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：測試了三臺典型起重機(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，分析對比了直接驅(qū)動、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速三種方式對運(yùn)行性能的影響。測試結(jié)果表明：變頻調(diào)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(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。

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

　　中圖分類號：TH215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)動機(jī)構(gòu)提供動力在三維空間內(nèi)移動重物。驅(qū)動機(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)動減速器和車輪，使重物水平移動。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的功能是將電能轉(zhuǎn)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(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、動態(tài)特性[1-4] 等信息，評估機(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)場進(jìn)行帶載試驗(yàn)，測試機(jī)構(gòu)的動態(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。通過對數(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、評價(jià)提供參考。

　　1 測試對象和測試方法

　　1.1 測試對象

　　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，常用的起動調(diào)速方式分為直驅(qū)式（無調(diào)速）、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速等三種[5]。本次測試在使用現(xiàn)場隨機(jī)抽取了采用這三種控制方式的起重機(jī)產(chǎn)品各一臺，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(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(jī)用示波器模式檢查接線無誤。將待測起重機(jī)掛好重物，配備專人測量并記錄各個(gè)機(jī)構(gòu)工況，開始測試，儀器接線如圖1 所示，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖2 所示。本次試驗(yàn)分別測試了起升機(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 測量現(xiàn)場

　　2 測試結(jié)果與分析

　　圖3 ～圖5 為起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)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(jié)果，下同）、功率和耗電量曲線，圖6 為1 號設(shè)備小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)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(shè)備大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)電流、功率和耗電量曲線。

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

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

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

　　帶載起升的起動瞬間，1 號和2 號機(jī)構(gòu)的電流和功率曲線均有明顯的尖峰。1 號起升電機(jī)為直接起動，尖峰電流約為工作電流的3 倍，2 號起升電機(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，起動電阻對尖峰電流的抑制作用明顯。3 號機(jī)構(gòu)由于采用了變頻驅(qū)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(jī)構(gòu)功率曲線為負(fù)值，電能 - 時(shí)間曲線也呈下降趨勢，此時(shí)電機(jī)在負(fù)載的帶動下對外做功。從表2 的工況實(shí)測值也可以看出，下降時(shí)的速度比額定速度大10% ～ 15%，表明電機(jī)轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，處于回饋發(fā)電狀態(tài)[6]。3 號機(jī)構(gòu)下降過程中，起升機(jī)構(gòu)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(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、制動電阻和傳動機(jī)構(gòu)損耗上。從電能使用效率角度而言，變頻驅(qū)動方式在此工況下沒有優(yōu)勢。

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

　　由運(yùn)行機(jī)構(gòu)測試曲線可知，大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)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(yīng)電機(jī)機(jī)械特性并結(jié)合現(xiàn)場視頻記錄，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。當(dāng)載荷擺向運(yùn)行方向時(shí)，載荷慣性成為驅(qū)動力，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，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 號起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)

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

　　表3 為3 臺設(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)載是波動的，導(dǎo)致功率因數(shù)也是變化的。從表中可以看出，1號和2 號設(shè)備起升過程電機(jī)功率因數(shù)在0.8 左右，3 號設(shè)備功率因數(shù)則接近1?？芍捎米冾l驅(qū)動后，功率因數(shù)提高明顯。

　　3 機(jī)構(gòu)效率分析

　　對上述測試的數(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。

　　對起升機(jī)構(gòu)而言，輸出的有效能為重物的勢能，即

　　式中：mz 為載荷質(zhì)量，h 為起升的高度。

　　對運(yùn)行機(jī)構(gòu)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(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 號和2 號設(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程分開考慮，且本文的測試數(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)速對結(jié)果無明顯影響。但是，對于運(yùn)行機(jī)構(gòu)，特別是大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，采用變頻驅(qū)動的機(jī)構(gòu)效率較高，分析是因?yàn)樽冾l驅(qū)動方式起制動平穩(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)場測試了三臺典型起重機(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，分析對比了直驅(qū)、串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速三種起動方式對參數(shù)和機(jī)構(gòu)特性的影響，計(jì)算得到了機(jī)構(gòu)效率值。從測試結(jié)果看，變頻調(diào)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(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。

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