谢小娟，林晓明，梁敏健

（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东 珠海 519002）

1 研究背景

安装于起升机构上的制动器，是起重机械的一项重要部件，一方面，该部件能够将正在被提升或下降的重物停在所需高度，并对起升或下降速度进行调控。另一方面，在运行或变幅等机构中，它又能够让机构平稳地停止在相应位置。因此，制动器是起重机械的工作装置和重要安全装置。当起重机械的起升机构在吊着负载下降时，制动器在制动时会因为负载本身的重力导致起升机构不能立即被制停，而是带着制动力矩向下溜车，经过的这一小段距离称为“制动下滑量”。制动下滑量作为评价制动器工作性能的指标参数，是起重机械检验检测中的重要安全指标。

在起重机械作业时，某些违规操作会导致起重机械制动装置（如闸瓦、制动轮等）的磨损，使得制动下滑量增加。过大的下滑量轻则将影响到重物起吊时的定位精度，依靠起重机械安装大型设备变得更加困难，重则导致严重事故，造成财产损失和人员伤亡。

由于起重机械工作是周期性、间歇性的，每个机构在工作时都会经常地进行启动和制动，因此，同一设备测定的制动下滑量会随不同的工作条件、不同的设备状况而变化。同时，工作现场还会受到制动器类型及其控制方式的影响：带式、块式等不同型式的制动器，其工作性能会因为结构型式、磨损情况、力矩施加等不同影响，造成制动的完成情况有所不同；有些长期服役的起重机械利用接触器及继电器进行控制，通过制动器来完成制动，基本上使用全部的制动力矩，会造成冲击大、不平稳的情况。

目前，对起重机械制动下滑量的检验方法通常是目测、重锤检测法、采用行程开关控制、采用光控继电器、基于单片机的智能测量，这些检验方法由于准确性不足、操作麻烦、有不安全风险、电路的改动等，导致了其局限性，可操作性不够以及推广困难等，均存在诸多不足之处。

近年来，随着传感器技术的发展，基于传感器测量的一些下滑量的检测方法逐渐被研发出来。林剑锋研发了一种检测装置，其通过无线传输、采用激光测距来测量制动下滑量；谷惠勇对起重机综合性能检测仪进行了研究，能够在重物下方的适当之处测量制动下滑量；王小翼对霍尔传感器的起重机制动下滑量检测进行了研究；戴文骏设计了起重机制动下滑量检测仪在载荷状态中进行检测；王军、高岩等对分析了制动下滑量的检测现状，探讨了检测装置的发展及设计。

以上研究中的技术和方法大部分在起重机械出厂时的性能检测比较适用，而现场检验时却有不便之处。针对当前制动下滑量检测的现状，本文基于加速度信号测量信号，提出一种结构简单、安装方便的适用于现场检测用的制动下滑量测量装置。

2 制动下滑量测量装置设计

按照国标《起重机械安全规程》（GB6067.1-2010）4.2.6.3 规定，吊钩起重机的起吊物在下降制动时的制动距离不应大于 1分钟内起升距离的1/65。同时，TSG Q7016-2008《起重机械安装改造重大维修监督检验规则》B10.1 也要求如果起重机械对制动下滑量有要求，其制动下滑量应处于允许范围。这些条款对起重机械制动下滑量作出了明确要求。

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根据现有标准中对下滑量规定的技术要求，本文提出一种新的起重机械起升机构制动下滑量测试装置。该装置基于加速度信号测量，电子元件使用更少的，结构简单、操作方便、价格较低且安装使用简便，既能作为起重机械制动下滑量的测量装置，又能作为一种起重机械制动器的安全保护性能及其调节状况的评估装置。通过对加速度信号进行滤波处理、消除采样误差处理和积分处理，会使得测量数据更加精确。如果测试后发现下滑量超出规定范围，则应停止该起重机的作业并进行检修，及时消除潜在危险，避免可能造成的损失。

2.1 测量装置的原理

该测量装置的原理是在起重机械悬吊重物匀速下降时，利用加速度的突然变化捕获制动开始t1以及结束的瞬间t2，并通过加速度a 来获知其制动开始的速度v1：

制动停止时的速度v2=0，由速度和距离S 的关系可得：

由（2）可得：

由（1）式和（3）式可得：

因此，通过安装在重物上的加速度传感器对起重机械制动时的整个过程进行监控，并获取其加速度以及时间信息，就可以测出重物在下降时的制动距离，即制动下滑量。

2.2 硬件结构

该装置硬件结构如图1 所示，由MCU、加速度计、Wi-Fi模块、存储、电源管理及时间同步模块以及上位机等组成。起重机械进行制动的过程中，加速度计采集方向、距离等数据信号，传送至下位机主控中心MCU，再由下位机中心完成传感器信号的判定，分析和计算加速度传感器的数据和参数变化，完成下滑距离的转化。

图1 装置结构图

主控MCU 模块采用STM32F407 集成控制板，其具有性能高、功耗低的特点，主要功能为接收加速度传感器的信号和数据，与上位机的通信、传送数据，完成无线数据解析与执行、传感器信号判定、下滑量数据计算。

加速度计采用MMA8451 数字式三轴加速度传感器，属电容式微机械传感器，特点是低电压供电、最高精度14 位、采用QFN 封装，有两个可配置的中断端口，使用I2C 串行通信协议进行通信。主要功能是在制动下滑时采集加速度和角速度变化数据。

Wi-Fi 模块采用ESP8266，接收MCU 发过来的数据传至上位机，并接收上位机的信号并传送到MCU 中。

上位机即手持控制仪，由TFT 液晶屏、按键、外壳、电池、单片机处理电路、Wi-Fi 模组组成。用以完成和下位机的通信，数据的接收和发送，将接收到的处理后数据可视化，在液晶屏上显示出来，以及完成对下位机的控制。

存储模块主要功能是存储加速度传感器的数据及MCU 的处理结果等。电源管理模块则负责提供稳定的电源，给MCU和其它模块供电。时间同步模块则通过有线方式与起重机械的控制台进行连接，由单片机电路以及Wi-Fi 模组组成，主要是记录起重机制动的时间并发送给主控中心。

2.3 各模块工作方式

上位机通过Wi-Fi 与主控MCU 进行通信，先把数据或命令发送至与MCU 相连接的Wi-Fi 模块，Wi-Fi 再通过高速串口把数据传给MCU。

加速度计采集到重物在下降过程及下滑过程中的加速度变化数据，将其传送给MCU。

存储模块主要用来增加下位机主控MCU 的容量，也通过高速串口方式与MCU 相通信。

时间同步模块将记录的起重机制动时间通过Wi-Fi 发送至与MCU 相连接的Wi-Fi 模块，Wi-Fi 再通过高速串口把数据传给MCU。

当下位机MCU 计算出下滑结果后，再通过高速串口传送给Wi-Fi 模块，再由Wi-Fi 模块传送至上位机，通过可视化操作在液晶屏上显示出下滑距离。

3 测量流程

设备安装工作步骤：将加速度传感器及下位机安装在被测对象起重机的吊钩下面，通过控制台启动起重机将带有重物的吊钩升至高处。然后开始测量，流程如图2 所示。

图2 测量流程图

步骤一：控制加速度传感器开始采集起重机下降制动时的加速度数据；下位机接收上位机发出的检测指令并控制加速度传感器开始采集数据，在t0时刻启动处于高处的起重机，待其稳定下降后，控制台在t1时刻发送制动指令使起重机制动。

步骤二：时间同步模块接收制动指令同时记录制动初始时间t1，并将制动初始时间t1发送至下位机，待起重机完全停止再过3 秒钟后，下位机接收上位机发出的停止检测指令并控制加速度传感器停止采集加速度数据，并将采集的所有加速度、角速度变化等数据发送至下位机。

步骤三：步骤二采集的所有加速度数据被下位机的MCU接收后，调用已设定好的算法程序依次进行滤波处理、消除采样误差处理和积分处理，如图3 所示；数据的处理结果被送至Wi-Fi 模块，然后通过无线传输协议发送至上位机；上位机接收数据并完成可视化，将测量结果（制动下滑量）直接在液晶屏上显示出来。

图3 测量方法框图

4 测量装置比较

将本文所述的制动下滑量检测方法与目前常用方法进行比较，如表1 所示。直尺法利用目测判断制动开始和完成的时间，可靠性较差；微动开关法安装的时候所需工作量大，而且安装过程也存在安全隐患，同时，检测结果欠缺精确度；行程开关法需要测量多次求得平均值，而每次都要从重砣上量取距离并复位行程开关，对操作人员来说不仅劳动强度大，也有安全隐患；旋转编码器方式精度较好，但难以安装拆卸，且测量所需条件比较多，有一定的局限性；激光测距法由于激光测量装置在重物下方，对操作人员和设备存在安全风险；图像捕捉方式的设备价格昂贵，且不易安装，而测量精度并不稳定，和捕捉设备的精度相关。本文所提出的装置结构简单、操作方便，其测量结果在经过滤波处理、消除误差后的数据比较精确，能够在下滑量超出标准要求时进行检修，及时消除潜在危险，避免安全隐患，防止损失。

表1 制动下滑量的各种测量方法比较

5 结语

本文针对现有制动下滑量测试方法的不足，提出了一种基于加速度测量方式的检测装置和方法。起重机生产厂家和特检部门可以利用该方法来判定起重机的制动性能是否符合国家标准，确保安装质量，并为起重机械的检验检测提供依据；起重机用户则可在实际生产中使用该方法进行定期生产检测，可使起重机实际操作人员掌握起重机制动器的常态工作性能，该装置结构简单、操作方便，减轻了检测和操作人员的工作强度，非常适用于现场检验。