卷扬制动的控制装置、系统、方法、电路、及强夯机技术领域
本发明涉及工程机械技术领域，尤其是一种卷扬制动的控制装置、
系统、方法、电路、及强夯机。
背景技术
目前，出于充分利用能源的目的，强夯机的夯锤普遍采用自由落体
下放办法完成施工。在夯锤下放过程中，卷扬一直处于空载高速旋转状
态，夯锤与地面接触瞬时，夯锤的加速度迅速减小至零，然而随着地面
支持力的增大，加速度反向，夯锤的下落速度减小，而卷筒的旋转速度
却保持不变，从而无法与夯锤保持速度同步，导致卷扬乱绳现象的发生。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题是：解决夯锤落地瞬间卷扬乱绳
的问题。
根据本发明的一方面，提供一种卷扬制动的控制装置，包括：获取
单元，用于获取夯锤的下落速度；控制单元，用于在夯锤的下落速度减
小的过程中，向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号，
以控制卷扬制动装置实现卷扬制动。
在一个实施例中，所述获取单元包括：获取子单元，用于获取加速
度传感装置的示数；计算子单元，用于根据加速度传感装置的示数确定
夯锤下落的加速度，并根据夯锤下落的加速度计算得到夯锤的下落速度。
在一个实施例中，所述控制单元包括：第一判断子单元，用于判断
夯锤下落的加速度是否小于零；第二判断子单元，用于判断夯锤的下落
速度是否大于零；控制子单元，用于在夯锤下落的加速度小于零、并且
夯锤的下落速度大于零时，执行所述向比例电磁铁发送与夯锤的下落速
度成反比的控制信号的操作。
根据本发明的另一方面，提供一种卷扬制动的控制系统，包括：加
速度传感装置、比例电磁铁、卷扬制动装置、以及上述任一实施例所述
的卷扬制动的控制装置；所述加速度传感装置，用于实时将加速度传感
装置的示数传输给所述卷扬制动的控制装置；所述比例电磁铁，用于根
据所述卷扬制动的控制装置发送的控制信号输出相应的制动信号，以控
制所述卷扬制动装置实现卷扬制动。
在一个实施例中，所述加速度传感装置包括加速度传感器和对应的
信号接收端子，所述加速度传感器设置在夯锤上。
根据本发明的又一方面，提供一种强夯机，包括上述任一实施例所
述的卷扬制动的控制系统。
根据本发明的再一方面，提供一种卷扬制动的控制方法，包括：获
取夯锤的下落速度；在夯锤下落速度减小的过程中，向比例电磁铁发送
与夯锤的下落速度成反比的控制信号，以控制卷扬制动装置实现卷扬制
动。
在一个实施例中，所述获取夯锤的下落速度包括：获取加速度传感
装置的示数；根据加速度传感装置的示数确定夯锤下落的加速度；根据
夯锤下落的加速度，计算得到夯锤的下落速度。
在一个实施例中，所述在夯锤的下落速度减小的过程中，向比例电
磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号包括：判断夯锤下落的加
速度是否小于零，并判断夯锤的下落速度是否大于零；如果夯锤下落的
加速度小于零、并且夯锤的下落速度大于零，执行所述向比例电磁铁发
送与夯锤的下落速度成反比的控制信号的操作。
根据本发明的还一方面，提供一种卷扬制动的控制电路，包括第一
计算电路、第二计算电路、第三计算电路、第一比较电路、第二比较电
路和信号发生电路；所述第一计算电路根据加速度传感装置的示数确定
夯锤下落的加速度，并传输给第二计算电路和第一比较电路；所述第二
计算电路根据夯锤下落的加速度计算夯锤的下落速度，并传输给所述第
二比较电路和所述信号发生电路；所述第一比较电路比较夯锤下落的加
速度是否小于零，并在夯锤下落的加速度小于零的情况下输出第一信号
给所述第三计算电路；所述第二比较电路比较夯锤的下落速度是否大于
零，并在夯锤的下落速度大于零的情况下输出第二信号给所述第三计算
电路；所述第三计算电路在接收到第一信号和第二信号的情况下，向所
述信号发生电路发送第三信号；所述信号发生电路在接收到第三信号的
情况下向所述比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号。
在一个实施例中，所述控制电路还包括信号处理电路，所述信号处
理电路分别与第一计算电路和所述第一比较电路连接。
在一个实施例中，所述控制电路还包括使能电路，所述使能电路位
于所述信号处理电路与所述第一计算电路和所述第一比较电路连接的线
路上。
本发明实施例至少具有以下有益效果：
一方面，在夯锤落地瞬间速度减小的过程中，实时向比例电磁铁发
送与夯锤的下落速度成反比的控制信号，从而可以保证夯锤的下落速度
与卷筒的旋转速度的基本同步，避免卷扬乱绳问题，从而避免了设备零
部件的损伤，延长了设备的使用寿命。
另一方面，通过加速度传感装置测量夯锤的加速度，进而通过计算
得到夯锤的下落速度，属于直接测量方式，提高了精确度；
再一方面，卷扬制动的控制系统结构简单、响应速度快、易于实现、
成本较低。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将
对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见
地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技
术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
图1是本发明卷扬制动的控制方法一个实施例流程示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的加速度传感器示数变化的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的夯锤下落的加速度变化的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的夯锤的下落速度变化的示意图。
图5是本发明卷扬制动的控制装置一个实施例的结构示意图；
图6是本发明卷扬制动的控制装置另一个实施例的结构示意图；
图7是本发明卷扬制动的控制装置又一个实施例的结构示意图；
图8是本发明卷扬制动的控制电路一个实施例的结构示意图；
图9是本发明卷扬制动的控制电路另一个实施例的结构示意图；
图10是本发明卷扬制动的控制电路又一个实施例的结构示意图；
图11是本发明卷扬制动的控制系统一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案
进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实
施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本
发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相
对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
另外，应当说明，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺
寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已
知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技
术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是
示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具
有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，
一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行
进一步讨论。
首先对本发明中涉及到的技术术语进行解释。
加速度传感器，是一种可将物体的加速度变化转化为电信号，而后
运用无线传输方法完成与对应信号接收端子通信的敏感器件。在使用时，
加速度传感器自身可以与被测物体相联，物体运动加速度变化时，加速
度传感器与被测物体具有相同的加速度，加速度传感器将加速度的变化
转化为电信号，经放大后无线传输至对应的信号接收端子。
信号接收端子，是一种与无线加速度传感器配对的、接收传感器发
送的信号的端子。
需要指出的是，本发明中提到的夯锤的加速度以及下落速度均以地
面作为参考系，并且选取夯锤的下落方向为正方向，但这并作为对本发
明的限制。本领域技术人员应明白，也可以选取其他合适的方向作为夯
锤的加速度以及下落速度的正方向。
图1是本发明卷扬制动的控制方法一个实施例流程示意图，该实施
例的方法可以通过控制器来执行。如图1所示，该方法具体包括：
步骤102，获取夯锤的下落速度。
其中，可以通过例如速度传感器等直接获取夯锤的下落速度；或者
可以通过加速度传感器获取夯锤下落的加速度，进而通过计算得到夯锤
的下落速度。
步骤104，在夯锤的下落速度减小的过程中，向比例电磁铁发送与
夯锤的下落速度成反比的控制信号，以控制卷扬制动装置实现卷扬制动。
具体地，判断夯锤的下落速度是否减小，如果夯锤的下落速度开始
减小，则开始向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号，
直至夯锤的下落速度减小至零，停止发送控制信号。
本实施例在夯锤落地瞬间速度减小的过程中，实时向比例电磁铁发
送与夯锤的下落速度成反比的控制信号，从而可以保证夯锤的下落速度
与卷筒的旋转速度的基本同步，避免卷扬乱绳问题，从而避免了设备零
部件的损伤，延长了设备的使用寿命。
在本发明卷扬制动的控制方法的一个具体实施例中，图1所示的步
骤102可以通过以下方式来实现：获取加速度传感装置的示数，该示数
表示在夯锤参考系中夯锤的加速度的测量结果；根据加速度传感装置的
示数确定夯锤下落的加速度；根据夯锤下落的加速度，计算得到夯锤的
下落速度。
具体地，加速度传感装置可以包括加速度传感器和对应的信号接受
端子。夯锤下落过程中，安装在夯锤上的无线加速度传感器的示数为a
(t)，a(t)为在夯锤参考系中夯锤的加速度的测量结果，因此，夯锤
下落的加速度可以表示为a(t)+g。加速度传感器的示数a(t)经由信
号接收端子以无线通信方式传输至控制器中，对加速度信号进行滤波、
整形及放大处理后，进而通过积分运算![]()
实时得到t时刻
夯锤的下落速度v(t)，其中，0为夯锤开始下落的时刻，g为重力加速
度。
在本发明卷扬制动的控制方法的另一个具体实施例中，图1所示的
步骤104可以通过以下方式来实现：判断夯锤下落的加速度是否小于零，
并判断夯锤的下落速度是否大于零；如果夯锤下落的加速度小于零、并
且夯锤的下落速度大于零，执行向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成
反比的制动信号的操作。
具体地，在a(t)+g小于0，并且v(t)大于0时，向比例电磁铁
发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号。比例电磁铁接收到与夯锤的
下落速度成反比的控制信号后，即控制卷扬制动装置输出一个与夯锤的
下落速度成反比的制动力，这里，制动力可以表示为Z(t)＝K/v(t)。
其中，K是与比例电磁铁、卷扬制动装置、以及卷扬三者相关的参数。
具体而言，比例电磁铁可以保证铁芯移动距离与线圈输入的信号之
间存在一个近似的正比例关系，可以设该比例系数为K1；卷扬制动装
置是通过一个中间系统将电磁铁铁芯的移动转化为刹车片对卷扬轮的正
压力，输入与输出之间也存在一个近似的正比例关系，可以设该比例系
数为K2；而刹车力是卷扬制动装置与卷扬之间的摩擦力，在一定范围
内，它与刹车片对卷扬轮的正压力之间同样也存在一个近似的正比例关
系，可以设该比例系数为K3。事实上，参数K即可以表示为K＝K1×
K2×K3。
图2是根据本发明的一个实施例的加速度传感器示数变化的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的夯锤的加速度变化的示意图。图4是
根据本发明的一个实施例的夯锤的下落速度变化的示意图。
需要说明的是，图2所示的加速度传感器的示数是在夯锤参考系中
的加速度测量结果。而图3中夯锤的加速度是在图2的基础上加一个g
得到的。但这仅仅是示例性的，并不作为对本发明的限制。实际上，图
3中夯锤的加速度也可以通过在加速度传感器示数的基础上减去一个g
来得到。这与加速度传感器自身设置的正方向有关。
下面结合图2、图3和图4对单次夯击过程中夯锤的加速度和下落
速度的变化情况进行说明。
如图2-图4所示，单次夯击过程可划分为以下几个阶段：
1、0-t1时刻，夯锤挂在吊钩上保持静止，夯锤的加速度与速度均
为0；
2、t1-t2时刻，夯锤自由落体，夯锤的加速度为g；
3、t2-t3时刻，夯锤落地瞬时，夯锤受力状态发生突变，其相对于
地面的加速度由g迅速减小至接近于0，此时夯锤的加速度与速度方向
相同，夯锤的下落速度继续增大，且在t3时刻速度达到最大值；
4、t3-t4时刻，夯锤的加速度与速度方向相反，夯锤开始减速，直
至速度为0。
夯锤与地面接触瞬时，夯锤的加速度与速度方向仍然相同，夯锤继
续加速，卷筒旋转速度仍与夯锤下落速度同步；随着地面支持力的增大，
加速度反向，夯锤减速，如果卷筒的旋转速度保持不变，便无法与夯锤
的下落速度保持同步。
本发明实施例在夯锤减速期间，实时向比例电磁铁发送与一个与夯
锤速度成反比的控制信号，使最终的刹车力随夯锤速度的减小而增大，
实现制动过程中夯锤速度与卷筒旋转速度的基本同步，从而避免了落地
乱绳的问题。
上述实施例的控制方法可以利用软件的控制装置或硬件的控制电路
的方式来实现。
图5-图7提供了卷扬制动的控制装置的实施例。图8-图10提供了
卷扬制动的控制电路的实施例。下面将分别对这些实施例进行说明。
图5是本发明卷扬制动的控制装置一个实施例的结构示意图。如图
5所示，该控制装置包括：
获取单元501，用于获取夯锤的下落速度；
控制单元502，用于在夯锤的下落速度减小的过程中，向比例电磁
铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号，以控制卷扬制动装置实现
卷扬制动。
本实施例利用获取单元获取夯锤的下落速度，并且在夯锤落地瞬间
速度减小的过程中，通过控制单元实时向比例电磁铁发送与夯锤的下落
速度成反比的控制信号，从而可以保证夯锤的下落速度与卷筒的旋转速
度基本同步，避免卷扬乱绳问题，从而避免了设备零部件的损伤，延长
了设备的使用寿命。
图6是本发明卷扬制动的控制装置另一个实施例的结构示意图。该
实施例中的获取单元501可以包括：
获取子单元5011，用于获取加速度传感装置的示数，该示数表示在
夯锤参考系中夯锤的加速度的测量结果；
计算子单元5012，用于根据加速度传感装置的示数确定夯锤下落的
加速度，并根据夯锤下落的加速度计算(利用通过积分运算)得到夯锤
的下落速度。
图7是本发明卷扬制动的控制装置又一个实施例的结构示意图。该
实施例中的控制单元502可以包括：
第一判断子单元5021，用于判断夯锤下落的加速度是否小于零；
第二判断子单元5022，用于判断夯锤的下落速度是否大于零；
控制子单元5023，用于在夯锤下落的加速度小于零、并且夯锤的下
落速度大于零时，执行向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控
制信号的操作。
图8是本发明卷扬制动的控制电路的一个实施例的结构示意图。如
图8所示，该控制电路包括第一计算电路801、第二计算电路802、第
三计算电路803、第一比较电路804、第二比较电路805和信号发生电
路806；
第一计算电路801根据加速度传感装置的示数确定夯锤下落的加速
度，并传输给第二计算电路802和第一比较电路804；第二计算电路
802根据夯锤下落的加速度计算夯锤的下落速度，并传输给第二比较电
路805和信号发生电路806；第一比较电路804比较夯锤下落的加速度
是否小于零，并在夯锤下落的加速度小于零的情况下输出第一信号给第
三计算电路803；第二比较电路805比较夯锤的下落速度是否大于零，
并在夯锤的下落速度大于零的情况下输出第二信号给第三计算电路803；
第三计算电路803在接收到第一信号和第二信号的情况下，向信号发生
电路806发送第三信号；信号发生电路806在接收到第三信号的情况下
向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号。
与上文描述的根据加速度传感装置的示数确定夯锤下落的加速度类
似地，第一计算电路801可以在加速度传感装置的示数的基础上加一个
g或减去一个g，从而确定出夯锤下落的加速度。
示例性地，第一信号可以是高电平信号1，第二信号也可以是高电
平信号1，第三计算电路803在接收到第一信号和第二信号的情况下，
可以对第一信号和第二信号进行“与”运算，得到第三信号，例如为高
电平信号1。当信号发生电路806的使能端在接收到第三信号1的情况
下，向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号。然而，应
理解，这并不作为对本发明的限制。本领域技术人员可以根据实际情况
对第一信号、第二信号和第三信号，以及采用的电路运算方式进行相应
的调整。
本实施例的控制电路可以在夯锤落地瞬间速度减小的过程中，实时
向比例电磁铁发送与夯锤的下落速度成反比的控制信号，从而可以保证
夯锤的下落速度与卷筒的旋转速度基本同步，避免卷扬乱绳问题，从而
避免了设备零部件的损伤，延长了设备的使用寿命。
在另一个实施例中，参见图9，控制电路还可以包括信号处理电路
901，信号处理电路901与第一计算电路801连接。信号处理电路901
可以对来自信号接收端子的加速度信号进行滤波、整形、放大处理，并
进行A\D转换。
在又一个实施例中，参见图10，控制电路还可以包括使能电路902，
该使能电路902位于信号处理电路806与第一计算电路801之间。使能
电路902可以控制信号处理电路的处理结果是否能够发送给第一计算电
路801。
图11是本发明卷扬制动的控制系统一个实施例的结构示意图。如
图11所示，该实施例的控制系统包括：加速度传感装置1001、比例电
磁铁1002、卷扬制动装置1003、以及上述任一实施例提供的卷扬制动
的控制装置1004；其中：
加速度传感装置1001，用于实时将加速度传感装置的示数传输给卷
扬制动的控制装置1004，其中，加速度传感装置的示数表示在夯锤参考
系中夯锤的加速度的测量结果；
比例电磁铁1002，用于根据卷扬制动的控制装置1004发送的控制
信号输出相应的制动信号，以控制卷扬制动装置1003实现卷扬制动。
作为加速度传感装置的一种具体实现方式，其可以包括加速度传感
器10011和对应的信号接收端子10012，加速度传感器10011可以设置
在夯锤上，要求具有足够的抗震性能。信号接收端子10012与加速度传
感器10011相匹配，与控制装置1004连接，可以将信号采样结果输入
到控制装置中。
另外，参见图11，上述控制系统还可以包括一个卷扬释放按钮开关
1005，与控制装置1004连接，可以手动实现卷扬离合器的锁紧与释放，
在夯锤释放时可以向控制装置发送一个脉冲信号。这里，卷扬释放按钮
开关例如可以设置在驾驶室内。
本发明提供的卷扬制动的控制系统可以应用在强夯机上。
本发明提供的强夯机的一个实施例中，可以包括上述实施例提供的
卷扬制动的控制系统。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说
明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分
相互参见即可。对于控制装置和控制电路实施例而言，由于其与控制方
法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的
部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分
步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计
算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的
步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可
以存储程序代码的介质。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的
或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技
术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理
和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适
于特定用途的带有各种修改的各种实施例。