起重機機構運行參數測試研究*

　　周 超 帥 飛 高誌柯 李向東

　　江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 南京 210036

　　摘 要：測試了三台典型起重機的機構帶載運行參數，獲得了電流、功率和耗電量曲線以及功率因數和機構效率值
，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：變頻調速方式對抑製尖峰電流和提高功率因數作用最明顯，對大車運行機構的效率提升明顯；轉子串電阻調速能抑製一部分尖峰電流
，同時能量反饋機製能提升機構效率
；直接驅動方式使用在要求不高的小型設備上，具有一定的節能優勢。

　　關鍵詞：起重機；機構；運行參數；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(da)車(che)運(yun)行(xing)機(ji)構(gou)和(he)小(xiao)車(che)運(yun)行(xing)機(ji)構(gou)。起(qi)升(sheng)機(ji)構(gou)由(you)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)減(jian)速(su)器(qi)和(he)卷(juan)筒(tong)
，使(shi)重(zhong)物(wu)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)
，運(yun)行(xing)機(ji)構(gou)由(you)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)減(jian)速(su)器(qi)和(he)車(che)輪(lun)，使(shi)重(zhong)物(wu)水(shui)平(ping)移(yi)動(dong)。驅(qu)動(dong)機(ji)構(gou)的(de)功(gong)能(neng)是(shi)將(jiang)電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)動(dong)能(neng)和(he)勢(shi)能(neng)，通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)和(he)分(fen)析(xi)輸(shu)入(ru)的(de)電(dian)參(can)數(shu)和(he)輸(shu)出(chu)的(de)機(ji)械(xie)參(can)數(shu)，能(neng)夠(gou)驗(yan)證(zheng)設(she)計(ji)
，獲(huo)得(de)機(ji)構(gou)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)、運行效率
、動態特性[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，在使用現場進行帶載試驗，測試機構的動態電流、功率、消耗電能
、功率因數等參數
，進一步計算機構效率。通過對數據的分析
，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

　　dianjishiqizhongjijigouzhongnengliangzhuanhuandehexinbujian，angonglvyaoqiuyibanxuanyongshulongshiheraoxianshiyibudiandongji

，xiaogonglvdeyunxingdianjiyishulongshijuduo
，zhongdagonglvdeqishengdianjiyiraoxianshiweizhu。xiangyingde，changyongdeqidongtiaosufangshifenweizhiqushi（無調速）
、轉子串電阻調速和變頻調速等三種[5]。本次測試在使用現場隨機抽取了采用這三種控製方式的起重機產品各一台，主要參數如表1 所示。

　　1.2 測試方法

　　測試所用儀器為一台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 的速率采集並記錄機構電機的輸入電壓、電流、功率
、功率因數和消耗電能等參數。按照圖1 suoshijiexianyuanlijiangyiqidedianliuqianhedianyaqianjierukongzhigui
，jiehaohoukaijiyongshiboqimoshijianzhajiexianwuwu。jiangdaiceqizhongjiguahaozhongwu，peibeizhuanrenceliangbingjilugegejigougongkuang，kaishiceshi，yiqijiexianrutu1 所示，試驗現場如圖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據
，如表2 所示。

　　圖1 儀器接線圖

　　圖2 測量現場

　　2 測試結果與分析

　　圖3 ～圖5 為起升機構工作時的動態電流（3 相的電流一致，圖中隻給出了其中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

　　圖4 2 號起重機起升機構運行參數

　　圖5 3 號起重機起升機構運行參數

　　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
，但數值隻為工作電流的1.5倍，起動電阻對尖峰電流的抑製作用明顯。3 號機構由於采用了變頻驅動，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，處於回饋發電狀態[6]。3 號(hao)機(ji)構(gou)下(xia)降(jiang)過(guo)程(cheng)中(zhong)，起(qi)升(sheng)機(ji)構(gou)基(ji)本(ben)不(bu)從(cong)電(dian)源(yuan)吸(xi)收(shou)電(dian)能(neng)，也(ye)不(bu)對(dui)外(wai)做(zuo)功(gong)
，隻(zhi)是(shi)在(zai)下(xia)降(jiang)的(de)初(chu)始(shi)和(he)結(jie)束(shu)時(shi)消(xiao)耗(hao)了(le)少(shao)量(liang)電(dian)能(neng)，表(biao)明(ming)載(zai)荷(he)下(xia)降(jiang)時(shi)的(de)位(wei)能(neng)都(dou)消(xiao)耗(hao)在(zai)電(dian)機(ji)內(nei)部(bu)
、製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勢。

　　圖6 1 號起重機小車機構運行參數

　　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(zhong)電(dian)流(liu)和(he)功(gong)率(lv)曲(qu)線(xian)呈(cheng)一(yi)定(ding)規(gui)律(lv)性(xing)的(de)波(bo)動(dong)
，根(gen)據(ju)感(gan)應(ying)電(dian)機(ji)機(ji)械(xie)特(te)性(xing)並(bing)結(jie)合(he)現(xian)場(chang)視(shi)頻(pin)記(ji)錄(lu)，分(fen)析(xi)原(yuan)因(yin)主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)為(wei)機(ji)構(gou)運(yun)行(xing)時(shi)載(zai)荷(he)的(de)周(zhou)期(qi)性(xing)擺(bai)動(dong)。當(dang)載(zai)荷(he)擺(bai)向(xiang)運(yun)行(xing)方(fang)向(xiang)時(shi)
，載(zai)荷(he)慣(guan)性(xing)成(cheng)為(wei)驅(qu)動(dong)力(li)，機(ji)構(gou)電(dian)機(ji)負(fu)載(zai)變(bian)小(xiao)，當(dang)載(zai)荷(he)擺(bai)向(xiang)相(xiang)反(fan)方(fang)向(xiang)時(shi)，載(zai)荷(he)慣(guan)性(xing)成(cheng)為(wei)阻(zu)力(li)，機(ji)構(gou)電(dian)機(ji)負(fu)載(zai)變(bian)大(da)。負(fu)載(zai)周(zhou)期(qi)性(xing)的(de)變(bian)化(hua)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)和(he)功(gong)率(lv)也(ye)出(chu)現(xian)周(zhou)期(qi)性(xing)變(bian)化(hua)。圖(tu)7 中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)和(he)功(gong)率(lv)曲(qu)線(xian)不(bu)但(dan)有(you)波(bo)動(dong)
，還(hai)出(chu)現(xian)尖(jian)峰(feng)現(xian)象(xiang)，分(fen)析(xi)後(hou)得(de)出(chu)是(shi)因(yin)大(da)車(che)運(yun)行(xing)機(ji)構(gou)發(fa)生(sheng)了(le)啃(ken)軌(gui)或(huo)運(yun)行(xing)偏(pian)斜(xie)等(deng)問(wen)題(ti)，運(yun)行(xing)阻(zu)力(li)增(zeng)加(jia)，導(dao)致(zhi)電(dian)機(ji)功(gong)率(lv)短(duan)時(shi)陡(dou)然(ran)增(zeng)加(jia)。

　　圖7 2 號起重機大車機構運行參數

　　圖8 3 號起重機大車機構運行參數

　　表3 為3 台tai設she備bei機ji構gou電dian機ji的de功gong率lv因yin數shu。起qi升sheng機ji構gou的de負fu載zai是shi穩wen定ding的de，功gong率lv因yin數shu是shi定ding值zhi，而er運yun行xing機ji構gou負fu載zai是shi波bo動dong的de
，導dao致zhi功gong率lv因yin數shu也ye是shi變bian化hua的de。從cong表biao中zhong可ke以yi看kan出chu，1號和2 號設備起升過程電機功率因數在0.8 左右，3 號設備功率因數則接近1。可知采用變頻驅動後，功率因數提高明顯。

　　3 機構效率分析

　　對上述測試的數據進一步分析計算

，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 為滾動摩擦係數，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據，得到機構的效率
，結果如表4 所示，表中所列效率隻包含了起升工況。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hao設she備bei起qi升sheng機ji構gou效xiao率lv，結jie果guo要yao比bi本ben文wen研yan究jiu所suo得de的de高gao很hen多duo，因yin為wei下xia降jiang階jie段duan的de能neng量liang反fan饋kui減jian小xiao了le供gong給gei能neng。從cong工gong作zuo循xun環huan的de概gai念nian考kao慮lv
，起qi升sheng和he下xia降jiang可ke以yi算suan一yi個ge過guo程cheng，但dan是shi從cong研yan究jiu的de細xi致zhi方fang麵mian和he數shu據ju豐feng富fu性xing考kao慮lv
，本ben文wen將jiang上shang升sheng和he下xia降jiang過guo程cheng分fen開kai考kao慮lv，且qie本ben文wen的de測ce試shi數shu據ju涵han蓋gai了le文wen獻xian[8] 的計算要求。

　　由表4 可知

，起升過程機構效率在70% 左zuo右you

，且qie機ji構gou是shi否fou采cai用yong變bian頻pin調tiao速su對dui結jie果guo無wu明ming顯xian影ying響xiang。但dan是shi，對dui於yu運yun行xing機ji構gou，特te別bie是shi大da車che運yun行xing機ji構gou，采cai用yong變bian頻pin驅qu動dong的de機ji構gou效xiao率lv較jiao高gao，分fen析xi是shi因yin為wei變bian頻pin驅qu動dong方fang式shi起qi製zhi動dong平ping穩wen，啃ken軌gui、運行偏斜等現象減少，運行阻力明顯減小。

　　4 結論

　　本文在使用現場測試了三台典型起重機的機構帶載運行參數，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chuan電dian阻zu調tiao速su和he變bian頻pin調tiao速su三san種zhong起qi動dong方fang式shi對dui參can數shu和he機ji構gou特te性xing的de影ying響xiang，計ji算suan得de到dao了le機ji構gou效xiao率lv值zhi。從cong測ce試shi結jie果guo看kan，變bian頻pin調tiao速su方fang式shi對dui抑yi製zhi尖jian峰feng電dian流liu和he提ti高gao功gong率lv因yin數shu作zuo用yong最zui明ming顯xian
，對dui大da車che運yun行xing機ji構gou的de效xiao率lv提ti升sheng明ming顯xian；轉子串電阻調速的特點是能抑製一部分尖峰電流，同時能量反饋機製能提升機構效率；直接驅動方式使用在要求不高的小型設備上
，具有一定的節能優勢。

　　參考文獻

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