加速度积分法在机电类特种设备速度测量中的应用*

2020-08-26苏宇航林晓明

机电工程技术 2020年7期

苏宇航，林晓明

（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东珠海 519002）

0 引言

电梯和起重机都是常见的机电类特种设备，电梯是人们出行常用的交通工具，起重机则是工业厂房中常见的设施。其中无机房电梯是电梯的一种，由于占地小、结构紧凑的特点在寸土寸金的城市住宅楼中得到了广泛的使用，但由于无机房电梯的运动部件以及运转的装置都装设在电梯井道里，从外面难以通过测速表等方式测量其速度。目前业内用于检测无机房电梯运行速度的工具大都是EVA-625系统及其振动分析工具软件。虽然利用EVA-625系统能采集电梯的三维振动加速度，但对其数据的处理和分析都必须在计算机上进行，而且需要用EVA振动分析软件来查看，现场无法直接查看检测结果［1］；而且该仪器价格较为昂贵，阻碍了普及使用的可能性。

起重机则是工业生产中常见的机械，它安装在工矿企业、大型码头等地方，协助生产人员进行吊起重物的操作。但起重机作为大型机械，操作不注意时往往会造成人员受伤，要经常对其各项安全装置进行检测，以保证满足安全要求。制动器是起重机上的一个重要安全部件，制动下滑量能够对制动器的性能进行评估。目前业界对制动下滑量的检测方法大都依赖人员感官来进行判断，但由于准确度不一致、须改变电路、工作量较大、不安全因素较多等因素，都导致了这些方法存在有局限性，同时欠缺实际操作性，造成了推广的难度较大［2］。

基于上述，本文介绍了加速度积分法的测量原理及其在测量无机房电梯速度和起重机制动下滑量中的应用。

1 加速度积分法测量原理

该测量装置的原理是在物体匀速下降时，利用加速度的突然变化，捕获速度变化的开始瞬间t1以及结束的瞬间t2，并通过加速度a来获知其减速开始的速度v1：

物体停止时的速度v2＝0，由速度和距离s的关系可得：

由式（2）可得：

由式（1）和（3）可得：

因此，通过加速度传感器对电梯、起重机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，就可以测出物体的速度以及在下降时的制动距离（制动下滑量）［3］。

2 加速度积分法测量无机房电梯速度

2.1 检验要求

电梯是城市里常见的垂直交通设备，随着经济不断发展、生活水平提高，人们对乘坐电梯的安全、稳定提出了更高的要求。目前评价电梯承运质量的标准法规是国家标准GB/T10058-2009《电梯技术条件》和GB/T24474-2009《电梯乘运质量测量》，而在电梯监督检验和定期检验规则（曳引和强制驱动电梯）的第8.9 项规定了“当电源为额定频率，电动机施以额定电压时，轿厢承载0.5 倍额定载重量，向下运行至行程中段（除去加速和减速段）时的速度，不得大于额定速度的105%，不宜小于额定速度的92%”［4］。同时，电梯速度的测量在电梯的检验规则中也涉及到多个重要项目，因此电梯速度的测量在业内引起了广泛的关注，其测量的准确度和操作方法的简便性更是得到了持续的改良。

2.2 加速度积分法测量

本文研发了一种基于加速度积分原理的电梯速度测量系统，包括终端和速度检测传感系统。速度检测传感系统位于电梯轿厢内部，由加速度计、微处理器、无线通信模块、时钟芯片、数据存储模块和电源管理模块组成，如图1 所示。速度检测传感系统位于信号采集器中，信号采集器固定于电梯轿厢内的底部，采集电梯的加速度信号；终端为手持安卓平板计算机，能更好地与微处理器实现信息之间的即时交互。

加速度计采用AKE392B-MEMS 数字型加速度计，用于测量电梯的加速度，并将其转化为电信号通过RS485 收发芯片送至微处理器处理分析。微处理器采用STM32 型主板，其特点是技术成熟、应用较广。无线通信模块采用WIFI 模块，与微处理器相连进行终端接收和发送指令，实现与微处理器的信息交互。时钟芯片采用ISL1208 芯片，与微处理器相连，提供微处理器运行所需的时钟信号以及计时功能。数据存储模块采用AT45DB321E芯片，与微处理器相连，储存所采集的数据。电源管理模块则采用LTC4064芯片。

该电梯速度测量系统通过加速度计和微处理器对电梯的加速度进行实时采集、记录、处理和分析，并利用无线通信模块传输到手持终端进行数据处理和显示。

图1 检测传感系统的结构示意图

2.3 测量过程及效果

测量时，先把速度检测传感系统放在电梯轿厢里，然后启动电梯。在运行过程中，加速度计采集电梯启动、加速、匀速、减速、停止的时间及加速度数据，通过积分运算，获知电梯的速度、运行距离。

该系统检测过程直观、数据准确精度高，操作简单，不但可以提高效率，还降低检测成本，尤其对于无机房电梯更是提供了一种行之有效和方便快捷的测量方法。

3 加速度积分法测量起重机制动下滑量

3.1 检验要求

作为起重机的一项重要安全部件，制动器能够将重物停在生产作业时所需的高度，还能在提升或下降时对重物的速度进行准确控制。制动下滑量作为评价制动器工作性能的多个指标参数中的重要一项，成为了对起重机进行检验检测时必须要考量的安全指标之一［5］。

“制动下滑量”是指起重机的起升机构在带载下降时，由于重物本身的原因，导致制动器不能立即制停，而是会向下溜车所产生的一小段距离。

《起重机械安全规程》（GB6067.1-2010）4.2.6.3 里提及：“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 min 内起升距离的1/65”［6］。TSG Q7016-2008 《起重机械安装改造重大维修监督检验规则》B10.1 中也要求：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［7］。

这些法规详细规定了起重机下滑量的要求，检测机构应遵循法规。

3.2 加速度积分法测量

作者所在单位基于加速度积分法开发出起重机制动下滑量检测仪，该装置能够在起重机工作时测量出制动器的下滑量。其硬件结构如图2 所示，组成部分有MCU、上位机、加速度计、WiFi模块、存储模块、电源管理模块、时间同步模块等。

图2 装置结构图

MCU 主控模块为STM32 主板，特点是高性能、功耗低，能够接收加速度计信号并进行数据的解析、计算下滑量数据，同时与上位机进行通信，并能对其他传感器的信号进行判定。

加速度计采用电容式微机械传感器，其中MMA8451 数字式三轴加速度计是较佳的一种，特点是低电压、14 位最高精度、QFN 封装，I2C 串行通信协议，能够在起重机吊重工作并进行制动时采集加速度和角速度变化的数据。

WiFi 模块采用ESP8266，工作温度范围大，且能保持稳定的性能，适应各种操作环境，其功能是收发MCU 的数据，接收上位机信号。

上位机由液晶屏、电池、单片机及通讯模块组成，能够通过WiFi 与下位机的主控MCU 进行通信，接收和发送数据，将处理后数据可视化并显示于液晶屏上，还可以输出简单的控制信号发送至与MCU 相连接的WiFi模块，再通过高速串口把数据传给MCU 以控制下位机。

存储模块可以增加下位机主控MCU 的容量，其主要功能为存储加速度计的数据，也通过高速串口与MCU 通信，存储MCU 的处理结果。

时间同步模块由单片机电路以及WiFi 模组组成，通过有线方式与起重机的控制电路连接，记录起重机制动的时间并发送给MCU。

起重机在制动的过程中，通过加速度计采集重物在下降过程及下滑过程中的加速度变化数据，将其传送至下位机主控中心MCU，再由MCU 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。当下位机MCU 计算出下滑结果后，再通过高速串口传送给WiFi 模块，再由WiFi 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［8］。

3.3 测量过程及效果

先将加速度计部件通过胶粘、磁吸等方式，安装于起重机吊钩下面的重物上，启动起重机并将重物升至高处。然后起重机司机操作起升机构将重物缓慢下降，在稳定下降至恰当位置时，将手柄拉回零位或按下停止开关，发送制动指令使起重机制动。此时，MCU 模块接收到时间同步模块的信号，并发出指令控制加速度计开始采集下降制动时的加速度数据；等待起重机完全停止并再过3 s 后，下位机接收上位机发出的停止信号并控制加速度计采集加速度数据，然后将采集到的所有加速度、角速度变化等数据发送至下位机。

将采集的数据送至MCU，然后利用设计好的算法程序进行滤波、消除采样误差和积分处理；处理完毕后，利用WiFi模块通过无线协议将结果发送至上位机；上位机接收数据并将测量结果（制动下滑量）显示于在液晶屏上。

该制动下滑量检测仪能够提高起重机制动下滑量精度，结构简单、安装方便、测量结果在滤波处理、消除误差后较为精确。在下滑量超出标准要求时，要求起重机使用单位及时检修，消除隐患，确保使用安全。