刘培广1 吴振华1 黄元猛2 黄 川2

1 中国特种设备检测研究院 北京 100029 2 广西建工集团建筑机械制造有限责任公司 南宁 530299

摘 要：文中对施工升降机防坠安全器制动过程中的加速度进行了测试，并对测试的加速度进行了数据处理，得到了制动速度和制动距离。

在对加速度数据处理过程中，探讨了最佳低通滤波频率，辨识了防坠安全器的动作点，提出来零起零落和零轴震荡的数据处理原则，根据此原则对数据进行了零点的调整、数据的截取、趋势的消除，得到了比较满意的结果。

关键词：施工升降机；防坠安全器；坠落试验；制动距离；加速度

中图分类号：TH211+.6：TU61 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）24-0076-07

0 引言

防坠安全器是施工升降机安全保护系统中的安全控制部件之一[1-3]。

当施工升降机在运行中，如果发生超速，甚至坠落，则防坠安全器开始动作，使施工升降机轿厢停住。

图1 为广泛应用在齿条施工升降机的防坠安全器的结构组成，锥形壳体（外锥体）与底座通过螺栓安装在吊笼上，如图2 所示。

1. 铜螺母 2. 安全开关 3. 锥形壳体（外锥体） 4. 离心块座 5. 小齿轮 6. 压簧片 7. 离心块 8. 锥形铁芯（内锥体） 9. 蝶形压缩弹簧

图1 防坠安全器结构示意图

图2 防坠安全器的安装图

防坠安全器的工作原理：当施工升降机吊笼正常运行时，齿轮轴的小齿轮5 与升降机上的齿条啮合，齿轮轴随之转动。

吊笼在额定速度内向下运行时，离心块7在压簧片6 弹簧力的作用下与齿轮轴上的离心块座4 紧贴在一起。

离心块7、齿轮轴与离心块座4 一起在内锥体8 内空转。

当吊笼向下运行速度超出额定速度时，离心块7 克服弹簧力6 的作用向外甩出，离心块的尖端与内锥体8 内表面的凸缘接触，并带动内锥体8 一起旋转，装在内锥体8 轴端的铜螺母1 随之做轴向移动。

所以当内锥体旋转时，铜螺母1 便向内移动而压紧碟形弹簧9。

装在内锥体轴端的铜螺母1 做轴向移动，带动内锥体向左移动，由于内外锥体有锥度，内外锥体摩擦面的压紧力随之逐渐增大，摩擦力即制动力矩也逐渐加大，直至吊笼停止运行，从而达到平稳制动目的。

在制动过程中，安全开关2 动作，自动切断吊笼升降驱动装置的动力电源。

根据GB/T 34025—2017《施工升降机用齿轮渐进式防坠安全器》的相关检测要求，防坠安全器性能参数检测中最重要的是对制动距离的测量。

目前，防坠安全器的现场检测主要是采用游标卡尺测量指示销的位移量（即蝶形弹簧的位移量），然后通过相关计算公式计算制动距离[4]。

这种方法容易产生人为误差。

根据防坠安全器的内部结构组成可知，在防坠安全器锥毂动作的过程中，锥毂会发生偏心运动，且具有随机性，指示销的位置会因此发生偏转，因此，难以准确测量指示销的位移量，从而影响测量结果的准确性。

且这种检测方法只能得到制动距离，无法得到制动时的动作速度和最大加速度，也就无法判断紧急制动过程能否保证人员的安全[5-7]。

为解决上述传统方法存在的问题，需要采用新的测量方法进行测量，从而精确且方便地得到制动距离和制动动作速度，文中基于加速度测试，提出了一种施工升降机防坠安全器制动距离的测试方法，并探讨了其数据处理的方法。

1 坠落试验

1.1 施工升降机基本情况

施工升降机额定起重量为2 000 kg，额定起升速度为0 ～ 46 m/min，吊笼质量为1 200 kg，吊笼净空尺寸( 长× 宽× 高) 为3 200 mm×1 500 mm×2 400 mm，防坠安全器型号：SAJ40-1.2、SAJ50-2.0，防坠安全器额定动作速度为西梯1.0 m/s，东梯1.35 m/s。

试验设备安装在工厂的试车场，附着在一台塔机的塔架上，高度为25 m，如图3、图4 所示。

为了方便试验，施工升降机的立柱的左右两侧安装2 台施工升降机，本次试验对这2 台施工升降机同时进行了测试。

图3 施工升降机附着塔式起重机

图4 东西2 台施工升降机

1.2 施工升降机坠落试验分析

一般的坠落试验过程为：吊笼上升3 ～ 10m 停住，然后揿压坠落按钮，使制动器通电打开，吊笼在自重的作用下向下溜车并逐渐加速，当吊笼的速度达到防坠安全器的动作速度时，防坠安全器动作，吊笼逐渐被制动并停止，然后测量防坠安全器上的碟形弹簧的压缩量，并根据防坠安全器上压紧螺母的螺距和小齿轮的节圆直径计算出制动距离。

本次坠落试验预先将超速开关短接，取消超速开关对制动器的控制作用，吊笼完全由防坠安全器制动和停止。

1.3 坠落试验步骤

1) 切断主电源，将电气箱开关转至安装检修位置；

2) 装入试验电缆，并将电缆接到吊笼电气箱内标有坠落试验的接线座上；

3) 把试验电缆、按钮盘和电缆放到合适的位置，要确保坠落试验时，电缆不会被卡住；

4) 吊笼加上额定载荷后，按通主开关，按下试验电缆按钮盒上向上按钮，使吊笼底部离地面约10 m；

5) 按下有坠落试验标记的按钮，不要松手，此时电动机电磁制动器松闸，吊笼即向下坠落，当坠落速度达到防坠安全器标定动作时安全器立即动作，从而将吊笼制停在导轨架上。

1.4 坠落试验记录仪器

本次施工升降机的坠落试验记录仪是采用TDR6.1遥测加速度仪。

TDR 遥测加速度仪适用于测点多、分布远、布线难的测试环境下的数据采集和分析，具有高可靠性。

2 试验数据的处理

理论上，用加速度可测得吊笼的实时加速度a(t)，对加速度积分一次，可得到速度

实际存在有很多影响因素致使误差增大，甚至无法进行。

文中主要阐述3 方面误差：

1）零点漂移所带来的积分误差 由于加速度传感器存在不可消除的零点漂移，零点漂移有两种含义：加速度是零时，加速度计输出不为零；随着记录时间的增长，原来的零位发生变化，在零漂移的数据上做积分，导致积分累积效应。

2）噪声信号所带来的误差 噪声信号所带来的是比较难判断的，一般是通过滤波来处理，但任何滤波都会对数据造成损失，需要很强的数据处理经验和处理技巧做支撑。

3）积分的初始值带来的影响 加速度和速度的初始值不为零同样会造成积分的累积效应，带来很大的误差。

2.1 数据前处理

本次数据处理采用DDP 动态信号处理软件，该软件是与数据采集配套的软件。

图5 是东边施工升降机的坠落加速度数据图。

红线的处理过程为调零+ 反向+ 滤波后的曲线，蓝线的处理过程为调零+ 反向+ 平移。

1）调零 目的是消除加速度计中包含的重力加速度。

加速度计测试的加速度包含了重力加速度g，不是吊笼的运动加速度。

调零就是为了消除这个重力加速度，调零后剩下的就是吊笼的运动加速度，可以通过时域积分得到速度，再积分就得到位移。

2）反向处理 由于加速度计安装是倒立安装的，再进行一次反向，可得到吊笼的真实加速度。

3）蓝线的平移 因为滤波后，数据发生了相位偏移，可根据两个图像中的关键点的时间差，对蓝线进行了平移，方便对照比较。

图5 东梯防坠试验加速度曲线

2.2 数据的滤波处理

为了消除噪声信号所带来的的误差，需要对采集的加速度信号进行滤波处理。

本次采用巴特沃斯（Butterworth filter）滤波处理器进行滤波。

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，在阻频带则逐渐下降为零。

滤波阶数为五阶，低截止频率为6 Hz，滤波类型为低通。

文中研究不同低通滤波频率对滤波效果的影响，如图6 和图7 所示，本次试验选择低通滤波频率的原则是既要尽量平滑，也要接近实际震动频率和趋势。

6 Hz 低通滤波最接近实际震动特点，如图5 的叠加图所示。

图6 1 Hz、3 Hz、5 Hz 低通滤波加速度曲线叠加

图7 5 Hz、7 Hz、10 Hz 低通滤波加速度曲线叠加

研究加速度原始数据的振荡频率，确定实际所需低通频率滤波值，以实现既平滑且能保住重要特征不失真。

如图8 所示，将下落过程中加速过程的震荡峰值点和峰谷点标注出来，求出周期的平均时间T=0.178 s，震荡周期f=1/T=5.62 Hz。

因此，为使滤波的数据不失真，滤波频率应该大于5.62 Hz。

故确定最佳的低通滤波频率为6 Hz 滤波。

将5 Hz 滤波与6 Hz 滤波进行比较，如图8、图9 所示，2 组数据比较如表1 所示。

图8 原始加速度震荡频率

图9 5 Hz、6 Hz 滤波叠加

从表1 可看出，滤波的频率对滤波结果影响显著。

故后文的数据处理都采用6 Hz 的滤波结果。

2.3 坠落试验加速度及其解读

通过上述处理得到坠落试验的加速度，如图10 所示。

图10 是东梯坠落试验加速度曲线通过6 Hz 滤波处理后的加速度曲线，从O 点到A 点，施工升降机的吊笼匀速缓慢上升，到达指定高度后减速。

由于试验的施工升降机采用变频调速控制，可以做到零速制动。

因此，A 点的速度基本减到0 m/s。

然后开始坠落，从A 点到B 点，电机的作用力迅速减到零，失去电机的作用力后，从B 点到C 点，吊笼做类似自由落体的加速坠落，这时自由落体的加速度约为－ 0.15g ～－ 0.3g。

完全自由落体的加速度应该是－ g，造成本次试验不为完全自由落体运动的因素有3 个：1）摩擦阻力；2）传动系统没有从齿条上脱开，现在变成了反传动，把自由落体运动的势能，变成了传动系统的转动动能；3）防坠系统的运动，也将自由落体的势能变成了动能。

从C 点到F 点，防坠安全器开始起作用，从F 点到G 点内外锥体边旋转边挤压，提供很大的制动力矩，从G 点到D 点随着内外锥体的进一步挤压，制动力矩到H 点再到E 点，吊笼的制动加速度迅速降低为零（H点），并向反向震动。

图10 6 Hz 低通滤波加速度

图11 6 Hz 低通滤波加速度大图

2.4 数据截断处理

为了求得坠落试验的速度和位移，我们必须从图11 上截取一部分，对其进行积分得到速度。

但对于截取哪部分，因为没有相关文献可以参考，文中对此进行了简单的研究。

不论是速度还是加速度，数据截取都遵循零起零落，即速度或加速度须从零开始最终回到零。

截取的加速度数据，起点均是从A 点开始，终点有B、C、D 等3 个点：B 点是制动加速度从最高点快速回归到零的那一点；C 点的确定原则参考类自由落体的震荡E 区加速度的振幅，在加速度达到最大值后，后面的震荡区振幅小于E 区振幅第一次穿过零轴的时刻；D 点为加速度基本趋零的点。

截取点的数据如表2 所示。

图12 是AB、AC、AD 3 种截取方法积分的速度图的叠加（南宁地区重力加速度值采用9.801 5 m/s2）

图12 AB 、AC 、AD 截断速度叠加图

从图12 可以看出，AB、AC、AD 截断速度曲线是完全重叠的，只有截取的终点不一样。

为了方便起见，选取AC 段数据进行处理。

AB 段太短，不容易看清后面的震荡区域是否在零轴上下震荡；AD 段数据太多，处理起来不方便。

但从总体上看，这种数据处理流程还不是非常理想，图上虽然有零起零落点，但后面的震荡区明显有漂移，震荡区应该围绕零轴上下震荡才理想。

2.5 数据处理的原则

数据处理的原则就是要保证加速度和速度零起零落和零轴震荡。

即刚开始是零，制动结束后在零轴上下震荡衰减，最后回到零位。

加速度传感器存在不可消除的零点漂移，会导致积分累积效应。

而且漂移有2 种，一是不归零，即加速度为零时，加速度计输出不为零，另一种是零漂，零点会随记录时间的增长，漂移了原来的零位。

通常，零漂会有一个趋势。

这些都会导致积分的累积效应，产生很大的系统误差。

为了得到较为准确的处理结果，文中进行了三次调零处理，整体调零、局部调零和趋势消除。

调零的主要原则是控制加速度和速度零起零落和零轴震荡，使最后得到的位移是恒定值。

2.6 数据处理结果

文中给出2 种处理数据方法所得到的结果，分别为采用6 Hz 滤波和未滤波，并对这2 种方法得到的结果进行比较。

图13 为6 Hz 滤波与原始加速度叠加图，这里的加速度已经经过了调零处理，积分一次就能得到速度。

图12 为6 Hz 滤波与未滤波所得到速度叠加图，大部分速度曲线的重叠度较好，只在最大速度时，局部未滤波的速度曲线有较大的波动。

图15 是6 Hz 滤波与未滤波所得到位移叠加图，大部分速度曲线重叠度较好，最大位移值误差0.75%，误差很小，说明采用6 Hz 滤波是可行的。

图13 6 Hz 滤波与原始加速度叠加图

图14 6 Hz 滤波与不滤波速度叠加图

图15 6 Hz 滤波与不滤波位移叠加图

根据速度图和位移图，并结合加速度图，识别出防坠安全器的动作速度、制动距离等重要的参数。

按照JG121—2000《施工升降机齿轮锥鼓形渐进式防坠安全器》定义，制动距离是安全器开始动作到防护目标被制动停止时，防护目标所移动的距离[8]。

为了判断安全器开始动作的时间，文中将东梯和西梯2 部施工升降机的加速度图叠加在一起分析，发现在防坠安全器动作前，加速度都有一个向下冲击的瞬间（如图16 中的A 点和B 点），然后开始急剧减速。

图16 东梯和西梯加速度叠加图

将东梯的加速度图局部放大，在放大的加速度图17 上有4 个关键点，其特征分析如表3 所示。

图17 加速度图上防坠安全器动作瞬间辨识

表3 黑体字数据是采用东梯数据的处理结果，制动速度为1.31 m/s，额定速度3.5 m/s，误差3%，制动距离为0.722 m，都符合JG121—2000《齿轮锥鼓形渐进式防坠安全器》的要求。

3 结论

通过本次试验研究可得出以下结论：

1）用加速度计测量加速度，通过数据处理的方法能得到防坠安全器的动作速度和制动距离；

2）最佳的低通滤波频率为6 Hz 滤波；

3）数据截断对最后的数据处理结果不产生的影响，但要考虑后续数据处理的方便性，可选取在加速度达到最大值后，后面的震荡区振幅小于取类自由落体震荡区的振幅后，第一次穿过零轴的时刻；

4）为了消除零漂的影响，加速度在积分之前，要进行调零处理，调零的原则是控制加速度和速度零起零落和零轴震荡；

5）安全器开始动作的瞬间，就是防坠安全器开始起制动作用的瞬间；

6）制动速度和制动距离符合JG121—2000《齿轮锥鼓形渐进式防坠安全器》的要求。

参考文献

[1] Hong-Kong Electrical and Mechanical Services Department. Code of practice on the Design and construction of builder's lifts [S].

[2] ANSI A10.4—1981 Safety requirements for personnel hoists and employee elevators for construction and decorationoperations [S].

[3] ASME B30.23—1998 升降机[S].

[4] 蕾晓东，周凤台. 防坠安全钳的现场落试验方法[J]. 建筑机械，1998(11)：28-31.

[5] GB 10055—2007 施工升降机安全规则[S].

[6] SAA CRANE CODE-AS1418.7—1988 Builders' hoists and equipment[S].

[7] BS4465: 1969 Design and construction of electric hoists for both passengers and materials[S].

[8] JG121—2000 齿轮锥鼓形渐进式防坠安全器[S].

标签：加速度安全