金郁沁，劉 藝

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

起升高度限制器試驗臺的研制

金郁沁，劉 藝

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

本實驗臺根據(jù)起升高度限制器的工作原理，模擬在起重機(jī)實際工況下，對起升高度限制器的性能進(jìn)行了測試。試驗臺可對起升高度限制器的運(yùn)轉(zhuǎn)限位功能和重復(fù)定位精度進(jìn)行測試，可用于各類型起重機(jī)起升高度限制器的運(yùn)轉(zhuǎn)限位功能試驗和重復(fù)定位精度試驗。

起升高度限制器；轉(zhuǎn)角精度；試驗臺

0 引言

起升高度限制器是用于限制起重機(jī)吊起升高度的重要安全保護(hù)裝置，其作用是當(dāng)?shù)蹙呱仙蛳陆抵翗O限位置時，自動切斷起升的動力源，卷筒停止轉(zhuǎn)動，使吊具不再繼續(xù)升高，避免吊具與橫梁(臂架)相撞，保證鋼絲繩在卷筒上的纏繞圈數(shù)不少于設(shè)計規(guī)定的周數(shù)。近幾年來，隨著起重機(jī)向著大型化，高效化，成套化的方向發(fā)展，對起重機(jī)安全保護(hù)裝置的安全要求越來越高，尤其應(yīng)特別關(guān)注起升高度限制器的動作可靠性。為了保證起升高度限制器的性能，國家制定了《GB 12602起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》、《TSG Q7014-2008起重機(jī)械安全保護(hù)裝置型式試驗細(xì)則》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了起升高度限制器動作性能的試驗方法。研制的起升高度限制試驗臺就是基于這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，本試驗臺模擬起重機(jī)運(yùn)行時卷筒的實際工況，可對重錘式、螺桿式以及蝸輪蝸桿式起升高度限制器進(jìn)行運(yùn)動限位功能和凸輪轉(zhuǎn)角重復(fù)定位精度的實驗。

1 起升高度限制器試驗臺的結(jié)構(gòu)

1.1 組成

本起重機(jī)起升高度限位器試驗臺主要由機(jī)架、伺服電機(jī)、編碼器、行星式減速器、十字滑塊聯(lián)軸器、卷筒、計算機(jī)測試及控制系統(tǒng)等組成。本試驗臺的電機(jī)選用伺服電機(jī),以滿足不同轉(zhuǎn)速情況下的測量，且比直流電機(jī)速度響應(yīng)頻率高，具有高速定位和閉環(huán)控制功能，大大提高了測試系統(tǒng)的精度。為了減少制動時整機(jī)產(chǎn)生的振動，采用了十字滑塊聯(lián)軸器，在支架底座與地基接觸處墊有橡膠隔振板。卷筒上繞出的繩索通過滑輪組來升降重物，其工況與起重機(jī)的實際工況相符。因伺服電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速高，慣性力矩比較小，需選用質(zhì)量在15kg內(nèi)的重物模擬實際工況。卷筒與減速器之間采用十字滑塊聯(lián)軸器聯(lián)接，使卷筒軸的受力情況得到了改善，并保證了測量精度。

圖1 起升高度限制器實驗臺

1.2 試驗臺的性能參數(shù)和精度

1）伺服電機(jī)：功率P=0.2kW，轉(zhuǎn)速S=3000r/min，最大轉(zhuǎn)矩Mmax=1.91N.m；2）行星減速器：連續(xù)出力轉(zhuǎn)矩M=19.6N·m，減速比i=70；3）起升高度限制器：傳動比i=80，動作組數(shù)n=4，工作電壓：U=AC220/380V；4）凸輪轉(zhuǎn)角測量精度：±0.1%FS，顯示精度：2位小數(shù)。

2 起升高度限位器測試原理及實驗方法

2.1 起升高度限位器測試原理

系統(tǒng)的主要測試原理是根據(jù)起升高度限位器的傳動比，動作組數(shù)，調(diào)整試驗臺與之相匹配，然后模擬起升高度限位器的運(yùn)行狀況。當(dāng)起升高度限位器在工作循環(huán)中反復(fù)動作時， 對反映起升高度限位器性能的主要參數(shù)進(jìn)行測量，采集到一段時間內(nèi)的脈沖信號，再通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，從而完成對起升高度限位器的質(zhì)量檢測。

2.2 實驗內(nèi)容

伺服電機(jī)帶動卷筒轉(zhuǎn)動并傳遞轉(zhuǎn)矩，編碼器自動記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并把轉(zhuǎn)矩傳遞給起升高度限位器。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)時，起升高度限位器的記憶凸輪或碰塊就會觸碰微動開關(guān)發(fā)出相應(yīng)的行程限位報警和極限限位報警并切斷電源。編碼器所顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速的對應(yīng)距離與起身高度限位器所顯示的起升高度相比較可反應(yīng)限位器的高度顯示精度。電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，凸輪或碰塊與微動開關(guān)脫離接觸且返回正常工作狀態(tài)時，微動開關(guān)應(yīng)能自動復(fù)位，凸輪或碰塊反轉(zhuǎn)至初始位置停止。反復(fù)以上實驗過程3次，通過編碼器輸出的脈沖數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并計算出升高限制器的轉(zhuǎn)角重復(fù)定位精度。

3 試驗臺測試系統(tǒng)

3.1 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動放大器、PLC、PLC特殊功能模塊、計算機(jī)和電氣控制柜組成，如圖2所示。

圖2 伺服控制系統(tǒng)組成

3.1.1 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)有更好的控制精度和速度響應(yīng)性能，伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這和接受的脈沖形成了呼應(yīng)，這樣系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，就能很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位。MR-E系列的伺服電機(jī)編碼器帶有10000脈沖/轉(zhuǎn)分辨率的增量型位置編碼器，在本系統(tǒng)中可對凸輪或碰塊的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。

3.1.2 伺服驅(qū)動放大器

伺服驅(qū)動放大器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能比步進(jìn)電機(jī)更為可靠。本系統(tǒng)中伺服驅(qū)動放大器為三菱的MR-E-40A，是高性能的伺服系列，控制模式有位置控制和速度控制兩種模式，并能切換位置控制和速度控制模式進(jìn)行運(yùn)行。適合用于設(shè)備的高密度定位和平穩(wěn)的速度控制。在本系統(tǒng)測試過程中，主要用到的是位置控制模式，MR-E-40A與三菱的脈沖發(fā)生單元FX2N-1PG接口良好，可從FX2N-1PG接收脈沖并根據(jù)脈沖數(shù)控制伺服電機(jī)的啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)方向。伺服驅(qū)動放大器與PLC特殊功能模塊的連接電纜必須采用屏蔽電纜，屏蔽層要可靠接地，并且要計算屏蔽電纜的長度，以保證脈沖信號的正確傳輸。

3.1.3 PLC和PLC特殊功能模塊

在本系統(tǒng)中，PLC為三菱的FX2N，該P(yáng)LC有較高的可靠性，豐富的指令和較強(qiáng)的實時通訊能力，還有豐富的可以與其匹配的擴(kuò)展模塊。PLC特殊功能模塊為FX2N-1PG和FX2N-1HC。FX2N-1PG為脈沖發(fā)生單元，可通過向伺服電機(jī)的驅(qū)動放大器提供指定數(shù)量的脈沖來實現(xiàn)伺服電機(jī)的精確定位。FX2N-1PG接收PLC的指令，分別從FP和RP端發(fā)出正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的脈沖，伺服驅(qū)動放大器的PP和NP端和FX2N-1PG的FP和RP端相連，接收到脈沖后根據(jù)放大器的設(shè)置值直接驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)行。在本系統(tǒng)中為1800脈沖/轉(zhuǎn)。FX2N-1HC是硬件高速計數(shù)模塊，有2相50HZ的高速計數(shù)器，計數(shù)速度比PLC的內(nèi)置高速計數(shù)器的計數(shù)速度高，而且可直接進(jìn)行比較和輸出。確保高速計數(shù)器的計數(shù)能力才能保證PLC程序的正常工作，讀取到正確的編碼器脈沖輸出信號。伺服驅(qū)動放大器的 LA和LAR、LB和LBR、LZ和LZR端分別為編碼器的A相、B相和Z相脈沖的差動驅(qū)動輸出，將它們與FX2N-1HC的A24+和A-、B24+和B-、XP24和COMP端相連，F(xiàn)X2N-1HC就能讀取伺服電機(jī)編碼器通過驅(qū)動放大器輸出的反饋脈沖信號，計算出伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)過的角度，并與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較。在本系統(tǒng)中伺服電機(jī)編碼器的輸出為4000脈沖/轉(zhuǎn)。

3.1.4 計算機(jī)和電氣控制柜

PLC通過232-BD接口板與計算機(jī)的232口進(jìn)行通訊，計算機(jī)能讀取PLC所有的輸出和內(nèi)部設(shè)置值，如FX2N-1PG輸出的脈沖值和FX2N-1HC讀取到的編碼器反饋脈沖值等，并進(jìn)行一系列的計算，再將計算結(jié)果顯示在屏幕上，使試驗過程更為直觀。電氣控制柜中除了安裝系統(tǒng)主要的組成部分外，還有斷路器、穩(wěn)壓電源、保險絲、接線端子和操作按鈕、急停按鈕等，可為實驗過程中提供安全穩(wěn)定的電源、必要的保護(hù)和緊急停止裝置。

3.2 計算機(jī)軟件

本系統(tǒng)中的計算機(jī)軟件采用了模塊化的設(shè)計方法，專門開發(fā)了一套起升高度限制器實驗臺測試系統(tǒng)軟件?；谟嬎銠C(jī)系統(tǒng)的測試軟件在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲等各方面都比傳統(tǒng)的儀器儀表功能強(qiáng)大，新一代的起升高度限制器試驗臺試驗流程的控制，試驗數(shù)據(jù)的采集、計算、存儲等功能都由計算機(jī)軟件來實現(xiàn)。用戶可通過在計算機(jī)程序設(shè)計的界面上進(jìn)行參數(shù)輸入，開始試驗和結(jié)束試驗等操作，由計算機(jī)軟件自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲和試驗結(jié)果顯示等工作，并最后生成試驗報告。測試系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

4 數(shù)據(jù)處理方法

對于起升高度限制器轉(zhuǎn)角定位精度的測量。本系統(tǒng)采用伺服電機(jī)的編碼器。測試控制系統(tǒng)能實時測量凸輪轉(zhuǎn)角重復(fù)定位精度，伺服電機(jī)輸出的脈沖數(shù)于其轉(zhuǎn)速成正比，計算機(jī)得到的信號是PLC通過高速計數(shù)器采集到的伺服驅(qū)動放大器輸出的編碼器脈沖信號。通過調(diào)整設(shè)置值可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)(輸出脈沖=設(shè)定值[脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)])。起升高度限位器的凸輪觸碰到微動開關(guān)發(fā)出相應(yīng)的極限限位報警并切斷電源后，計算機(jī)將采集到的信號轉(zhuǎn)換為角度輸出。角度計算公式為：

圖3 測試系統(tǒng)軟件流程圖

式中，X為計算機(jī)采集到的脈沖數(shù)；Y為伺服電機(jī)編碼器的輸出脈沖；i為起升高度限制器的傳動比，即電機(jī)轉(zhuǎn)角與起升高度限制器凸輪轉(zhuǎn)角比。由于考慮到本系統(tǒng)中存在系統(tǒng)誤差和單次測量的誤差，因此該測量結(jié)果需進(jìn)行修正，修正的公式為：

式中，為三次測量的平均值；Δ*X為系統(tǒng)誤差；δx為標(biāo)準(zhǔn)誤差，此處δx=±1%Fs。

若時間間隔較短，則采集到的脈沖數(shù)少，精度較低。反之，采集到的數(shù)據(jù)多，顯示的精度提高，但虛擬儀表的刷新速度就會變慢。為了既保證精度，同時又使虛擬儀表保持較快的刷新速度，就要根據(jù)轉(zhuǎn)速信號的特點來選擇合適的時間間隔。經(jīng)反復(fù)試驗，選取了100ms的時間間隔，測試精度和虛擬角度儀表的分辨力都能滿足系統(tǒng)要求。

實驗結(jié)果輸出：

經(jīng)過對QGX-B型起升高度限制器的測試，結(jié)果表明，多次試驗均滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)對起升高度限制器動作性能的試驗要求，該型號起升高度限制器的運(yùn)動限位功能和凸輪轉(zhuǎn)角重復(fù)定位精度的多次試驗結(jié)果均為合格。試驗結(jié)果見圖4。

圖4 試驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文介紹了起升高度限制器試驗臺的研制過程，該實驗臺可較好模擬起重機(jī)的實際工作情況，對各種螺桿式、重錘式、渦輪蝸桿式起升高度限制器均可進(jìn)行測試。實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計可滿足測試起升高度限制器性能的工作要求，且該試驗系統(tǒng)建立了良好的人機(jī)交流界面，可完成對數(shù)據(jù)的采集、分析處理和狀態(tài)監(jiān)控等工作，這突破了傳統(tǒng)儀器儀表在數(shù)據(jù)傳送、處理顯示和存儲功能等方面的限制，實際使用效果好，這為起升高度限制器的安全監(jiān)察提供了可靠的實驗設(shè)備。

[1]TSG Q7014-2008起重機(jī)械安全保護(hù)裝置型式試驗細(xì)則.特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范,2008.

[2]尤建陽,侯振亞,劉凱.起升高度限制器的技術(shù)與管理現(xiàn)狀[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2005(10):49-51.

[3]黃漫國,陶元芳,起重機(jī)制動器試驗臺檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用,2007,27(2):52-54.

[4]朱鈺,許順隆,劉少輝,等.液壓起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2008,4(8):67-69.

Development of Lifting Height Limiter Test Bed

JIN Yu-qin,LIU Yi
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

According to the operation principle of lifting height limiter，the test bed simulates the crane actual working condition and tests the lifting height limiter performance.The test bed can test the limiting function and repeat positioning accuracy of lifting height limiter.It can also be used in different types of crane lifting height limiter.

lifting height limiter; rotation angle accuracy; test bed

TH16

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.011

金郁沁（1977-），女，工程師，長期從事物流輸送系統(tǒng)以及非標(biāo)設(shè)備的電氣設(shè)計、開發(fā)與研究。