起重機機構運行參數(shù)測試研究*

　　周 超 帥 飛 高志柯 李向東

　　江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院 南京 210036

　　摘 要：測試了三臺典型起重機的機構帶載運行參數(shù)，獲得了電流、功率和耗電量曲線以及功率因數(shù)和機構效率值，分析對比了直接驅動、轉子串電阻調速和變頻調速三種方式對運行性能的影響。測試結果表明：變頻調速方式對抑制尖峰電流和提高功率因數(shù)作用最明顯，對大車運行機構的效率提升明顯；轉子串電阻調速能抑制一部分尖峰電流，同時能量反饋機制能提升機構效率；直接驅動方式使用在要求不高的小型設備上，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。

　　關鍵詞：起重機；機構；運行參數(shù)；測試

　　中圖分類號：TH215 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）17-0080-05

　　0 引言

　　橋門式起重機是工業(yè)生產基礎裝備，依靠驅動機構提供動力在三維空間內移動重物。驅動機構包括起升機構、大車運行機構和小車運行機構。起升機構由電機驅動減速器和卷筒，使重物上升和下降，運行機構由電機驅動減速器和車輪，使重物水平移動。驅動機構的功能是將電能轉換成動能和勢能，通過測試和分析輸入的電參數(shù)和輸出的機械參數(shù)，能夠驗證設計，獲得機構的工作狀態(tài)、運行效率、動態(tài)特性[1-4] 等信息，評估機構的安全性能。

　　本文選取典型的橋門式起重機產品，在使用現(xiàn)場進行帶載試驗，測試機構的動態(tài)電流、功率、消耗電能、功率因數(shù)等參數(shù)，進一步計算機構效率。通過對數(shù)據(jù)的分析，得到機構的一些特性，為起重機設計、選型、評價提供參考。

　　1 測試對象和測試方法

　　1.1 測試對象

　　電機是起重機機構中能量轉換的核心部件，按功率要求一般選用鼠籠式和繞線式異步電動機，小功率的運行電機以鼠籠式居多，中大功率的起升電機以繞線式為主。相應的，常用的起動調速方式分為直驅式（無調速）、轉子串電阻調速和變頻調速等三種[5]。本次測試在使用現(xiàn)場隨機抽取了采用這三種控制方式的起重機產品各一臺，主要參數(shù)如表1 所示。

　　1.2 測試方法

　　測試所用儀器為一臺Fluke435-Ⅱ型電能質量和能量分析儀，配i400 s 型電流鉗，設置以25 m/s 的速率采集并記錄機構電機的輸入電壓、電流、功率、功率因數(shù)和消耗電能等參數(shù)。按照圖1 所示接線原理將儀器的電流鉗和電壓鉗接入控制柜，接好后開機用示波器模式檢查接線無誤。將待測起重機掛好重物，配備專人測量并記錄各個機構工況，開始測試，儀器接線如圖1 所示，試驗現(xiàn)場如圖2 所示。本次試驗分別測試了起升機構帶載上升和下降、大小車機構帶載運行工況的數(shù)據(jù)，如表2 所示。

　　圖1 儀器接線圖

　　圖2 測量現(xiàn)場

　　2 測試結果與分析

　　圖3 ～圖5 為起升機構工作時的動態(tài)電流（3 相的電流一致，圖中只給出了其中1 相的結果，下同）、功率和耗電量曲線，圖6 為1 號設備小車運行機構的動態(tài)電流、功率和耗電量曲線，圖7 和圖8 為2 號和3 號設備大車運行機構的動態(tài)電流、功率和耗電量曲線。

　　圖3 1 號起重機起升機構運行參數(shù)

　　圖4 2 號起重機起升機構運行參數(shù)

　　圖5 3 號起重機起升機構運行參數(shù)

　　帶載起升的起動瞬間，1 號和2 號機構的電流和功率曲線均有明顯的尖峰。1 號起升電機為直接起動，尖峰電流約為工作電流的3 倍，2 號起升電機采用轉子串電阻調速，雖然有尖峰電流，但數(shù)值只為工作電流的1.5倍，起動電阻對尖峰電流的抑制作用明顯。3 號機構由于采用了變頻驅動，起動過程電壓和功率曲線逐漸上升，變化較平緩。帶載下降階段，1 號和2 號機構功率曲線為負值，電能 - 時間曲線也呈下降趨勢，此時電機在負載的帶動下對外做功。從表2 的工況實測值也可以看出，下降時的速度比額定速度大10% ～ 15%，表明電機轉速超過了同步轉速，處于回饋發(fā)電狀態(tài)[6]。3 號機構下降過程中，起升機構基本不從電源吸收電能，也不對外做功，只是在下降的初始和結束時消耗了少量電能，表明載荷下降時的位能都消耗在電機內部、制動電阻和傳動機構損耗上。從電能使用效率角度而言，變頻驅動方式在此工況下沒有優(yōu)勢。

　　圖6 1 號起重機小車機構運行參數(shù)

　　由運行機構測試曲線可知，大小車運行機構整個運行過程電流和功率值都是波動的。圖6 和圖8 中電流和功率曲線呈一定規(guī)律性的波動，根據(jù)感應電機機械特性并結合現(xiàn)場視頻記錄，分析原因主要是因為機構運行時載荷的周期性擺動。當載荷擺向運行方向時，載荷慣性成為驅動力，機構電機負載變小，當載荷擺向相反方向時，載荷慣性成為阻力，機構電機負載變大。負載周期性的變化導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，還出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象，分析后得出是因大車運行機構發(fā)生了啃軌或運行偏斜等問題，運行阻力增加，導致電機功率短時陡然增加。

　　圖7 2 號起重機大車機構運行參數(shù)

　　圖8 3 號起重機大車機構運行參數(shù)

　　表3 為3 臺設備機構電機的功率因數(shù)。起升機構的負載是穩(wěn)定的，功率因數(shù)是定值，而運行機構負載是波動的，導致功率因數(shù)也是變化的。從表中可以看出，1號和2 號設備起升過程電機功率因數(shù)在0.8 左右，3 號設備功率因數(shù)則接近1?？芍捎米冾l驅動后，功率因數(shù)提高明顯。

　　3 機構效率分析

　　對上述測試的數(shù)據(jù)進一步分析計算，可以得到機構的效率η。如前所述，電機的輸入能為機構的總供給能，電能單位為千瓦時，換算成機械能的單位焦耳，則機構總供給能為

　　式中：D 為電能。

　　對起升機構而言，輸出的有效能為重物的勢能，即

　　式中：mz 為載荷質量，h 為起升的高度。

　　對運行機構而言，輸出的有效能為動能和克服摩擦阻力做功，即

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

　　機質量和載荷質量之和，或為小車質量和載荷質量之和 ；S 為運行距離；v 為速度。則起升機構效率為

　　運行機構效率為

　　應用上述公式處理采集到的數(shù)據(jù)，得到機構的效率，結果如表4 所示，表中所列效率只包含了起升工況。需要說明的是參考文獻[8] 中計算有效能時，將起升和下降一同考慮，應用這種算法計算1 號和2 號設備起升機構效率，結果要比本文研究所得的高很多，因為下降階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過程，但是從研究的細致方面和數(shù)據(jù)豐富性考慮，本文將上升和下降過程分開考慮，且本文的測試數(shù)據(jù)涵蓋了文獻[8] 的計算要求。

　　由表4 可知，起升過程機構效率在70% 左右，且機構是否采用變頻調速對結果無明顯影響。但是，對于運行機構，特別是大車運行機構，采用變頻驅動的機構效率較高，分析是因為變頻驅動方式起制動平穩(wěn)，啃軌、運行偏斜等現(xiàn)象減少，運行阻力明顯減小。

　　4 結論

　　本文在使用現(xiàn)場測試了三臺典型起重機的機構帶載運行參數(shù)，獲得了電流、功率、耗電量隨時間變化的曲線，分析對比了直驅、串電阻調速和變頻調速三種起動方式對參數(shù)和機構特性的影響，計算得到了機構效率值。從測試結果看，變頻調速方式對抑制尖峰電流和提高功率因數(shù)作用最明顯，對大車運行機構的效率提升明顯；轉子串電阻調速的特點是能抑制一部分尖峰電流，同時能量反饋機制能提升機構效率；直接驅動方式使用在要求不高的小型設備上，具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。

　　參考文獻

　　[1] 張進，馮雙昌，吳峰崎. 岸邊集裝箱起重機能耗測試與分析[J]. 起重運輸機械，2014(6)：81-83.

　　[2] 李濤，魯衛(wèi)濤，王振杰，等. 塔式起重機電能耗測試分析[J]. 建筑機械化，2015(8)：56-58.

　　[3] 李向東，周超，陳序，等. 起重機械能效評價基準與實驗研究[J]. 建筑機械，2019(8)：47-50.

　　[4] 萬安定，劉麗萍. 基于轉子槽諧波的感應電機無傳感器測速方法研究[J]. 動力系統(tǒng)與控制，2013(2)：63-68.

　　[5] 傅德源. 實用起重機電氣技術手冊（第2 版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

　　[6] 唐介. 電機與拖動[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

　　[7] GB/T 30223 － 2013 起重機械用電力驅動運行機構能效測試方法[S].

　　[8] GB/T 30222 － 2013 起重機械用電力驅動起升機構能效測試方法[S].