制动器动态安全监测装置及其方法 技术领域 本发明涉及各类起重机及施工升降机驱动系统制动器的制动力矩现场实时监测 技术， 特别涉及一种制动器动态安全监测装置及其方法。
背景技术 施工升降机驱动系统中的制动器是升降机的重要机构， 制动力矩的大小与稳定性 关系到升降机的安全使用， 目前与安全器失效有关的安全事故已有多起。起重机起升系统 制动器根据起重机类型与工作场合的不同规定， 安全系数不小于 1.5~2.5， GB10054 《施工升 降机》 规定制动器的安全系数不小于 1.75。事实上制动器在使用过程中， 实际制动力矩是 不断变化的， 且安全系数仅仅反映了制动器的制动能力， 与制动器工作能力和起重机安全 有关的重要因素还包括制动力矩的稳定性、 制动力矩的释放与上闸时间等。仅仅依靠维护 调整时的静态制动力或制动安全系数来说明起升机构在自动能力上的安全程度是不够的。
目前对起重及升降机械起升机构制动器的力矩一般仅在维护保养时进行静态检 测， 由于动静态摩擦系数的不同， 这种检测方法的测量值与实际工况是有差异的。同时， 依 靠仅有的制动力矩进行制动器的安全性判断也是不充分的。
有鉴于此， 寻求一种制动器动态安全监测装置及其方法成为该领域技术人员的追 求目标， 它应能实时检测制动器制动性能， 对提升起重及升降机械的安全可靠性， 推进行业 水平具有较大的帮助。
发明内容
本发明的任务是提供一种制动器动态安全监测装置及其方法， 它克服了现有技术 的困难， 通过传感器测量起重机或升降机的实际工作载荷、 制动速度及相应的制动距离， 计 算制动力矩并分析制动器的安全性能。
本发明的技术解决方案如下 ： 一种制动器动态安全监测装置， 它包括 CPU 主板、 采集卡、 载荷传感器、 编码器、 驱动控 制模块以及键盘、 存储器和 LCD 显示器 ； 所述 CPU 主板、 载荷传感器、 编码器以及驱动控制模块分别连接采集卡 ； 所述采集卡通过模拟输入接口实时采集载荷传感器及编码器的信号， 所述 CPU 主板读 取采集卡中相关通道的数据并计算得到当前载荷值、 制动速度、 制动位移信息 ； 所述键盘、 存储器及显示器分别连接 CPU 主板， 键盘输入吊具或吊笼自重 W0、 制动力矩 报警系数 E1、 制动力矩故障系数 E2 和制动力矩平均稳定系数 E3 数据至 CPU 主板。
所述载荷传感器包括起重机钢丝绳、 定滑轮以及可调滑轮。
所述载荷传感器包括卷筒、 轴承盖以及传感器。
所述载荷传感器包括驱动装置牵引架、 升降机吊笼连接板、 安装于驱动装置牵引 架与吊笼连接板之间的传感器、 以及传感器定位板。
一种制动器动态安全监测方法， 包括以下步骤 ：（1） 设定参数， 标定及制动 ； （2） 计算当前载荷值、 当前制动速度、 当前制动距离 Li ； （3） 判断标定标志是否为真， 若是， 则执行步骤 （4） ； 若否， 则执行步骤 （6） ； （4） 将上述计算值存储至参考库 ； （5） 标定标志为否， 执行步骤 （1） ； （6） 将上述计算值存储至使用库， 并根据当前制动信息在参考库中插值计算参考值 Mk ； （7） 判断 （Mi-Mk） /Mk 是否小于等于 E2%， 若是， 则执行步骤 （8） ； 若否， 则执行步骤 （10） ； （8） 显示制动力矩故障信息、 蜂鸣器报警并断开控制电路 ； （9） 修整并复位， 执行步骤 （1） ； （10） 判断 （Mi-Mk） /Mk 是否小于等于 E1%， 若是， 则执行步骤 （11） ； 若否， 则执行步骤 （12） ； （11） 显示制动力矩偏小信息， 蜂鸣器报警 ； （12） 计算最近 N1 次平均制动力矩误差和标准差并存储至数据库 ； （13） 判断误差是否大于 E3%， 若是， 则执行步骤 （14） ； 若否， 则执行步骤 （16） ； （14） 显示制动力矩不稳定信息， 蜂鸣器报警并断开控制电路， 执行步骤 （1） ； （15） 修整并复位 ； （16） 对最近 N2 次制动力矩分析制动器寿命并显示， 存储至数据库， 执行步骤 （1） 。
所述步骤 （1） 包括 ： （11） 判断是否修改参数， 若是， 则执行步骤 （12） ； 若否， 则执行步骤 （13） ； （12） 重新输入参数 ； （13） 判断是否进行标定， 若是， 则执行步骤 （14） ； 若否， 则执行步骤 （15） ； （14） 标定标志为真 ； （15） 判断是否开始制动， 若是， 则执行步骤 （2） ； 若否， 则执行步骤 （15） 。
所述方法具有通过对制动力矩平均误差及离散程度的统计， 分析制动器的稳定性 与可靠性的功能。
所述方法能从制动能力蜕变的规律推算制动器摩擦片的剩余寿命， 为制定维修计 划提供依据。
本发明由于采用了以上技术方案， 使之与现有技术相比， 本发明的制动器动态安 全监测装置及其方法具有以下优点 ： 1、 本发明能够在初始状态下， 对不同起重量或载重量、 在不同速度下制动的起重机或 升降机， 通过载荷传感器、 旋转编码器获得制动载荷值、 制动速度和制动位移并将这些数据 存入数据库， 作为以后制动力矩监测比对的依据。
2、 本发明能够计算在该工况下的平均制动加 / 减速度， 从而获得该工况下的平均 动态制动力矩， 将该制动力矩与储存在芯片中制动器的初始状态下的制动力矩进行比较， 并显示当前制动力矩值与初始值的比值， 表明制动力矩的相对损失值。如果监测制动力矩 小于正常值的 E1%， 监测系统发出制动力矩不足的提示 ； 如果监测制动力矩小于正常值的 E2%， 系统将限制重物或吊笼向上运行， 直至制动器重新维修与调整。
3、 本发明能够实时监测与计算制动器在每一工作工况的平均动态制动力矩， 并与相近工况进行比对， 统计分析最近 N1 次制动力矩的平均误差与均方根误差， 分析制动器工 作的稳定性与可靠性。当系统发现制动器的重复制动力矩不稳定时， 提示制动器需检修信 号。
4、 本发明通过对最近 N2 次的同类工况制动性能的监测与统计， 从制动能力蜕变 的规律推算制动器摩擦片的剩余寿命， 为制定维修计划提供依据。
5、 本发明具有通过对制动力矩平均误差及离散程度的统计， 分析制动器的稳定性 与可靠性的功能。 附图说明
图 1 为本发明的系统组成原理图。 图 2 为本发明的起重机载荷传感器示意图。 图 3 为本发明的起重机载荷传感器安装示意图。 图 4 为本发明的升降机载荷传感器示意图。 图 5 为按图 4 所示的左视图。 图 6 为本发明的运行流程图。附图标记 ： 1 为 CPU 主板， 2 为采集卡， 3 为键盘， 4 为存储器， 5 为 LCD 显示器， 6 为载荷传感器， 7为 编码器， 8 为驱动控制模块， 9 为起重机钢丝绳， 10 为定滑轮， 11 为可调滑轮， 12 为减速机， 13 为卷筒， 14 为轴承盖， 15 为传感器， 16 为驱动装置牵引架， 17 为升降机吊笼连接板， 18 为传 感器， 19 为传感器定位板。具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
参看图 1， 本发明提供了一种制动器动态安全监测装置， 它主要由 CPU 主板 1、 采集 卡 2、 载荷传感器 6、 编码器 7、 驱动控制模块 8 以及键盘 3、 存储器 4 和 LCD 显示器 5 组成。
CPU 主板 1、 载荷传感器 6、 编码器 7 以及驱动控制模块 8 分别连接采集卡 2。采集 卡 2 通过模拟输入接口实时采集载荷传感器 6 及编码器 7 的信号， CPU 主板 1 读取采集卡 2 中相关通道的数据并计算得到当前载荷值、 制动速度、 制动位移等信息。
键盘 3、 存储器 4 及 LCD 显示器 5 分别连接 CPU 主板 1， 键盘 3 输入吊具或吊笼自 重 W0、 制动力矩报警系数 E1、 制动力矩故障系数 E2 和制动力矩平均稳定系数 E3 数据至 CPU 主板 1。
参看图 2， 载荷传感器 6 包括起重机钢丝绳 9、 定滑轮 10 以及可调滑轮 11。
参看图 3， 载荷传感器 6 包括减速机 12、 卷筒 13、 轴承盖 14 以及传感器 15。
参看图 4 和图 5， 载荷传感器 6 包括驱动装置牵引架 16、 升降机吊笼连接板 17、 安 装于驱动装置牵引架 16 与吊笼连接板 17 之间的传感器 18、 以及传感器定位板 19。
参看图 6， 本发明还提供了一种制动器动态安全监测方法， 它包括以下步骤 ： （1） 设定参数， 标定及制动。
（2） 计算当前载荷值、 当前制动速度、 当前制动距离 Li。
（3） 判断标定标志是否为真， 若是， 则执行步骤 （4） ； 若否， 则执行步骤 （6） 。（4） 将上述计算值存储至参考库。
（5） 标定标志为否， 执行步骤 （1） 。
（6） 将上述计算值存储至使用库， 并根据当前制动信息在参考库中插值计算参考 值 Mk。
（7） 判断 （Mi-Mk） /Mk 是否小于等于 E2%， 若是， 则执行步骤 （8） ； 若否， 则执行步骤 （10） 。
（8） 显示制动力矩故障信息， 蜂鸣器报警并断开控制电路。
（9） 修整并复位， 执行步骤 （1） 。
（10） 判断 （Mi-Mk） /Mk 是否小于等于 E1%， 若是， 则执行步骤 （11） ； 若否， 则执行步 骤 （12） 。
（11） 显示制动力矩偏小信息， 蜂鸣器报警。
（12） 计算最近 N1 次平均制动力矩误差和标准差并存储至数据库。
（13） 判断误差是否大于 E3%， 若是， 则执行步骤 （14） ； 若否， 则执行步骤 （16） 。
（14） 显示制动力矩不稳定信息， 蜂鸣器报警并断开控制电路， 执行步骤 （1） 。
（15） 修整并复位。 （16） 对最近 N2 次制动力矩分析制动器寿命并显示， 存储至数据库， 执行步骤 （1） 。
所述步骤 （1） 包括 ： （11） 判断是否修改参数， 若是， 则执行步骤 （12） ； 若否， 则执行步骤 （13） 。
（12） 重新输入参数。
（13） 判断是否进行标定， 若是， 则执行步骤 （14） ； 若否， 则执行步骤 （15） 。
（14） 标定标志为真。
（15） 判断是否开始制动， 若是， 则执行步骤 （2） ； 若否， 则执行步骤 （15） 。
本发明的制动器动态安全监测装置及其方法的实际使用方式如下 ： 如图 1 所示， 本制动器动态安全监测装置可由 CPU 主板 1、 采集卡 2、 键盘 3、 存储器 4、 LCD 显示器 5、 载荷传感器 6、 编码器 7 和驱动控制模块 8 等组成。编码器与驱动系统转动轴 连接， 可以安装在转动轴端部的适当位置。 起升载荷测量通过载荷传感器实现， 载荷传感器 可以采用钢丝绳旁压张力传感器， 也可以采用轴销式传感器或卷筒支座传感器， 载荷传感 器的安装示意见图 3。CPU 主板 1、 采集卡 2、 键盘 3、 存储器 4、 LCD 显示器 5 可集成至一体 并安装在驾驶室内， 载荷传感器 6 和编码器 7 通过电缆与采集卡 2 连接。
采集卡 2 通过模拟输入接口实时采集载荷传感器 6 及编码器 7 的信号， CPU 主板 1 读取采集卡 2 中相关通道的数据并计算得到当前载荷值、 制动速度、 制动位移等信息。
图 2 为起重钢丝绳旁压式载荷传感器， 由起重机钢丝绳 9、 定滑轮 10 和可调滑轮 11 组成。
图 3 为一种卷筒支座压力传感式起重机载荷传感器安装示意图， 由减速机 12、 卷 筒 13、 轴承盖 14、 传感器 15 等组成。
图 4、 图 5 显示了一种轴销式升降机吊笼载荷传感器， 由驱动装置牵引架 16、 升降 机吊笼连接板 17、 安装于驱动装置牵引架 16 与吊笼连接板 17 之间的传感器 18、 传感器定 位板 19 组成。
本发明的运行流程见图 6。系统分为初始参数设置、 参考库建立与修改、 制动器安
全监测三个部分， 显示器显示屏与以上三个界面对应。系统运行后， 通过操作键盘 3 可以选 择系统进入哪一部分。
（1） 若选择初始参数设置， 显示屏显示相应的界面， 并可通过键盘 3 输入吊具或吊 笼自重 W0、 制动力矩报警系数 E1、 制动力矩故障系数 E2 和制动力矩平均稳定系数 E3 等值。
（2） 若选择参考库建立与修改功能， 显示屏显示相应的参考库建立界面， 此时对应 不同的工作载荷与制动位移， 分别由载荷传感器与位移编码器通过计算与格式转化后将数 据自动保存到存储器 4 中， 作为比对数据。原则上参考库的数据至少包含空载及满载工况 值， 视对本装置工作精度的需要可以设定一定量的中间工况， 设定点越多， 装置工作精度越 高。
（3） 以上选择完成后就可进入正常的制动器安全监控状态了， 当采集卡 2 通过驱 动控制模块 8 检测到制动器制动信号后， CPU 主板 1 记录时钟信号， 采集卡 2 中的计数器通 道一直记录编码器 7 的信号直至制动结束。制动结束后 CPU 主板 1 读取采集卡 2 中计数器 相关通道的数据并计算得到当前载荷、 制动速度、 当前制动速度下的制动位移、 制动平均加 速度及制动最大加速度等参数， 从而计算出当前载荷下平均制动力矩 Mi 和最大制动力矩 Mmax 等判断特征参数， 同时将这些参数存入储存器用于对制动器工作稳定性的判断及工作 寿命的预测。 根据当前制动信息从参考库中找出与该工况最接近的数据运用插值法算出参照 值并与 Mk 进行比较 ： 若 （Mi-Mk） /Mk ≤ E2%， 通过 LCD 显示器 5 输出制动力矩故障信息， 通过蜂鸣器进行持 续报警， 驱动控制模块 8 自动断开驱动电路， 需待检查和维修完毕后通过键盘 3 复位系统才 能重新工作。
若 （Mi-Mk） /Mk ≤ E1%， 通过 LCD 显示器 5 输出制动力矩偏小信息， 通过蜂鸣器进 行间歇报警。
每次制动信息都自动保存， 以对原使用库信息进行更新。 CPU 主板 1 从存储器 4 的 使用库中读取最近 N1 次制动力矩信息， 计算相对于参考值误差的平均值并存储至存储器 4， 将上述最近 N1 次平均制动力矩均方差与设定值 E3 进行比较， 若均方差 >E3% 时， 通过 LCD 显示器 5 输出制动力矩不稳定信息， 蜂鸣器进行持续报警， 同时驱动控制模块 8 断开驱动电 路， 应该进行检查和维修。在检查、 维修完毕后必须通过键盘 3 复位系统才能继续工作。
本发明具有对制动器工作寿命或维修期限的预测功能。CPU 主板 1 对使用库信息 中最近 N2 次制动力矩进行分析， 并采用曲线拟合的方法判断制动力矩的下降趋势及下降 速度， 估算拟合曲线达到制动力矩下极限值的可工作次数， 并根据对制动器使用频率的统 计推算维修期限， 达到预测使用寿命的目的。
综上所述， 本发明通过传感器测量起重机或升降机的实际工作载荷、 制动速度及 相应的制动距离， 计算制动力矩并分析制动器的安全性能。采用本发明的制动器动态安全 监测装置及其方法， 能实时检测制动器制动性能， 对提升起重及升降机械的安全可靠性， 推 进行业水平具有较大的帮助。
当然， 本技术领域内的一般技术人员应当认识到， 上述实施例仅是用来说明本发 明， 而并非用作对本发明的限定， 只要在本发明的实质精神范围内， 对上述实施例的变化、 变型等都将落在本发明权利要求的范围内。