基于能效測(cè)試的綜合電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)研制

撰文/汪洋王國(guó)防，2

■1. 450004 河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院 河南 鄭州■2. 450001 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河南 鄭州

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基于能效測(cè)試的綜合電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)研制

撰文/汪洋1王國(guó)防1，2

■1. 450004 河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院 河南 鄭州
■2. 450001 鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河南 鄭州

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀分析，并結(jié)合國(guó)家對(duì)電動(dòng)葫蘆能效的要求，在改進(jìn)現(xiàn)有電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)不足的基礎(chǔ)上增加能效測(cè)試的手段，使試驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)國(guó)家安全技術(shù)規(guī)范和相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的全項(xiàng)目試驗(yàn)。電動(dòng)葫蘆；能效測(cè)試；試驗(yàn)臺(tái)

電動(dòng)葫蘆由于其結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕、效率高、操作簡(jiǎn)便，而廣泛應(yīng)用于工廠(chǎng)、港口、倉(cāng)庫(kù)、貨場(chǎng)等場(chǎng)所，其可以單獨(dú) 使用，亦可安裝于起重機(jī)的橋架上作為起重機(jī)的起重小車(chē)。而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電動(dòng)葫蘆的應(yīng)用對(duì)其要求越來(lái)越高，集約化、模塊化、高性能、大型化［1］的電動(dòng)葫蘆開(kāi)始在市場(chǎng)上被應(yīng)用。

電動(dòng)葫蘆作為獨(dú)立的起重設(shè)備或起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)，其使用的安全性關(guān)系到國(guó)家和人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全，由于吊物形狀多樣、載荷多變、運(yùn)行范圍大、活動(dòng)空間廣、以及工作環(huán)境復(fù)雜等原因?qū)е码妱?dòng)葫蘆使用過(guò)程中事故頻發(fā)，因此對(duì)于電動(dòng)葫蘆不論是新研發(fā)產(chǎn)品還是定型產(chǎn)品常規(guī)生產(chǎn)，國(guó)家都要求按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能檢驗(yàn)。

根據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)在每制造100臺(tái)起重機(jī)就有75～80臺(tái)是以電動(dòng)葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)的，因?yàn)槠淦毡槭褂茫芎那闆r也開(kāi)始越來(lái)越引起人們的重視，隨著GB/T 30028-2013《電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試方法》的出臺(tái)與實(shí)施，能效測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

我國(guó)電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀

在對(duì)國(guó)內(nèi)電動(dòng)葫蘆制造廠(chǎng)家及第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行考察的基礎(chǔ)上分析目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)葫蘆發(fā)展現(xiàn)狀的，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)普遍存在不能滿(mǎn)足電動(dòng)葫蘆標(biāo)準(zhǔn)及安全技術(shù)規(guī)范對(duì)電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)和測(cè)試的要求。具體存在以下三個(gè)問(wèn)題：

a結(jié)構(gòu)單一，不能滿(mǎn)足新型電動(dòng)葫蘆研發(fā)的需要

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)型式大部分采用兩根五邊形梁的型式，梁的下部分別采用不同型號(hào)的工字鋼，以滿(mǎn)足CD1、HC兩種型式的懸掛式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)，梁的上部加裝軌道，滿(mǎn)足雙梁小

圖1　新型框架結(jié)構(gòu)電動(dòng)葫蘆

車(chē)式電動(dòng)葫蘆的試驗(yàn)需要。由于新型框架結(jié)構(gòu)的電動(dòng)葫蘆（見(jiàn)圖1）開(kāi)始被廣泛采用，其結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電動(dòng)葫蘆比較，兩者之間發(fā)生了很大的變化，這種結(jié)構(gòu)單一的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)已不能滿(mǎn)足新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)的需要，雖然有些廠(chǎng)家為滿(mǎn)足生產(chǎn)對(duì)于試驗(yàn)要求的需要，新研制了適用于部分新型電動(dòng)葫蘆的試驗(yàn)臺(tái)，由于其生產(chǎn)的局限性，亦不能滿(mǎn)足更多結(jié)構(gòu)型式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)的需要，同時(shí)兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)也造成了浪費(fèi)。

b功能不完善，試驗(yàn)項(xiàng)目不能全覆蓋

國(guó)內(nèi)大部分的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)都不能進(jìn)行電動(dòng)葫蘆爬坡試驗(yàn)，只有極少能進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，采用的試驗(yàn)方法是反向加力法，這種方法雖然在一定程度能滿(mǎn)足試驗(yàn)?zāi)康牡囊?，但其存在的?wèn)題也是顯而易見(jiàn)的。

根據(jù)考察的情況，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)一家的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)能進(jìn)行電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試。

c試驗(yàn)方法落后

在考察的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大部分的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)在很多參數(shù)的測(cè)定仍采用傳動(dòng)鋼卷尺、秒表之類(lèi)的傳統(tǒng)測(cè)試手段，這種手段不僅效率低下，而且測(cè)量精度難以保證，試驗(yàn)人員在高空作業(yè)自身安全更是難以保證。

綜合電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)電動(dòng)葫蘆安全技術(shù)規(guī)范和相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電動(dòng)葫蘆出廠(chǎng)檢驗(yàn)和型式試驗(yàn)的要求的分析和解讀，一個(gè)滿(mǎn)足電動(dòng)葫蘆綜合性能試驗(yàn)、能效測(cè)試、壽命試驗(yàn)和安全保護(hù)裝置試驗(yàn)全部項(xiàng)目的綜合試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)型式的鋼絲繩電動(dòng)葫蘆和環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆進(jìn)行試驗(yàn)，且試驗(yàn)功能完備，應(yīng)能夠?qū)γ糠N類(lèi)型和結(jié)構(gòu)型式的電動(dòng)葫蘆標(biāo)準(zhǔn)及安全技術(shù)規(guī)范要求的所有項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)對(duì)電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用先進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程智能化。

圖2　電動(dòng)葫蘆結(jié)構(gòu)圖

a試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮電動(dòng)葫蘆結(jié)構(gòu)的變化。及方便試驗(yàn)的要求，提出試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的變化。主要有以下四點(diǎn)：

①?gòu)某Ｒ?guī)的雙梁結(jié)構(gòu)變?yōu)槿航Y(jié)構(gòu)及軌道；

試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三梁結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），三根梁均設(shè)置有運(yùn)行機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)不同軌距的雙梁小車(chē)式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)，而且可以方便從梁下面吊裝被試驗(yàn)電動(dòng)葫蘆上試驗(yàn)臺(tái)，運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)置有鎖定裝置，可以在試驗(yàn)時(shí)鎖定兩梁之間的距離，保證小車(chē)軌距不變。三根梁均設(shè)計(jì)成箱型梁，左邊下翼緣為寬翼緣機(jī)構(gòu)，適應(yīng)新型框架結(jié)構(gòu)懸掛式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)，中間和右邊梁設(shè)計(jì)成箱型梁加工字鋼結(jié)構(gòu)，兩根截面和工字鋼設(shè)計(jì)成相同的大小，兩工字鋼梁同時(shí)使用可以試驗(yàn)小車(chē)懸掛式電動(dòng)葫蘆，對(duì)于不同起重量的國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)懸掛式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)，才采用專(zhuān)用電動(dòng)葫蘆懸掛小車(chē)進(jìn)行。梁的上翼緣板上加裝P24輕型軌道，可適應(yīng)不同車(chē)輪踏面的雙梁小車(chē)式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)。

②為爬坡試驗(yàn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的坡度調(diào)整裝置；

在每根梁的一端設(shè)置有液壓千斤頂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整一端梁的高度使梁產(chǎn)生1/200的坡度來(lái)完成電動(dòng)葫蘆的爬坡試驗(yàn)，解決目前國(guó)內(nèi)大部分試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法進(jìn)行爬坡測(cè)試的難題。（配圖）

③吊裝裝置及轉(zhuǎn)運(yùn)平車(chē)（見(jiàn)圖2的電動(dòng)平車(chē)）

為方便雙梁小車(chē)式電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)時(shí)吊裝，又不增加實(shí)驗(yàn)室車(chē)間的高度，在試驗(yàn)臺(tái)下方加裝一臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)平車(chē)，試驗(yàn)時(shí)首先把平車(chē)開(kāi)到試驗(yàn)臺(tái)外，把電動(dòng)葫蘆吊裝到平車(chē)上開(kāi)進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)，移動(dòng)試驗(yàn)梁，使用起重機(jī)把電動(dòng)葫蘆吊起，高度高于試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整兩梁的距離到被試驗(yàn)電動(dòng)葫蘆小車(chē)軌距的尺寸后固定主梁的位置，然后把被試驗(yàn)電動(dòng)葫蘆放置在試驗(yàn)臺(tái)上。

④方便試驗(yàn)及操作人員的工作平臺(tái)（見(jiàn)圖2的工作平臺(tái)）

增加可以活動(dòng)的工作平臺(tái)既可以方便對(duì)被試驗(yàn)葫蘆接線(xiàn)，又方便試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行調(diào)整以及查看被試驗(yàn)電動(dòng)葫蘆的工作狀況，安全且方便。

b試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗(yàn)要求的需要，集成先進(jìn)的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)搭建了智能型電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試控制系統(tǒng)。該試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC、A/D模塊、D/A模塊、測(cè)試傳感器及各種電參數(shù)表組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

系統(tǒng)的控制中心為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，各類(lèi)參數(shù)通過(guò)不同的傳感器和儀器測(cè)得相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信號(hào)，傳輸?shù)絇LC、測(cè)試裝置、信號(hào)處理裝置和信號(hào)調(diào)理裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)的后處理，最后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)一處理和記錄。

②硬件設(shè)計(jì)

拉繩式位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩縛在移動(dòng)物體上。拉繩直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，拉繩伸展和收縮。一個(gè)內(nèi)部彈簧保證拉繩的張緊度不變。帶螺紋的輪轂帶動(dòng)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號(hào)。測(cè)量輸出信號(hào)可以得出運(yùn)動(dòng)物體的位移、方向或速率。

③電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試的實(shí)現(xiàn)方法

測(cè)試環(huán)境

為了給電動(dòng)葫蘆能效測(cè)試提供提供一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境，對(duì)供電系統(tǒng)提供的三相電壓，需經(jīng)過(guò)獨(dú)立三相穩(wěn)壓調(diào)壓器，每相電壓粗調(diào)整到額定值，為后級(jí)提供一個(gè)三相電壓基本一致的輸出，然后把調(diào)壓后的電源輸入三相有源濾波器進(jìn)一步調(diào)整正弦波電壓，糾正波形畸變，消除諧波，為能效測(cè)試提供一個(gè)接近理想電源的供給供電電力。

測(cè)試方法

根據(jù)能效測(cè)試的方法，擬定兩種測(cè)試方案，方案系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖4.1和圖4.2。

方案1分別通過(guò)電參數(shù)表和激光傳感器獲取供給能和起升高度的參數(shù)值，其系統(tǒng)原理圖（如圖4.1所示）。

方案2分別通過(guò)功率計(jì)和激光接收器獲取供給能和起升高度的參數(shù)值，其系統(tǒng)原理圖（如圖4.2所示）。

圖4.1　方案1能效測(cè)試系統(tǒng)原理圖

通過(guò)對(duì)以上兩種測(cè)試方案進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，采用方案1進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電參數(shù)表連續(xù)測(cè)量整個(gè)上升過(guò)程的功率和電能，包含電動(dòng)葫蘆啟動(dòng)過(guò)程的功率和電能測(cè)量。由于啟動(dòng)過(guò)程中供電電壓會(huì)跌落，使得電動(dòng)葫蘆的電源環(huán)境不易控制。

采用電度表連續(xù)測(cè)量功。對(duì)能效的測(cè)量過(guò)程是：在起升過(guò)程中，排除起升初期的1秒啟動(dòng)階段。因?yàn)閱?dòng)階段功的消耗與供電系統(tǒng)有關(guān)。在穩(wěn)定起升階段測(cè)量消耗的功，同時(shí)計(jì)算出起升速度與載荷的數(shù)值，由此計(jì)算出此階段電動(dòng)葫蘆入功與出功之比。

能效測(cè)量的測(cè)量方式中，砝碼在升降過(guò)程中的晃動(dòng)和偏轉(zhuǎn)會(huì)引起測(cè)量誤差，減低了測(cè)量精度，采用對(duì)射激光傳感器精確測(cè)量起升高度會(huì)排除測(cè)量砝碼高度誤差。

圖5　方案1能效測(cè)試采集數(shù)據(jù)時(shí)序圖

圖5　方案2能效測(cè)試采集數(shù)據(jù)時(shí)序圖

結(jié)論

電動(dòng)葫蘆作為一種起重設(shè)備，其失效后的后果主要是重物墜落，易造成人員傷亡和財(cái)物的損失，因此要保證電動(dòng)葫蘆使用的安全，除了用戶(hù)在使用過(guò)程中做好安全管理、按章操作外，在電動(dòng)葫蘆設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中亦應(yīng)不斷提升電動(dòng)葫蘆產(chǎn)品的本質(zhì)安全性能，同時(shí)使操作更加人性化。而對(duì)于制造出來(lái)的電動(dòng)葫蘆能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使用和安全性能的要求，按照國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試是十分必要的，而滿(mǎn)足試驗(yàn)和測(cè)試要求的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)是試驗(yàn)和測(cè)試進(jìn)行必要條件，能進(jìn)行能效測(cè)試的電動(dòng)葫蘆試驗(yàn)臺(tái)不僅是滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能的需要，更是順應(yīng)電動(dòng)葫蘆節(jié)能降耗，產(chǎn)品更新?lián)Q代的需要。

基金項(xiàng)目：本文為河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為：132109000010

作者簡(jiǎn)介：

汪洋（1960-），男，本科，高級(jí)工程師，從事特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究。