在導(dǎo)軌架上自由下落，并被安全器制停，期間測(cè)量出所需要的動(dòng)作速度、制動(dòng)距離和減速度等參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)法由無級(jí)調(diào)速裝置、飛輪、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器或其他等效測(cè)量?jī)x器組成，又稱臥式試驗(yàn)法，安全器整體安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，利用無級(jí)調(diào)速裝置觸發(fā)安全器動(dòng)作，在動(dòng)作過程測(cè)得安全器動(dòng)作速度、制動(dòng)加力彈簧的壓縮量等參數(shù)。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：試驗(yàn)架法能夠模擬安全器的實(shí)際工況，可以測(cè)量所有的參數(shù)，但該方法安裝測(cè)試不便，效率比較低；試驗(yàn)臺(tái)法適合在實(shí)驗(yàn)室對(duì)安全器進(jìn)行標(biāo)定檢驗(yàn)，效率高，適用于批量檢驗(yàn)，但該方法不能模擬安全器的實(shí)際工況，不能測(cè)量安全器的制動(dòng)減速度，且測(cè)量制動(dòng)距離誤差較大[2～3]。

本文提出的便攜式施工升降機(jī)防墜安全器檢測(cè)裝置屬于試驗(yàn)架法測(cè)量方式，可測(cè)量GB/T 34025-2017《施工升降機(jī)用齒輪漸進(jìn)式防墜安全器》中要求的所有參數(shù)，且由于其便攜性，可直接對(duì)工地在用施工升降機(jī)防墜安全器進(jìn)行檢驗(yàn)標(biāo)定工作，出具標(biāo)定檢測(cè)報(bào)告，省去防墜安全器拆卸工作，提高效率。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)施工升降機(jī)定期檢驗(yàn)時(shí)的墜落試驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)測(cè)量。

1 便攜式檢測(cè)裝置系統(tǒng)介紹

我院開發(fā)的施工升降機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以進(jìn)行施工升降機(jī)整機(jī)性能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)及防墜安全器試驗(yàn)（圖1）。本文所介紹便攜式檢測(cè)裝置是該實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成防墜安全器試驗(yàn)的主要組成部分。

圖1 施工升降機(jī)綜合檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

便攜式檢測(cè)裝置由位移傳感器、數(shù)據(jù)采集處理器、通訊處理器、數(shù)據(jù)計(jì)算分析及顯示等部分組成，各部分均輕巧便捷，方便攜帶（臺(tái)式電腦可由筆記本電腦代替）。便攜式檢測(cè)裝置既可以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成試驗(yàn)，也可以獨(dú)立運(yùn)用在工地現(xiàn)場(chǎng)完成試驗(yàn)；其試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒譃樽詣?dòng)模式和人機(jī)交互模式：①自動(dòng)模式中需把墜落試驗(yàn)線引入系統(tǒng)接口，通過墜落試驗(yàn)的操作控制界面控制吊籠的運(yùn)行，并通過控制記錄開始及結(jié)束的操作按鈕界面實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動(dòng)化；②人機(jī)交互模式試驗(yàn)方法，即由操作人員運(yùn)行吊籠到一定的位置，進(jìn)行墜落試驗(yàn)，同時(shí)試驗(yàn)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，兩者分別獨(dú)立完成。墜落試驗(yàn)結(jié)束，整個(gè)試驗(yàn)過程中的位移、速度、加速度和時(shí)間的曲線關(guān)系即可獲得，進(jìn)而找出防墜安全器制動(dòng)速度，計(jì)算制動(dòng)距離與制動(dòng)加速度，得出試驗(yàn)結(jié)論。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 防墜安全器結(jié)構(gòu)及動(dòng)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(dòng)裝置等組成（圖2）。正常工作狀態(tài)時(shí)，防墜安全器上的齒輪與導(dǎo)軌架上齒條嚙合運(yùn)動(dòng)，齒輪軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，離心塊在彈簧力的拉緊作用下與離心塊座緊貼在一起。當(dāng)?shù)趸\下行運(yùn)行速度超過安全器標(biāo)定的動(dòng)作速度時(shí)，離心塊克服彈簧的作用力向外甩出，使其與錐形鐵芯內(nèi)壁的凸緣接觸，進(jìn)而帶動(dòng)錐形鐵芯旋轉(zhuǎn)，使裝在外錐體軸端的銅螺母做軸向移動(dòng)，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(dòng)力矩增大，阻止吊籠向下運(yùn)行，同時(shí)安全開關(guān)動(dòng)作，切斷電源，至吊籠停止[4]。

圖2 防墜安全器結(jié)構(gòu)圖

防墜安全器墜落試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)過程為：操作吊籠上行至墜落試驗(yàn)高度后停止，吊籠速度為零，開始?jí)嬄湓囼?yàn)，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(yīng)該小于重力加速度g（9.8m/s2），當(dāng)速度增大到觸發(fā)防墜器動(dòng)作時(shí)（tc時(shí)刻），防墜器動(dòng)作，該速度即是防墜器動(dòng)作速度。由于漸進(jìn)式防墜器制動(dòng)力是逐漸增大的，所以吊籠下降速度在防墜器動(dòng)作后，仍然有一小段時(shí)間是增速下降的(現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該時(shí)間段非常短暫，采集過程中可以忽略)，直到向下運(yùn)動(dòng)加速度的減小到零，速度不再增加，達(dá)到速度極值，然后向下減速運(yùn)動(dòng)，加速度（即制動(dòng)減速度）由零變負(fù)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(shí)刻），減速度亦有極值迅速變化為零。則tc與ts兩個(gè)時(shí)刻的吊籠的位移之差即為制動(dòng)距離[5]。該過程在加速度曲線上的反應(yīng)即為加速度發(fā)生變化，斜率突然變?yōu)樨?fù)值時(shí)，該拐點(diǎn)就是動(dòng)作時(shí)間，即為tc時(shí)刻，是系統(tǒng)獲取的關(guān)鍵。速度－時(shí)間曲線如圖3 所示。

圖3 速度時(shí)間曲線

如果獲取了該墜落試驗(yàn)過程中任一時(shí)刻的位移值，即時(shí)間-位移（s，t）坐標(biāo)，再通過速度、加速度和位移三者之間的計(jì)算關(guān)系，即可獲取（v，t）、（a，t）坐標(biāo)曲線，判斷動(dòng)作時(shí)刻tc和ts，計(jì)算得到墜落試驗(yàn)所需參數(shù)。所以如何獲取準(zhǔn)確可靠的時(shí)間-位移（s，t）曲線是關(guān)鍵。

2.2 位移傳感器的選擇

安全器試驗(yàn)時(shí)主要的測(cè)量參數(shù)包括動(dòng)作速度、制動(dòng)距離和減速度。速度、加速度和位移三者之間的關(guān)系：通過位移時(shí)間函數(shù)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得到速度時(shí)間函數(shù)，所得速度時(shí)間函數(shù)再次對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，即可得加速度時(shí)間函數(shù)。

當(dāng)前市場(chǎng)上常見的防墜安全器檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)主要有3 種：①分別測(cè)量不同的信號(hào)作為初始信號(hào)；②選擇加速度信號(hào)；③選擇速度信號(hào)。基于位移、速度和加速度的計(jì)算關(guān)系，考慮到施工升降機(jī)齒輪齒條的傳動(dòng)形式，其運(yùn)行過程中振動(dòng)較大，速度、加速度信號(hào)測(cè)量噪聲大，不易測(cè)量，且制動(dòng)距離是安全器各試驗(yàn)的重要指標(biāo)參數(shù)，位移值的測(cè)量是更為直接、準(zhǔn)確的一種測(cè)量方式。故本系統(tǒng)選擇位移信號(hào)作為初始測(cè)量參數(shù)，選擇位移傳感器作為系統(tǒng)信號(hào)采集裝置。

防墜安全器墜落試驗(yàn)所用位移傳感器的最大行程為15m，屬于大量程的位移測(cè)量，常見的測(cè)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(chǎn)生激光的裝置相對(duì)復(fù)雜，且激光位移傳感器的體積較龐大，因此其應(yīng)用的范圍和一些應(yīng)用的條件是非?？量痰模移洳蓸宇l率低，不能滿足本系統(tǒng)的要求。

2）拉繩式位移傳感器 特別適合直線導(dǎo)軌系統(tǒng)，具有輸出方式多樣、量程大、響應(yīng)速度快、精度高、安裝方便、使用可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，且工地在用施工升降機(jī)在運(yùn)行過程中自身振動(dòng)大、噪聲多，拉繩式位移傳感器的抗干擾能力更強(qiáng)，非常適合應(yīng)用到該系統(tǒng)中。

本系統(tǒng)選擇拉繩式位移傳感器（圖4）作為系統(tǒng)的信號(hào)采集元件。

圖4 拉繩式位移傳感器

2.3 卡爾曼濾波信號(hào)處理方法

對(duì)于采集到的位移信號(hào)，選擇合適的信號(hào)處理方法，去除噪音及畸變信號(hào)，是系統(tǒng)的關(guān)鍵。

防墜安全器的動(dòng)作過程是一個(gè)變加速度值的加減速運(yùn)動(dòng)。具體到位移信號(hào)s是一個(gè)恒增過程，即后一時(shí)刻的位移值總大于前一時(shí)刻的位移值。

卡爾曼濾波是通過系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。鑒于防墜器的動(dòng)作過程和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，及測(cè)量原理，本系統(tǒng)中采用了卡爾曼濾波的信號(hào)處理方法。

卡爾曼濾波是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，其以前一時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)為準(zhǔn)，預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的狀態(tài)變量，在預(yù)測(cè)值與此時(shí)刻的觀測(cè)值之間進(jìn)行分析（或者說是后者對(duì)前者進(jìn)行修正），從而得到該時(shí)刻的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)值。運(yùn)用該算法可以合理地去除一些畸變信號(hào)，減少系統(tǒng)測(cè)量誤差。

3 結(jié)語

作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)量工具，本套裝置經(jīng)過專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，各測(cè)量參數(shù)均在誤差范圍內(nèi)，滿足要求。2 年多來，已累計(jì)檢測(cè)設(shè)備80 多臺(tái)，出具安全防墜器標(biāo)定檢測(cè)報(bào)告20 多份，且已經(jīng)較多地應(yīng)用于施工升降機(jī)定期檢驗(yàn)時(shí)的墜落試驗(yàn)項(xiàng)目中，取得了不錯(cuò)的效果。