電梯安全性能定量測試分析儀的設計及應用

趙 亮 李淑娟 朱高文 王 娟

（1.山東省特種設備檢驗研究院有限公司 濟南 250001）

（2.濟南市特種設備檢驗研究院 濟南 250001）

1 引言

在電梯監督檢驗、定期檢驗以及型式試驗過程中，有許多重要的檢驗項目都會直接或間接涉及對電梯加速度值的測試，具體檢驗項目要求見表1。這些檢驗項目中的有些項目，TSG T7001—2023《電梯監督檢驗和定期檢驗規則》要求進行定性驗證性試驗，來評判試驗的符合性，但GB/T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》中要求加速度值要滿足具體要求，因此需要對電梯的加速度值進行定量測試分析。

表1 標準中相關檢驗項目的要求

制停距離測試方法[4]和意外移動距離標記測試法[5-7]是目前普遍采用的傳統測試方法，這2種方法現場操作耗時煩瑣，人為操作誤差大，檢驗效率低。目前國內外對于電梯加速度測試的相關儀器設備操作方式需要人工判斷電梯啟動與停止，并且要借助其他設備對數據進行分析[5]。

因此，本文中研發了一種電梯安全性能定量測試分析儀。采用高性能加速度傳感器，能夠對電梯運行期間的三軸加速度進行測量，可在轎廂運行后自動對數據進行分析，得到轎廂運行的振動峰峰值、運行速度和行程等數據，并能得到制停階段的運行距離、減速度和制停時間。具備自動觸發模式，解決了傳統儀器需要人工手動開始/結束測量的局限性，有效地提升了檢驗效率和檢驗精度。

2 電梯安全性能定量測試分析儀原理

2.1 硬件組成

硬件設計如圖1所示，由加速度傳感器、陀螺儀、模數轉換芯片、單片機、電源管理和藍牙模塊組成。

圖1 系統硬件設計圖

采用三軸加速度傳感器采集乘客電梯的運行加速度，通過積分計算出電梯的速度和運行距離，再通過對加速度數據進行微分后，便可得到電梯運行的加加速度。采用的三軸加速度傳感器可以測量0～1 000 Hz頻率范圍內的加速度信號，量程為±8 g，分辨率優于0.01 mg。同時具有低溫漂0.15 mg/℃和超低噪聲0.02 mg/Hz。

在對電梯進行測試時，如圖2和圖3所示，儀器中的三軸加速度傳感器放置在電梯轎廂地板的中央，Z軸垂直于地板，X軸正對轎門，完成一次電梯乘運質量測試。加速度的Z軸獲得電梯的啟動加速度、制停減速度數據，X軸、Y軸獲得電梯前、后、左、右向的晃動數據。

圖2 三軸加速度傳感器

圖3 電梯安全性能定量測試分析儀測試示意圖

2.2 累積誤差消除

加速度數據采集時存在誤差，而速度、距離等數據的計算需要對加速度進行積分，因此會產生累積誤差，嚴重影響測量結果。累積誤差可能是受儀器放置傾角、溫度和壓強等影響，需要研究計算方法來消除，本項目增加陀螺儀，實時計算加速度傳感器的傾角，獲取其角度誤差值，再去校正加速度直接積分的速度值，流程如圖4所示。

圖4 累積誤差消除流程

2.3 轎廂啟停控制程序設計

對于轎廂的啟動和停止判斷，由于乘客電梯的額定速度（包括檢修）從0.3 m/s到10 m/s不等，啟動和停止特性也各不相同，通過大量實驗與數據收集，最后確定采用速度變化量來確定電梯的啟停檢測。具體實施的軟件流程如圖5所示，其中速度變化的閾值是整個判斷的關鍵數據，這個數據根據不同的額定速度，有不同的啟動閾值。

圖5 轎廂啟動軟件流程圖

2.4 制動性能的軟件設計

圖6曲線為轎廂上行制動的加速度和速度曲線，可以看出在速度曲線上，制停動作點有明顯的下降，在加速度曲線上，制停動作點出現在較大的加速度數值附近。軟件設計上，要從轎廂停止時刻逆時尋找制停動作點。

圖6 制動性能速度和加速度曲線

圖7為確定制停動作點的軟件流程圖，其中速度大于最大速度的百分比值以及加速度的百分比值通過大量數據進行比對獲取，最后確定比例為90%。

圖7 制動性能軟件流程圖

3 應用試驗

在電梯檢驗和安全評估的實際工作中，應用研制的電梯安全性能定量測試分析儀，驗證其功能和性能。按照圖3所示的測試方法，在電梯轎廂內測試加速度信號，實時數據界面見圖8。

圖8 加速度值實時測量界面

測量完成后，使用軟件測量的信息見圖9，自上而下依次為速度、X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度。由圖可以看出，Z軸加速度信號反映了電梯啟動、加速、勻速、減速和停止的整個運行過程。X軸加速度和Y軸加速度反映了轎廂的前、后、左、右晃動。對所有數據進行頻率計權，得出圖10所示數據。

圖9 數據分析軟件圖

圖10 頻率計權數據界面

4 結論

所研發的電梯安全性能定量測試分析儀與現有加速度測量儀器相比，在使用性能和功能實現上進行了以下幾個方面的改進。

1）可適用各種額定速度電梯的啟停，對制動觸發點自動進行捕捉，實現了無須人工判斷電梯轎廂的啟動、制動和停止，避免了因人工判斷錯誤而對數據區間采集出現的偏差。解決了國內現有電梯加速度測試儀器操作方式復雜，需要人工判斷并手動操作啟停儀器的弊端。

2）軟硬件上實現了對加速度累積誤差的消除，可在轎廂運行后自動對數據進行分析，直接得到轎廂運行的振動峰峰值、運行速度和行程等數據，并能得到制停階段的運行距離、減速度和制停時間，解決了國內現有電梯加速度測試儀器測量結束后需要連接電腦對數據進行分析，再生成測試報告的弊端。同時在硬件組成上解決了現有儀器設備電路體積過大、功耗大等問題。

3）該儀器同時可以實現對電梯轎廂意外移動保護裝置安全性能的檢測，主要用于采用存在內部冗余的制停部件作為轎廂意外移動保護裝置的曳引式驅動電梯，對意外移動距離數值進行檢測，解決了國內現有電梯加速度測試儀器功能單一、難于擴展的弊端。

4）解決了傳統的制動試驗制停距離測試方法和目前普遍采用的意外移動距離標記測試法耗時、煩瑣以及人為操作誤差大的局限性，提高了現場檢驗的效率，同時提升了檢驗質量。

所研發的電梯安全性能定量測試分析儀實現了對上行制動工況曳引檢查、下行制動工況曳引檢查、制動試驗、限速器安全鉗聯動、上行超速保護裝置試驗、防止意外移動保護裝置試驗以及電梯乘運質量等檢驗檢測過程中對電梯加速度的定量測試分析，解決了TSG T7001—2023中對電梯部分安全性能測試僅僅是驗證性檢驗的局限性，為電梯檢驗能力的提高提供了技術保障。