劉培廣1 吳振華1 黃元猛2 黃 川2
1 中國特種設備檢測研究院 北京 100029 2 廣西建工集團建筑機械制造有限責任公司 南寧 530299
摘 要：文中對施工升降機防墜安全器制動(dòng)過(guò)程中的加速度進(jìn)行了測試，并對測試的加速度進(jìn)行了數據處理，得到了制動(dòng)速度和制動(dòng)距離。在對加速度數據處理過(guò)程中，探討了最佳低通濾波頻率，辨識了防墜安全器的動(dòng)作點(diǎn)，提出來(lái)零起零落和零軸震蕩的數據處理原則，根據此原則對數據進(jìn)行了零點(diǎn)的調整、數據的截取、趨勢的消除，得到了比較滿(mǎn)意的結果。
關(guān)鍵詞：施工升降機；防墜安全器；墜落試驗；制動(dòng)距離；加速度
中圖分類(lèi)號：TH211+.6：TU61 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）24-0076-07
0 引言
防墜安全器是施工升降機安全保護系統中的安全控制部件之一[1-3]。當施工升降機在運行中，如果發(fā)生超速，甚至墜落，則防墜安全器開(kāi)始動(dòng)作，使施工升降機轎廂停住。圖1 為廣泛應用在齒條施工升降機的防墜安全器的結構組成，錐形殼體（外錐體）與底座通過(guò)螺栓安裝在吊籠上，如圖2 所示。
1. 銅螺母 2. 安全開(kāi)關(guān) 3. 錐形殼體（外錐體） 4. 離心塊座 5. 小齒輪 6. 壓簧片 7. 離心塊 8. 錐形鐵芯（內錐體） 9. 蝶形壓縮彈簧
圖1 防墜安全器結構示意圖
圖2 防墜安全器的安裝圖
防墜安全器的工作原理：當施工升降機吊籠正常運行時(shí)，齒輪軸的小齒輪5 與升降機上的齒條嚙合，齒輪軸隨之轉動(dòng)。吊籠在額定速度內向下運行時(shí)，離心塊7在壓簧片6 彈簧力的作用下與齒輪軸上的離心塊座4 緊貼在一起。離心塊7、齒輪軸與離心塊座4 一起在內錐體8 內空轉。當吊籠向下運行速度超出額定速度時(shí)，離心塊7 克服彈簧力6 的作用向外甩出，離心塊的尖端與內錐體8 內表面的凸緣接觸，并帶動(dòng)內錐體8 一起旋轉，裝在內錐體8 軸端的銅螺母1 隨之做軸向移動(dòng)。所以當內錐體旋轉時(shí)，銅螺母1 便向內移動(dòng)而壓緊碟形彈簧9。裝在內錐體軸端的銅螺母1 做軸向移動(dòng)，帶動(dòng)內錐體向左移動(dòng)，由于內外錐體有錐度，內外錐體摩擦面的壓緊力隨之逐漸增大，摩擦力即制動(dòng)力矩也逐漸加大，直至吊籠停止運行，從而達到平穩制動(dòng)目的。在制動(dòng)過(guò)程中，安全開(kāi)關(guān)2 動(dòng)作，自動(dòng)切斷吊籠升降驅動(dòng)裝置的動(dòng)力電源。
根據GB/T 34025—2017《施工升降機用齒輪漸進(jìn)式防墜安全器》的相關(guān)檢測要求，防墜安全器性能參數檢測中最重要的是對制動(dòng)距離的測量。
目前，防墜安全器的現場(chǎng)檢測主要是采用游標卡尺測量指示銷(xiāo)的位移量（即蝶形彈簧的位移量），然后通過(guò)相關(guān)計算公式計算制動(dòng)距離[4]。這種方法容易產(chǎn)生人為誤差。根據防墜安全器的內部結構組成可知，在防墜安全器錐轂動(dòng)作的過(guò)程中，錐轂會(huì )發(fā)生偏心運動(dòng)，且具有隨機性，指示銷(xiāo)的位置會(huì )因此發(fā)生偏轉，因此，難以準確測量指示銷(xiāo)的位移量，從而影響測量結果的準確性。
且這種檢測方法只能得到制動(dòng)距離，無(wú)法得到制動(dòng)時(shí)的動(dòng)作速度和最大加速度，也就無(wú)法判斷緊急制動(dòng)過(guò)程能否保證人員的安全[5-7]。為解決上述傳統方法存在的問(wèn)題，需要采用新的測量方法進(jìn)行測量，從而精確且方便地得到制動(dòng)距離和制動(dòng)動(dòng)作速度，文中基于加速度測試，提出了一種施工升降機防墜安全器制動(dòng)距離的測試方法，并探討了其數據處理的方法。
1 墜落試驗
1.1 施工升降機基本情況
施工升降機額定起重量為2 000 kg，額定起升速度為0 ～ 46 m/min，吊籠質(zhì)量為1 200 kg，吊籠凈空尺寸( 長(cháng)× 寬× 高) 為3 200 mm×1 500 mm×2 400 mm，防墜安全器型號：SAJ40-1.2、SAJ50-2.0，防墜安全器額定動(dòng)作速度為西梯1.0 m/s，東梯1.35 m/s。
試驗設備安裝在工廠(chǎng)的試車(chē)場(chǎng)，附著(zhù)在一臺塔機的塔架上，高度為25 m，如圖3、圖4 所示。為了方便試驗，施工升降機的立柱的左右兩側安裝2 臺施工升降機，本次試驗對這2 臺施工升降機同時(shí)進(jìn)行了測試。
圖3 施工升降機附著(zhù)塔式起重機
圖4 東西2 臺施工升降機
1.2 施工升降機墜落試驗分析
一般的墜落試驗過(guò)程為：吊籠上升3 ～ 10m 停住，然后撳壓墜落按鈕，使制動(dòng)器通電打開(kāi)，吊籠在自重的作用下向下溜車(chē)并逐漸加速，當吊籠的速度達到防墜安全器的動(dòng)作速度時(shí)，防墜安全器動(dòng)作，吊籠逐漸被制動(dòng)并停止，然后測量防墜安全器上的碟形彈簧的壓縮量，并根據防墜安全器上壓緊螺母的螺距和小齒輪的節圓直徑計算出制動(dòng)距離。
本次墜落試驗預先將超速開(kāi)關(guān)短接，取消超速開(kāi)關(guān)對制動(dòng)器的控制作用，吊籠完全由防墜安全器制動(dòng)和停止。
1.3 墜落試驗步驟
1) 切斷主電源，將電氣箱開(kāi)關(guān)轉至安裝檢修位置；
2) 裝入試驗電纜，并將電纜接到吊籠電氣箱內標有墜落試驗的接線(xiàn)座上；
3) 把試驗電纜、按鈕盤(pán)和電纜放到合適的位置，要確保墜落試驗時(shí)，電纜不會(huì )被卡??；
4) 吊籠加上額定載荷后，按通主開(kāi)關(guān)，按下試驗電纜按鈕盒上向上按鈕，使吊籠底部離地面約10 m；
5) 按下有墜落試驗標記的按鈕，不要松手，此時(shí)電動(dòng)機電磁制動(dòng)器松閘，吊籠即向下墜落，當墜落速度達到防墜安全器標定動(dòng)作時(shí)安全器立即動(dòng)作，從而將吊籠制停在導軌架上。
1.4 墜落試驗記錄儀器
本次施工升降機的墜落試驗記錄儀是采用TDR6.1遙測加速度儀。TDR 遙測加速度儀適用于測點(diǎn)多、分布遠、布線(xiàn)難的測試環(huán)境下的數據采集和分析，具有高可靠性。
2 試驗數據的處理
理論上，用加速度可測得吊籠的實(shí)時(shí)加速度a(t)，對加速度積分一次，可得到速度
實(shí)際存在有很多影響因素致使誤差增大，甚至無(wú)法進(jìn)行。文中主要闡述3 方面誤差：
1）零點(diǎn)漂移所帶來(lái)的積分誤差 由于加速度傳感器存在不可消除的零點(diǎn)漂移，零點(diǎn)漂移有兩種含義：加速度是零時(shí)，加速度計輸出不為零；隨著(zhù)記錄時(shí)間的增長(cháng)，原來(lái)的零位發(fā)生變化，在零漂移的數據上做積分，導致積分累積效應。
2）噪聲信號所帶來(lái)的誤差 噪聲信號所帶來(lái)的是比較難判斷的，一般是通過(guò)濾波來(lái)處理，但任何濾波都會(huì )對數據造成損失，需要很強的數據處理經(jīng)驗和處理技巧做支撐。
3）積分的初始值帶來(lái)的影響 加速度和速度的初始值不為零同樣會(huì )造成積分的累積效應，帶來(lái)很大的誤差。
2.1 數據前處理
本次數據處理采用DDP 動(dòng)態(tài)信號處理軟件，該軟件是與數據采集配套的軟件。
圖5 是東邊施工升降機的墜落加速度數據圖。紅線(xiàn)的處理過(guò)程為調零+ 反向+ 濾波后的曲線(xiàn)，藍線(xiàn)的處理過(guò)程為調零+ 反向+ 平移。
1）調零 目的是消除加速度計中包含的重力加速度。加速度計測試的加速度包含了重力加速度g，不是吊籠的運動(dòng)加速度。調零就是為了消除這個(gè)重力加速度，調零后剩下的就是吊籠的運動(dòng)加速度，可以通過(guò)時(shí)域積分得到速度，再積分就得到位移。
2）反向處理 由于加速度計安裝是倒立安裝的，再進(jìn)行一次反向，可得到吊籠的真實(shí)加速度。
3）藍線(xiàn)的平移 因為濾波后，數據發(fā)生了相位偏移，可根據兩個(gè)圖像中的關(guān)鍵點(diǎn)的時(shí)間差，對藍線(xiàn)進(jìn)行了平移，方便對照比較。
圖5 東梯防墜試驗加速度曲線(xiàn)
2.2 數據的濾波處理
為了消除噪聲信號所帶來(lái)的的誤差，需要對采集的加速度信號進(jìn)行濾波處理。本次采用巴特沃斯（Butterworth filter）濾波處理器進(jìn)行濾波。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內的頻率響應曲線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，在阻頻帶則逐漸下降為零。濾波階數為五階，低截止頻率為6 Hz，濾波類(lèi)型為低通。
文中研究不同低通濾波頻率對濾波效果的影響，如圖6 和圖7 所示，本次試驗選擇低通濾波頻率的原則是既要盡量平滑，也要接近實(shí)際震動(dòng)頻率和趨勢。6 Hz 低通濾波最接近實(shí)際震動(dòng)特點(diǎn)，如圖5 的疊加圖所示。
圖6 1 Hz、3 Hz、5 Hz 低通濾波加速度曲線(xiàn)疊加
圖7 5 Hz、7 Hz、10 Hz 低通濾波加速度曲線(xiàn)疊加
研究加速度原始數據的振蕩頻率，確定實(shí)際所需低通頻率濾波值，以實(shí)現既平滑且能保住重要特征不失真。如圖8 所示，將下落過(guò)程中加速過(guò)程的震蕩峰值點(diǎn)和峰谷點(diǎn)標注出來(lái)，求出周期的平均時(shí)間T=0.178 s，震蕩周期f=1/T=5.62 Hz。因此，為使濾波的數據不失真，濾波頻率應該大于5.62 Hz。故確定最佳的低通濾波頻率為6 Hz 濾波。將5 Hz 濾波與6 Hz 濾波進(jìn)行比較，如圖8、圖9 所示，2 組數據比較如表1 所示。
圖8 原始加速度震蕩頻率
圖9 5 Hz、6 Hz 濾波疊加
從表1 可看出，濾波的頻率對濾波結果影響顯著(zhù)。故后文的數據處理都采用6 Hz 的濾波結果。
2.3 墜落試驗加速度及其解讀
通過(guò)上述處理得到墜落試驗的加速度，如圖10 所示。圖10 是東梯墜落試驗加速度曲線(xiàn)通過(guò)6 Hz 濾波處理后的加速度曲線(xiàn)，從O 點(diǎn)到A 點(diǎn)，施工升降機的吊籠勻速緩慢上升，到達指定高度后減速。由于試驗的施工升降機采用變頻調速控制，可以做到零速制動(dòng)。因此，A 點(diǎn)的速度基本減到0 m/s。然后開(kāi)始墜落，從A 點(diǎn)到B 點(diǎn)，電機的作用力迅速減到零，失去電機的作用力后，從B 點(diǎn)到C 點(diǎn)，吊籠做類(lèi)似自由落體的加速墜落，這時(shí)自由落體的加速度約為－ 0.15g ～－ 0.3g。完全自由落體的加速度應該是－ g，造成本次試驗不為完全自由落體運動(dòng)的因素有3 個(gè)：1）摩擦阻力；2）傳動(dòng)系統沒(méi)有從齒條上脫開(kāi)，現在變成了反傳動(dòng)，把自由落體運動(dòng)的勢能，變成了傳動(dòng)系統的轉動(dòng)動(dòng)能；3）防墜系統的運動(dòng)，也將自由落體的勢能變成了動(dòng)能。
從C 點(diǎn)到F 點(diǎn)，防墜安全器開(kāi)始起作用，從F 點(diǎn)到G 點(diǎn)內外錐體邊旋轉邊擠壓，提供很大的制動(dòng)力矩，從G 點(diǎn)到D 點(diǎn)隨著(zhù)內外錐體的進(jìn)一步擠壓，制動(dòng)力矩到H 點(diǎn)再到E 點(diǎn)，吊籠的制動(dòng)加速度迅速降低為零（H點(diǎn)），并向反向震動(dòng)。
圖10 6 Hz 低通濾波加速度
圖11 6 Hz 低通濾波加速度大圖
2.4 數據截斷處理
為了求得墜落試驗的速度和位移，我們必須從圖11 上截取一部分，對其進(jìn)行積分得到速度。但對于截取哪部分，因為沒(méi)有相關(guān)文獻可以參考，文中對此進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。不論是速度還是加速度，數據截取都遵循零起零落，即速度或加速度須從零開(kāi)始最終回到零。截取的加速度數據，起點(diǎn)均是從A 點(diǎn)開(kāi)始，終點(diǎn)有B、C、D 等3 個(gè)點(diǎn)：B 點(diǎn)是制動(dòng)加速度從最高點(diǎn)快速回歸到零的那一點(diǎn)；C 點(diǎn)的確定原則參考類(lèi)自由落體的震蕩E 區加速度的振幅，在加速度達到最大值后，后面的震蕩區振幅小于E 區振幅第一次穿過(guò)零軸的時(shí)刻；D 點(diǎn)為加速度基本趨零的點(diǎn)。截取點(diǎn)的數據如表2 所示。
圖12 是AB、AC、AD 3 種截取方法積分的速度圖的疊加（南寧地區重力加速度值采用9.801 5 m/s2）
圖12 AB 、AC 、AD 截斷速度疊加圖
從圖12 可以看出，AB、AC、AD 截斷速度曲線(xiàn)是完全重疊的，只有截取的終點(diǎn)不一樣。為了方便起見(jiàn)，選取AC 段數據進(jìn)行處理。AB 段太短，不容易看清后面的震蕩區域是否在零軸上下震蕩；AD 段數據太多，處理起來(lái)不方便。
但從總體上看，這種數據處理流程還不是非常理想，圖上雖然有零起零落點(diǎn)，但后面的震蕩區明顯有漂移，震蕩區應該圍繞零軸上下震蕩才理想。
2.5 數據處理的原則
數據處理的原則就是要保證加速度和速度零起零落和零軸震蕩。即剛開(kāi)始是零，制動(dòng)結束后在零軸上下震蕩衰減，最后回到零位。
加速度傳感器存在不可消除的零點(diǎn)漂移，會(huì )導致積分累積效應。而且漂移有2 種，一是不歸零，即加速度為零時(shí)，加速度計輸出不為零，另一種是零漂，零點(diǎn)會(huì )隨記錄時(shí)間的增長(cháng)，漂移了原來(lái)的零位。通常，零漂會(huì )有一個(gè)趨勢。這些都會(huì )導致積分的累積效應，產(chǎn)生很大的系統誤差。
為了得到較為準確的處理結果，文中進(jìn)行了三次調零處理，整體調零、局部調零和趨勢消除。調零的主要原則是控制加速度和速度零起零落和零軸震蕩，使最后得到的位移是恒定值。
2.6 數據處理結果
文中給出2 種處理數據方法所得到的結果，分別為采用6 Hz 濾波和未濾波，并對這2 種方法得到的結果進(jìn)行比較。
圖13 為6 Hz 濾波與原始加速度疊加圖，這里的加速度已經(jīng)經(jīng)過(guò)了調零處理，積分一次就能得到速度。
圖12 為6 Hz 濾波與未濾波所得到速度疊加圖，大部分速度曲線(xiàn)的重疊度較好，只在最大速度時(shí)，局部未濾波的速度曲線(xiàn)有較大的波動(dòng)。
圖15 是6 Hz 濾波與未濾波所得到位移疊加圖，大部分速度曲線(xiàn)重疊度較好，最大位移值誤差0.75%，誤差很小，說(shuō)明采用6 Hz 濾波是可行的。
圖13 6 Hz 濾波與原始加速度疊加圖
圖14 6 Hz 濾波與不濾波速度疊加圖
圖15 6 Hz 濾波與不濾波位移疊加圖
根據速度圖和位移圖，并結合加速度圖，識別出防墜安全器的動(dòng)作速度、制動(dòng)距離等重要的參數。按照JG121—2000《施工升降機齒輪錐鼓形漸進(jìn)式防墜安全器》定義，制動(dòng)距離是安全器開(kāi)始動(dòng)作到防護目標被制動(dòng)停止時(shí)，防護目標所移動(dòng)的距離[8]。為了判斷安全器開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)間，文中將東梯和西梯2 部施工升降機的加速度圖疊加在一起分析，發(fā)現在防墜安全器動(dòng)作前，加速度都有一個(gè)向下沖擊的瞬間（如圖16 中的A 點(diǎn)和B 點(diǎn)），然后開(kāi)始急劇減速。
圖16 東梯和西梯加速度疊加圖
將東梯的加速度圖局部放大，在放大的加速度圖17 上有4 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其特征分析如表3 所示。
圖17 加速度圖上防墜安全器動(dòng)作瞬間辨識
表3 黑體字數據是采用東梯數據的處理結果，制動(dòng)速度為1.31 m/s，額定速度3.5 m/s，誤差3%，制動(dòng)距離為0.722 m，都符合JG121—2000《齒輪錐鼓形漸進(jìn)式防墜安全器》的要求。
3 結論
通過(guò)本次試驗研究可得出以下結論：
1）用加速度計測量加速度，通過(guò)數據處理的方法能得到防墜安全器的動(dòng)作速度和制動(dòng)距離；
2）最佳的低通濾波頻率為6 Hz 濾波；
3）數據截斷對最后的數據處理結果不產(chǎn)生的影響，但要考慮后續數據處理的方便性，可選取在加速度達到最大值后，后面的震蕩區振幅小于取類(lèi)自由落體震蕩區的振幅后，第一次穿過(guò)零軸的時(shí)刻；
4）為了消除零漂的影響，加速度在積分之前，要進(jìn)行調零處理，調零的原則是控制加速度和速度零起零落和零軸震蕩；
5）安全器開(kāi)始動(dòng)作的瞬間，就是防墜安全器開(kāi)始起制動(dòng)作用的瞬間；
6）制動(dòng)速度和制動(dòng)距離符合JG121—2000《齒輪錐鼓形漸進(jìn)式防墜安全器》的要求。
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成都升降機械公司是全國生產(chǎn)、制造液壓升降機的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家之一，現生產(chǎn)八大系列的高空作業(yè)平臺，并可承接各種非標產(chǎn)品（成都升降機 | 成都升降平臺 | 成都升降平臺 | 成都高空作業(yè)平臺 | 成都登車(chē)橋 | 載貨電梯）的設計、制作。本廠(chǎng)為中國工程機械協(xié)會(huì ) 裝修與高空作業(yè)機械分會(huì )常務(wù)理事單位，所有產(chǎn)品由中國人民保險公司承擔產(chǎn)品質(zhì)量 責任保險。本著(zhù)“科技領(lǐng)先、誠信為本、質(zhì)量第一”的原則，竭誠為國內外廣大 客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。本公司產(chǎn)品性能優(yōu)良、可靠、設計精巧實(shí)用?？蓮V泛應用于企事業(yè)單位及大型場(chǎng)館的裝飾 施工和維修、清潔等高空作業(yè)。產(chǎn)品市場(chǎng)占有率在國內名列前茅。
