起重機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)測(cè)試研究*

　　周 超 帥 飛 高志柯 李向東

　　江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036

　　摘 要：測(cè)試了三臺(tái)典型起重機(jī)的機(jī)構(gòu)帶載運(yùn)行參數(shù)，獲得了電流、功率和耗電量曲線以及功率因數(shù)和機(jī)構(gòu)效率值，分析對(duì)比了直接驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速三種方式對(duì)運(yùn)行性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明：變頻調(diào)速方式對(duì)抑制尖峰電流和提高功率因數(shù)作用最明顯，對(duì)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的效率提升明顯；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速能抑制一部分尖峰電流，同時(shí)能量反饋機(jī)制能提升機(jī)構(gòu)效率；直接驅(qū)動(dòng)方式使用在要求不高的小型設(shè)備上，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：起重機(jī)；機(jī)構(gòu)；運(yùn)行參數(shù)；測(cè)試

　　中圖分類號(hào)：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）17-0080-05

　　0 引言

　　橋門式起重機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)裝備，依靠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力在三維空間內(nèi)移動(dòng)重物。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括起升機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器和卷筒，使重物上升和下降，運(yùn)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器和車輪，使重物水平移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能和勢(shì)能，通過(guò)測(cè)試和分析輸入的電參數(shù)和輸出的機(jī)械參數(shù)，能夠驗(yàn)證設(shè)計(jì)，獲得機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)、運(yùn)行效率、動(dòng)態(tài)特性[1-4] 等信息，評(píng)估機(jī)構(gòu)的安全性能。

　　本文選取典型的橋門式起重機(jī)產(chǎn)品，在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行帶載試驗(yàn)，測(cè)試機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)電流、功率、消耗電能、功率因數(shù)等參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算機(jī)構(gòu)效率。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，得到機(jī)構(gòu)的一些特性，為起重機(jī)設(shè)計(jì)、選型、評(píng)價(jià)提供參考。

　　1 測(cè)試對(duì)象和測(cè)試方法

　　1.1 測(cè)試對(duì)象

　　電機(jī)是起重機(jī)機(jī)構(gòu)中能量轉(zhuǎn)換的核心部件，按功率要求一般選用鼠籠式和繞線式異步電動(dòng)機(jī)，小功率的運(yùn)行電機(jī)以鼠籠式居多，中大功率的起升電機(jī)以繞線式為主。相應(yīng)的，常用的起動(dòng)調(diào)速方式分為直驅(qū)式（無(wú)調(diào)速）、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速等三種[5]。本次測(cè)試在使用現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取了采用這三種控制方式的起重機(jī)產(chǎn)品各一臺(tái)，主要參數(shù)如表1 所示。

　　1.2 測(cè)試方法

　　測(cè)試所用儀器為一臺(tái)Fluke435-Ⅱ型電能質(zhì)量和能量分析儀，配i400 s 型電流鉗，設(shè)置以25 m/s 的速率采集并記錄機(jī)構(gòu)電機(jī)的輸入電壓、電流、功率、功率因數(shù)和消耗電能等參數(shù)。按照?qǐng)D1 所示接線原理將儀器的電流鉗和電壓鉗接入控制柜，接好后開機(jī)用示波器模式檢查接線無(wú)誤。將待測(cè)起重機(jī)掛好重物，配備專人測(cè)量并記錄各個(gè)機(jī)構(gòu)工況，開始測(cè)試，儀器接線如圖1 所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2 所示。本次試驗(yàn)分別測(cè)試了起升機(jī)構(gòu)帶載上升和下降、大小車機(jī)構(gòu)帶載運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)，如表2 所示。

　　圖1 儀器接線圖

　　圖2 測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

　　2 測(cè)試結(jié)果與分析

　　圖3 ～圖5 為起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)電流（3 相的電流一致，圖中只給出了其中1 相的結(jié)果，下同）、功率和耗電量曲線，圖6 為1 號(hào)設(shè)備小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)電流、功率和耗電量曲線，圖7 和圖8 為2 號(hào)和3 號(hào)設(shè)備大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)電流、功率和耗電量曲線。

　　圖3 1 號(hào)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

　　圖4 2 號(hào)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

　　圖5 3 號(hào)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

　　帶載起升的起動(dòng)瞬間，1 號(hào)和2 號(hào)機(jī)構(gòu)的電流和功率曲線均有明顯的尖峰。1 號(hào)起升電機(jī)為直接起動(dòng)，尖峰電流約為工作電流的3 倍，2 號(hào)起升電機(jī)采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，雖然有尖峰電流，但數(shù)值只為工作電流的1.5倍，起動(dòng)電阻對(duì)尖峰電流的抑制作用明顯。3 號(hào)機(jī)構(gòu)由于采用了變頻驅(qū)動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程電壓和功率曲線逐漸上升，變化較平緩。帶載下降階段，1 號(hào)和2 號(hào)機(jī)構(gòu)功率曲線為負(fù)值，電能 - 時(shí)間曲線也呈下降趨勢(shì)，此時(shí)電機(jī)在負(fù)載的帶動(dòng)下對(duì)外做功。從表2 的工況實(shí)測(cè)值也可以看出，下降時(shí)的速度比額定速度大10% ～ 15%，表明電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)了同步轉(zhuǎn)速，處于回饋發(fā)電狀態(tài)[6]。3 號(hào)機(jī)構(gòu)下降過(guò)程中，起升機(jī)構(gòu)基本不從電源吸收電能，也不對(duì)外做功，只是在下降的初始和結(jié)束時(shí)消耗了少量電能，表明載荷下降時(shí)的位能都消耗在電機(jī)內(nèi)部、制動(dòng)電阻和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損耗上。從電能使用效率角度而言，變頻驅(qū)動(dòng)方式在此工況下沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

　　圖6 1 號(hào)起重機(jī)小車機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

　　由運(yùn)行機(jī)構(gòu)測(cè)試曲線可知，大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程電流和功率值都是波動(dòng)的。圖6 和圖8 中電流和功率曲線呈一定規(guī)律性的波動(dòng)，根據(jù)感應(yīng)電機(jī)機(jī)械特性并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻記錄，分析原因主要是因?yàn)闄C(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)載荷的周期性擺動(dòng)。當(dāng)載荷擺向運(yùn)行方向時(shí)，載荷慣性成為驅(qū)動(dòng)力，機(jī)構(gòu)電機(jī)負(fù)載變小，當(dāng)載荷擺向相反方向時(shí)，載荷慣性成為阻力，機(jī)構(gòu)電機(jī)負(fù)載變大。負(fù)載周期性的變化導(dǎo)致電流和功率也出現(xiàn)周期性變化。圖7 中的電流和功率曲線不但有波動(dòng)，還出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象，分析后得出是因大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)發(fā)生了啃軌或運(yùn)行偏斜等問(wèn)題，運(yùn)行阻力增加，導(dǎo)致電機(jī)功率短時(shí)陡然增加。

　　圖7 2 號(hào)起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

　　圖8 3 號(hào)起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

　　表3 為3 臺(tái)設(shè)備機(jī)構(gòu)電機(jī)的功率因數(shù)。起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載是穩(wěn)定的，功率因數(shù)是定值，而運(yùn)行機(jī)構(gòu)負(fù)載是波動(dòng)的，導(dǎo)致功率因數(shù)也是變化的。從表中可以看出，1號(hào)和2 號(hào)設(shè)備起升過(guò)程電機(jī)功率因數(shù)在0.8 左右，3 號(hào)設(shè)備功率因數(shù)則接近1。可知采用變頻驅(qū)動(dòng)后，功率因數(shù)提高明顯。

　　3 機(jī)構(gòu)效率分析

　　對(duì)上述測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析計(jì)算，可以得到機(jī)構(gòu)的效率η。如前所述，電機(jī)的輸入能為機(jī)構(gòu)的總供給能，電能單位為千瓦時(shí)，換算成機(jī)械能的單位焦耳，則機(jī)構(gòu)總供給能為

　　式中：D 為電能。

　　對(duì)起升機(jī)構(gòu)而言，輸出的有效能為重物的勢(shì)能，即

　　式中：mz 為載荷質(zhì)量，h 為起升的高度。

　　對(duì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)而言，輸出的有效能為動(dòng)能和克服摩擦阻力做功，即

　　式中：μ 為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取值0.006 [7]；mzz 為整

　　機(jī)質(zhì)量和載荷質(zhì)量之和，或?yàn)樾≤囐|(zhì)量和載荷質(zhì)量之和 ；S 為運(yùn)行距離；v 為速度。則起升機(jī)構(gòu)效率為

　　運(yùn)行機(jī)構(gòu)效率為

　　應(yīng)用上述公式處理采集到的數(shù)據(jù)，得到機(jī)構(gòu)的效率，結(jié)果如表4 所示，表中所列效率只包含了起升工況。需要說(shuō)明的是參考文獻(xiàn)[8] 中計(jì)算有效能時(shí)，將起升和下降一同考慮，應(yīng)用這種算法計(jì)算1 號(hào)和2 號(hào)設(shè)備起升機(jī)構(gòu)效率，結(jié)果要比本文研究所得的高很多，因?yàn)橄陆惦A段的能量反饋減小了供給能。從工作循環(huán)的概念考慮，起升和下降可以算一個(gè)過(guò)程，但是從研究的細(xì)致方面和數(shù)據(jù)豐富性考慮，本文將上升和下降過(guò)程分開考慮，且本文的測(cè)試數(shù)據(jù)涵蓋了文獻(xiàn)[8] 的計(jì)算要求。

　　由表4 可知，起升過(guò)程機(jī)構(gòu)效率在70% 左右，且機(jī)構(gòu)是否采用變頻調(diào)速對(duì)結(jié)果無(wú)明顯影響。但是，對(duì)于運(yùn)行機(jī)構(gòu)，特別是大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，采用變頻驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)效率較高，分析是因?yàn)樽冾l驅(qū)動(dòng)方式起制動(dòng)平穩(wěn)，啃軌、運(yùn)行偏斜等現(xiàn)象減少，運(yùn)行阻力明顯減小。

　　4 結(jié)論

　　本文在使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了三臺(tái)典型起重機(jī)的機(jī)構(gòu)帶載運(yùn)行參數(shù)，獲得了電流、功率、耗電量隨時(shí)間變化的曲線，分析對(duì)比了直驅(qū)、串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速三種起動(dòng)方式對(duì)參數(shù)和機(jī)構(gòu)特性的影響，計(jì)算得到了機(jī)構(gòu)效率值。從測(cè)試結(jié)果看，變頻調(diào)速方式對(duì)抑制尖峰電流和提高功率因數(shù)作用最明顯，對(duì)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的效率提升明顯；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的特點(diǎn)是能抑制一部分尖峰電流，同時(shí)能量反饋機(jī)制能提升機(jī)構(gòu)效率；直接驅(qū)動(dòng)方式使用在要求不高的小型設(shè)備上，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

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