電梯曳引與制動(dòng)性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張宏亮 蔡延彬 鄒 歆 殷彥斌

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院東莞檢測(cè)院 東莞 523120）

（2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院 東莞 523960）

電梯的曳引性能和制動(dòng)性能涉及電梯的全生命周期，是重要的安全保障措施。曳引和制動(dòng)性能是否有效是保證電梯控制系統(tǒng)、操作指令等能夠被可靠執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響乘坐舒適感的重要因素。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者也進(jìn)行了電梯制動(dòng)性能檢測(cè)領(lǐng)域的研究[1-7]，但是仍缺乏切實(shí)有效的測(cè)試方法和判別標(biāo)準(zhǔn)，使得現(xiàn)有的檢驗(yàn)一直停留在人工目測(cè)、憑經(jīng)驗(yàn)判別或者因?yàn)檫^(guò)程煩瑣而忽略性能測(cè)試。溜梯、沖頂、蹲底、剪切、擠壓等嚴(yán)重的人員傷亡事故和設(shè)備本體損壞事件頻發(fā)。

為提高電梯檢驗(yàn)檢測(cè)水平，促進(jìn)電梯曳引與制動(dòng)性能測(cè)試的科學(xué)化、規(guī)范化，本文提出了一種基于32位ARM處理器的自動(dòng)采集測(cè)試過(guò)程中的制停距離、最大制停速度、最大制停減速度、平均制停減速度、制停延遲時(shí)間等重要參數(shù)判別電梯曳引與制動(dòng)性能符合性的測(cè)試裝置。

1 電梯曳引與制動(dòng)性能概述

電梯的曳引力源于曳引繩與曳引輪槽之間的摩擦力，曳引性能主要保證的是電梯動(dòng)態(tài)的安全，是電梯能夠運(yùn)行的最基本條件，在轎廂裝載和制停工況時(shí)必須提供足夠的曳引力。與電梯曳引力相關(guān)的有鋼絲繩和曳引輪槽的性能指標(biāo)（材質(zhì)、形狀、包角、潤(rùn)滑狀態(tài)等）及轎廂側(cè)與對(duì)重側(cè)的重量（差）。

制動(dòng)性能是保證電梯由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)時(shí)安全的能力，由制動(dòng)器來(lái)執(zhí)行保證電梯能夠以合適的速度、減速度在合適的時(shí)間內(nèi)可靠、平穩(wěn)的停靠在安全位置。因此電梯的制動(dòng)性能不單單是指一個(gè)制停距離指標(biāo)，而是整個(gè)制停過(guò)程的制停距離、最大制停速度、最大制停減速度、平均制停減速度、制停延遲時(shí)間等重要參數(shù)的綜合判斷。

電梯的制動(dòng)性能和曳引性能是相互依存的，而且要根據(jù)不同的電梯技術(shù)參數(shù)和使用環(huán)境來(lái)判別，不能過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱。比如，電梯的制動(dòng)性能過(guò)強(qiáng)“瞬間剎車(chē)”，制動(dòng)力過(guò)大，減速度大，制動(dòng)距離就過(guò)小，制動(dòng)時(shí)沖擊力大，甚至因制動(dòng)時(shí)沖擊力過(guò)大而造成轎廂內(nèi)乘客的人身傷害。曳引性能過(guò)強(qiáng)將會(huì)導(dǎo)致轎廂或?qū)χ卦谏舷聵O限位置時(shí)被繼續(xù)過(guò)度提升或下降導(dǎo)致沖頂、蹲底。當(dāng)然曳引與制動(dòng)性能過(guò)弱更不可行，制動(dòng)器動(dòng)作后制動(dòng)力不足，無(wú)法制停曳引機(jī)，制動(dòng)器制停了曳引機(jī)然而鋼絲繩一直打滑，導(dǎo)致溜梯、滑梯、沖頂、蹲底和層門(mén)門(mén)區(qū)事故等。

電梯的曳引與制動(dòng)性能的相關(guān)驗(yàn)證有：平衡系數(shù)試驗(yàn)、空載曳引試驗(yàn)、上行制動(dòng)工況曳引檢查、下行制動(dòng)工況曳引檢查、靜態(tài)曳引檢查等和制動(dòng)試驗(yàn)等。本研究也將基于此展開(kāi)電梯曳引與制動(dòng)性能測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與研究。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電梯曳引與制動(dòng)性能測(cè)試裝置系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)分析研判單元、處理單元、曳引輪數(shù)據(jù)采集裝置、鋼絲繩數(shù)據(jù)采集裝置、電源監(jiān)測(cè)與管理單元、遠(yuǎn)程觸發(fā)單元、無(wú)線(xiàn)傳輸控制單元（433 MHz無(wú)線(xiàn)接口和2.4G藍(lán)牙接口）、手持終端、終端打印裝置等組成。處理單元以ARM處理器為核心，配合外圍電路、儲(chǔ)存器、研判算法及相關(guān)串行接口等模塊。曳引輪和鋼絲繩數(shù)據(jù)采集裝置采用壓緊高摩擦滾輪加同軸編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

測(cè)量原理如圖2所示，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中的制停距離、最大制停速度、最大制停減速度、平均制停減速度、制停延遲時(shí)間等重要參數(shù)的采集存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)內(nèi)置的性能研判算法自動(dòng)判別目標(biāo)電梯的曳引與制動(dòng)性能是否符合要求。

圖2 測(cè)量原理圖

3 測(cè)試裝置軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)該裝置時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、安裝方便、通用性高，能夠適用于所有電梯的試驗(yàn)測(cè)試；2）能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操控和測(cè)試結(jié)果自動(dòng)研判分析；3）通過(guò)采集分析測(cè)試數(shù)據(jù)幫助解決目前曳引驅(qū)動(dòng)電梯曳引與制動(dòng)性能安全狀態(tài)檢查無(wú)具體方法可參照、無(wú)具體合格準(zhǔn)則可遵循的難題，希望可以補(bǔ)充和完善當(dāng)前電梯標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范。

該裝置主要由測(cè)量裝置、觸發(fā)裝置和操作終端3部分組成，具體安裝如圖3（b）所示。測(cè)量裝置由測(cè)速裝置和測(cè)試主機(jī)組成，主要完成曳引輪、鋼絲繩的數(shù)據(jù)采集研判處理。觸發(fā)裝置為一個(gè)行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)電梯的停止裝置，電梯開(kāi)始制停實(shí)現(xiàn)整套裝置的初始動(dòng)作。操作終端可以是手機(jī)或平板電腦通過(guò)藍(lán)牙傳輸與測(cè)試主機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接，實(shí)時(shí)記錄電梯測(cè)試過(guò)程中的鋼絲繩、曳引輪的制停距離、速度、加速度等隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算得到制停距離、最大制停速度、最大制停減速度、平均制停減速度、制停延遲時(shí)間等數(shù)據(jù)。

本裝置需要對(duì)電梯的曳引和制動(dòng)性能同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，需要設(shè)置1套觸接曳引輪的測(cè)速裝置和1套觸接鋼絲繩的測(cè)速裝置，2套裝置共用1個(gè)測(cè)試主機(jī)來(lái)接收處理測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)速裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3（a）所示。測(cè)速裝置由強(qiáng)磁力底座、萬(wàn)向連接桿組、穩(wěn)定器、測(cè)速輪和高精度旋轉(zhuǎn)編碼器組成。強(qiáng)磁力底座用于跟電梯主機(jī)的承載梁相接處，提供整個(gè)測(cè)速裝置的支撐點(diǎn)。萬(wàn)向連接桿組的兩端分別連接強(qiáng)磁力底座和測(cè)速輪軸端，旋轉(zhuǎn)編碼器每0.1 s采集1次數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)通訊線(xiàn)傳輸?shù)綔y(cè)試主機(jī)。

圖3 測(cè)速裝置及測(cè)試裝置安裝圖

進(jìn)行該裝置的操作測(cè)試前，首先要確認(rèn)電梯轎廂無(wú)人員使用且做好安全防護(hù)告知，然后進(jìn)行測(cè)量裝置組件的安裝調(diào)試，再對(duì)觸發(fā)裝置進(jìn)行試操作，選擇合適的角度、力度觸發(fā)電梯急停開(kāi)關(guān)，確保準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)電梯停止信號(hào)的有效讀取，減小操作誤差。最后，逐項(xiàng)進(jìn)行曳引與制動(dòng)性能的功能試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果打印輸出。測(cè)試裝置實(shí)物見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)試裝置實(shí)物圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)裝置的軟件是基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)的曳引與制動(dòng)性能測(cè)試App，主要任務(wù)是完成與測(cè)試主機(jī)的無(wú)線(xiàn)連接、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理、流程回放及結(jié)果呈現(xiàn)等功能，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件功能流程圖

開(kāi)機(jī)完成系統(tǒng)自檢初始化后，見(jiàn)圖6，首先檢測(cè)確認(rèn)并設(shè)置目標(biāo)電梯的相關(guān)參數(shù)（額定載重量、額定速度、電梯種類(lèi)、轎廂自重、使用年限、鋼絲繩直徑、曳引輪直徑、試驗(yàn)載荷狀態(tài)等）以及確認(rèn)相關(guān)數(shù)據(jù)接口和無(wú)線(xiàn)傳輸通訊是否順暢。系統(tǒng)根據(jù)觸發(fā)裝置的動(dòng)作信號(hào)決定開(kāi)始采集、傳輸、儲(chǔ)存測(cè)試數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)定的延遲時(shí)間（3～5 s)內(nèi)測(cè)速裝置無(wú)信號(hào)傳輸即確認(rèn)測(cè)試循環(huán)結(jié)束，然后ARM處理器和內(nèi)置研判算法開(kāi)始判別是否符合要求，輸出測(cè)試結(jié)果到打印終端。

圖6 手持終端App界面

本系統(tǒng)還提供歷年檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析模塊，方便對(duì)不同品牌同參數(shù)、同品牌不同參數(shù)、同品牌同參數(shù)等電梯的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對(duì)電梯連續(xù)的全周期的曳引及制動(dòng)安全性能監(jiān)測(cè)分析與歸類(lèi)。大數(shù)據(jù)分析結(jié)果形成技術(shù)分析報(bào)告，提高電梯生產(chǎn)單位的技術(shù)改造創(chuàng)新能力，使用單位掌握本單位管理的電梯的安全狀況實(shí)現(xiàn)按需維保，檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)電梯本體安全狀況是否符合要求給出科學(xué)公正的判別，加快推進(jìn)特種設(shè)備監(jiān)察機(jī)構(gòu)智慧監(jiān)管平臺(tái)的搭建。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

該裝置采用接觸式測(cè)量方式，采用DC 5 V電壓，測(cè)量的制停距離范圍為0～9 999 m，測(cè)量速度范圍在0.10～20 m／s之間，測(cè)得的加速度范圍為0～20 m／s2，制停距離測(cè)量精度不低于1%，速度測(cè)量精度不低于0.01 m／s，加速度測(cè)量精度不低于2%，時(shí)間測(cè)量精度不低于0.01 s，完全滿(mǎn)足現(xiàn)有電梯的基本應(yīng)用場(chǎng)所的曳引與制動(dòng)性能的測(cè)試。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)使用，并通過(guò)了第三方的計(jì)量測(cè)試，見(jiàn)圖7。與現(xiàn)有的目測(cè)法、標(biāo)記法等相比，測(cè)試數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、材料過(guò)程穩(wěn)定、測(cè)量數(shù)據(jù)更全面，一鍵觸發(fā)完成檢測(cè)，消除人為誤差，測(cè)試過(guò)程可回放追溯，提高了檢驗(yàn)的科學(xué)性和公信力。

圖7 檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及終端界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種電梯曳引與制動(dòng)性能測(cè)試裝置產(chǎn)品，通過(guò)采集鋼絲繩與曳引輪的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電梯曳引與制動(dòng)性能符合性測(cè)試，滿(mǎn)足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。本產(chǎn)品的使用很大程度地提高了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員工作效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯曳引與制動(dòng)性能的定性定量判斷，通過(guò)歷年數(shù)據(jù)分析比對(duì)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，極大地保障了電梯運(yùn)行安全。目前已投入部分特檢機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)工作中，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。