蘇宇航，林曉明

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東珠海 519002）

0 引言

電梯和起重機(jī)都是常見(jiàn)的機(jī)電類特種設(shè)備，電梯是人們出行常用的交通工具，起重機(jī)則是工業(yè)廠房中常見(jiàn)的設(shè)施。其中無(wú)機(jī)房電梯是電梯的一種，由于占地小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)在寸土寸金的城市住宅樓中得到了廣泛的使用，但由于無(wú)機(jī)房電梯的運(yùn)動(dòng)部件以及運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置都裝設(shè)在電梯井道里，從外面難以通過(guò)測(cè)速表等方式測(cè)量其速度。目前業(yè)內(nèi)用于檢測(cè)無(wú)機(jī)房電梯運(yùn)行速度的工具大都是EVA-625系統(tǒng)及其振動(dòng)分析工具軟件。雖然利用EVA-625系統(tǒng)能采集電梯的三維振動(dòng)加速度，但對(duì)其數(shù)據(jù)的處理和分析都必須在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，而且需要用EVA振動(dòng)分析軟件來(lái)查看，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法直接查看檢測(cè)結(jié)果［1］；而且該儀器價(jià)格較為昂貴，阻礙了普及使用的可能性。

起重機(jī)則是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的機(jī)械，它安裝在工礦企業(yè)、大型碼頭等地方，協(xié)助生產(chǎn)人員進(jìn)行吊起重物的操作。但起重機(jī)作為大型機(jī)械，操作不注意時(shí)往往會(huì)造成人員受傷，要經(jīng)常對(duì)其各項(xiàng)安全裝置進(jìn)行檢測(cè)，以保證滿足安全要求。制動(dòng)器是起重機(jī)上的一個(gè)重要安全部件，制動(dòng)下滑量能夠?qū)χ苿?dòng)器的性能進(jìn)行評(píng)估。目前業(yè)界對(duì)制動(dòng)下滑量的檢測(cè)方法大都依賴人員感官來(lái)進(jìn)行判斷，但由于準(zhǔn)確度不一致、須改變電路、工作量較大、不安全因素較多等因素，都導(dǎo)致了這些方法存在有局限性，同時(shí)欠缺實(shí)際操作性，造成了推廣的難度較大［2］。

基于上述，本文介紹了加速度積分法的測(cè)量原理及其在測(cè)量無(wú)機(jī)房電梯速度和起重機(jī)制動(dòng)下滑量中的應(yīng)用。

1 加速度積分法測(cè)量原理

該測(cè)量裝置的原理是在物體勻速下降時(shí)，利用加速度的突然變化，捕獲速度變化的開(kāi)始瞬間t1以及結(jié)束的瞬間t2，并通過(guò)加速度a來(lái)獲知其減速開(kāi)始的速度v1：

物體停止時(shí)的速度v2＝0，由速度和距離s的關(guān)系可得：

由式（2）可得：

由式（1）和（3）可得：

因此，通過(guò)加速度傳感器對(duì)電梯、起重機(jī)制動(dòng)時(shí)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，并獲取其加速度以及時(shí)間信息，就可以測(cè)出物體的速度以及在下降時(shí)的制動(dòng)距離（制動(dòng)下滑量）［3］。

2 加速度積分法測(cè)量無(wú)機(jī)房電梯速度

2.1 檢驗(yàn)要求

電梯是城市里常見(jiàn)的垂直交通設(shè)備，隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、生活水平提高，人們對(duì)乘坐電梯的安全、穩(wěn)定提出了更高的要求。目前評(píng)價(jià)電梯承運(yùn)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10058-2009《電梯技術(shù)條件》和GB/T24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測(cè)量》，而在電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則（曳引和強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯）的第8.9 項(xiàng)規(guī)定了“當(dāng)電源為額定頻率，電動(dòng)機(jī)施以額定電壓時(shí)，轎廂承載0.5 倍額定載重量，向下運(yùn)行至行程中段（除去加速和減速段）時(shí)的速度，不得大于額定速度的105%，不宜小于額定速度的92%”［4］。同時(shí)，電梯速度的測(cè)量在電梯的檢驗(yàn)規(guī)則中也涉及到多個(gè)重要項(xiàng)目，因此電梯速度的測(cè)量在業(yè)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，其測(cè)量的準(zhǔn)確度和操作方法的簡(jiǎn)便性更是得到了持續(xù)的改良。

2.2 加速度積分法測(cè)量

本文研發(fā)了一種基于加速度積分原理的電梯速度測(cè)量系統(tǒng)，包括終端和速度檢測(cè)傳感系統(tǒng)。速度檢測(cè)傳感系統(tǒng)位于電梯轎廂內(nèi)部，由加速度計(jì)、微處理器、無(wú)線通信模塊、時(shí)鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和電源管理模塊組成，如圖1 所示。速度檢測(cè)傳感系統(tǒng)位于信號(hào)采集器中，信號(hào)采集器固定于電梯轎廂內(nèi)的底部，采集電梯的加速度信號(hào)；終端為手持安卓平板計(jì)算機(jī)，能更好地與微處理器實(shí)現(xiàn)信息之間的即時(shí)交互。

加速度計(jì)采用AKE392B-MEMS 數(shù)字型加速度計(jì)，用于測(cè)量電梯的加速度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過(guò)RS485 收發(fā)芯片送至微處理器處理分析。微處理器采用STM32 型主板，其特點(diǎn)是技術(shù)成熟、應(yīng)用較廣。無(wú)線通信模塊采用WIFI 模塊，與微處理器相連進(jìn)行終端接收和發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)與微處理器的信息交互。時(shí)鐘芯片采用ISL1208 芯片，與微處理器相連，提供微處理器運(yùn)行所需的時(shí)鐘信號(hào)以及計(jì)時(shí)功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用AT45DB321E芯片，與微處理器相連，儲(chǔ)存所采集的數(shù)據(jù)。電源管理模塊則采用LTC4064芯片。

該電梯速度測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)加速度計(jì)和微處理器對(duì)電梯的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄、處理和分析，并利用無(wú)線通信模塊傳輸?shù)绞殖纸K端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖1 檢測(cè)傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 測(cè)量過(guò)程及效果

測(cè)量時(shí)，先把速度檢測(cè)傳感系統(tǒng)放在電梯轎廂里，然后啟動(dòng)電梯。在運(yùn)行過(guò)程中，加速度計(jì)采集電梯啟動(dòng)、加速、勻速、減速、停止的時(shí)間及加速度數(shù)據(jù)，通過(guò)積分運(yùn)算，獲知電梯的速度、運(yùn)行距離。

該系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程直觀、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確精度高，操作簡(jiǎn)單，不但可以提高效率，還降低檢測(cè)成本，尤其對(duì)于無(wú)機(jī)房電梯更是提供了一種行之有效和方便快捷的測(cè)量方法。

3 加速度積分法測(cè)量起重機(jī)制動(dòng)下滑量

3.1 檢驗(yàn)要求

作為起重機(jī)的一項(xiàng)重要安全部件，制動(dòng)器能夠?qū)⒅匚锿Ｔ谏a(chǎn)作業(yè)時(shí)所需的高度，還能在提升或下降時(shí)對(duì)重物的速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制。制動(dòng)下滑量作為評(píng)價(jià)制動(dòng)器工作性能的多個(gè)指標(biāo)參數(shù)中的重要一項(xiàng)，成為了對(duì)起重機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)時(shí)必須要考量的安全指標(biāo)之一［5］。

“制動(dòng)下滑量”是指起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)在帶載下降時(shí)，由于重物本身的原因，導(dǎo)致制動(dòng)器不能立即制停，而是會(huì)向下溜車(chē)所產(chǎn)生的一小段距離。

《起重機(jī)械安全規(guī)程》 （GB6067.1-2010）4.2.6.3 里提及：“吊鉤起重機(jī)的起吊物在下降制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)距離不應(yīng)大于1 min 內(nèi)起升距離的1/65”［6］。TSG Q7016-2008 《起重機(jī)械安裝改造重大維修監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》B10.1 中也要求：如果起重機(jī)械對(duì)制動(dòng)下滑量有要求，其制動(dòng)下滑量應(yīng)處于允許范圍［7］。

這些法規(guī)詳細(xì)規(guī)定了起重機(jī)下滑量的要求，檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)遵循法規(guī)。

3.2 加速度積分法測(cè)量

作者所在單位基于加速度積分法開(kāi)發(fā)出起重機(jī)制動(dòng)下滑量檢測(cè)儀，該裝置能夠在起重機(jī)工作時(shí)測(cè)量出制動(dòng)器的下滑量。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，組成部分有MCU、上位機(jī)、加速度計(jì)、WiFi模塊、存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊、時(shí)間同步模塊等。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

MCU 主控模塊為STM32 主板，特點(diǎn)是高性能、功耗低，能夠接收加速度計(jì)信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析、計(jì)算下滑量數(shù)據(jù)，同時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通信，并能對(duì)其他傳感器的信號(hào)進(jìn)行判定。

加速度計(jì)采用電容式微機(jī)械傳感器，其中MMA8451 數(shù)字式三軸加速度計(jì)是較佳的一種，特點(diǎn)是低電壓、14 位最高精度、QFN 封裝，I2C 串行通信協(xié)議，能夠在起重機(jī)吊重工作并進(jìn)行制動(dòng)時(shí)采集加速度和角速度變化的數(shù)據(jù)。

WiFi 模塊采用ESP8266，工作溫度范圍大，且能保持穩(wěn)定的性能，適應(yīng)各種操作環(huán)境，其功能是收發(fā)MCU 的數(shù)據(jù)，接收上位機(jī)信號(hào)。

上位機(jī)由液晶屏、電池、單片機(jī)及通訊模塊組成，能夠通過(guò)WiFi 與下位機(jī)的主控MCU 進(jìn)行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，將處理后數(shù)據(jù)可視化并顯示于液晶屏上，還可以輸出簡(jiǎn)單的控制信號(hào)發(fā)送至與MCU 相連接的WiFi模塊，再通過(guò)高速串口把數(shù)據(jù)傳給MCU 以控制下位機(jī)。

存儲(chǔ)模塊可以增加下位機(jī)主控MCU 的容量，其主要功能為存儲(chǔ)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，也通過(guò)高速串口與MCU 通信，存儲(chǔ)MCU 的處理結(jié)果。

時(shí)間同步模塊由單片機(jī)電路以及WiFi 模組組成，通過(guò)有線方式與起重機(jī)的控制電路連接，記錄起重機(jī)制動(dòng)的時(shí)間并發(fā)送給MCU。

起重機(jī)在制動(dòng)的過(guò)程中，通過(guò)加速度計(jì)采集重物在下降過(guò)程及下滑過(guò)程中的加速度變化數(shù)據(jù)，將其傳送至下位機(jī)主控中心MCU，再由MCU 完成傳感器信號(hào)的判定，分析和計(jì)算加速度傳感器的數(shù)據(jù)和參數(shù)變化，完成下滑距離的轉(zhuǎn)化。當(dāng)下位機(jī)MCU 計(jì)算出下滑結(jié)果后，再通過(guò)高速串口傳送給WiFi 模塊，再由WiFi 模塊傳送至上位機(jī)，通過(guò)可視化操作在液晶屏上顯示出下滑距離［8］。

3.3 測(cè)量過(guò)程及效果

先將加速度計(jì)部件通過(guò)膠粘、磁吸等方式，安裝于起重機(jī)吊鉤下面的重物上，啟動(dòng)起重機(jī)并將重物升至高處。然后起重機(jī)司機(jī)操作起升機(jī)構(gòu)將重物緩慢下降，在穩(wěn)定下降至恰當(dāng)位置時(shí)，將手柄拉回零位或按下停止開(kāi)關(guān)，發(fā)送制動(dòng)指令使起重機(jī)制動(dòng)。此時(shí)，MCU 模塊接收到時(shí)間同步模塊的信號(hào)，并發(fā)出指令控制加速度計(jì)開(kāi)始采集下降制動(dòng)時(shí)的加速度數(shù)據(jù)；等待起重機(jī)完全停止并再過(guò)3 s 后，下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)出的停止信號(hào)并控制加速度計(jì)采集加速度數(shù)據(jù)，然后將采集到的所有加速度、角速度變化等數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)。

將采集的數(shù)據(jù)送至MCU，然后利用設(shè)計(jì)好的算法程序進(jìn)行濾波、消除采樣誤差和積分處理；處理完畢后，利用WiFi模塊通過(guò)無(wú)線協(xié)議將結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并將測(cè)量結(jié)果（制動(dòng)下滑量）顯示于在液晶屏上。

該制動(dòng)下滑量檢測(cè)儀能夠提高起重機(jī)制動(dòng)下滑量精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、測(cè)量結(jié)果在濾波處理、消除誤差后較為精確。在下滑量超出標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，要求起重機(jī)使用單位及時(shí)檢修，消除隱患，確保使用安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了加速度積分法的測(cè)量原理以及該方法在測(cè)量無(wú)機(jī)房電梯速度和起重機(jī)制動(dòng)下滑量中的應(yīng)用，根據(jù)該原理研發(fā)出的電梯速度測(cè)量系統(tǒng)和起重機(jī)制動(dòng)下滑量檢測(cè)儀，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，能夠提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。