电梯曳引能力的智能设计

2017-04-27吴悦明李晋芳何志强

制造业自动化 2017年4期

关键词：轿厢校核钢丝绳

李恺，吴悦明，李晋芳，何志强

（1.广东工业大学，广州 510006；2.广日电梯，广州 510006）

电梯曳引能力的智能设计

李恺1，吴悦明1，李晋芳1，何志强2

（1.广东工业大学，广州 510006；2.广日电梯，广州 510006）

提出电梯的智能化虚拟设计方法，并着重介绍系统中曳引能力的智能设计。按现行国家标准对电梯曳引能力的要求，建立了曳引能力的校核模型，并结合传统设计经验对原有的穷举法寻优方式做出了改进，提出了智能寻优算法，解决了原有设计效率低下问题，实现了对电梯曳引能力的智能设计，并创建了曳引式电梯的智能虚拟设计原型系统，实现了曳引式电梯的智能化虚拟设计。

曳引力；虚拟设计；智能设计；电梯；校核模型

0 引言

近年来随着国家的现代化进程加快，房地产业高速发展，随之而来的是电梯行业的梦幻增长期，因此整个行业对电梯的设计效率要求越来越高[1]。目前曳引式电梯主要由八大系统组成：曳引系统、轿厢系统、电力拖动系统、门系统、重量平衡系统、导向系统、电气控制系统、安全保护系统。曳引系统是电梯的核心系统，曳引能力是曳引系统中最重要的组成部分，而传统的曳引能力校核计算存在设计效率低，对设计人员的要求较高等弊端。随之而来的智能化虚拟设计方法，因其高效、低成本的优点已越来越多得应用到现代制造业的设计进程中[2]，本文正是着手于此，结合智能化虚拟设计方法与传统的电梯设计方法，提出了曳引能力的智能设计方法，并开发了曳引式电梯的智能化虚拟设计系统。

本文中曳引能力的智能设计由曳引能力的校核模型和智能设计方法所组成。其中曳引能力的校核模型是参考现行国标GB7588-2003[3]中的曳引能力的校核计算式，并结合某电梯公司中所使用的的校核计算式所搭建。智能设计方法是通过对曳引能力校核模型的分析并参考传统的设计经验提出的，解决了传统设计开发效率低下，开发成本高的问题。

1 曳引能力的校核模型

曳引能力校核计算主要包括钢丝绳的曳引力校核以及钢丝绳的安全系数校核两个部分。其中曳引力校核确定了电梯的动力，若曳引力不足轿厢或对重侧将会失去平衡，电梯不能正常运行，而钢丝绳校核确定了钢丝绳的强度是否足够，即在额定负载工况条件下钢丝绳是否失效。

1.1 曳引力校核

曳引力由曳引轮与钢丝绳的摩擦产生，通过曳引轮调整轿厢与对重的相对位置实现电梯升降，是电梯运行的主要动力。曳引力的受力分析图按GB7588-2003中所描述如图1所示，T1为轿厢侧钢丝绳拉力，T2表示为对重侧钢丝绳拉力，按照GB7588-2003中要求，T1与T2的比值需要满足国家标准[3]，比值过大或过小都会出现失衡现象，即轿厢或者对重侧出现异常下坠现象，进而导致电梯不能正常运行。因此曳引力校核是电梯设计过程中必不可少的一环。

图1 曳引力通常情况计算图[3]

国家标准GB7588-2003中要求曳引力的校核标准式如式(1)[3]所示：

式中：T1为轿厢侧钢丝绳拉力，T2为对重侧钢丝绳拉力，f表示为当量摩擦系数，α为绳包角，其中T1，T2，f的计算式可参考GB7588-2003附录M中的曳引力通用计算式[3]，这里不再赘述。

GB7588-2003中要求对电梯运行的三大工况进行校核，分别是装载工况（125%载重轿厢位于最低层）、紧急制动工况（轿厢空载最高层和轿厢额定载重最低层）和滞留工况（轿厢空载位于最高层）[3]，结合GB7588-2003附录M中曳引力通用计算式推导出三大工况校核计算公式，得到曳引力校核模型。以下是各工况的校核模型：

工况一：

工况二：

1）轿厢空载位于最高层

式中：

2）轿厢额定载重位于最低层

式中：

工况三：

式(2)、式(3)、式(4)、式(5)中各变量所代表的意义与GB7588-2003[3]中所代表的意义相同，本文不再另作表述。

1.2 曳引钢丝绳校核

曳引钢丝绳是电梯悬挂装置的重要组成部分，承受着轿厢和配重的质量，依靠其曳引轮绳槽间的摩擦力，将曳引机产生的动力传递到轿厢并驱动它做升降运动。曳引力钢丝绳校核包括两个部分：钢丝绳安全系数校核和钢丝绳比压校核。

1.2.1 钢丝绳安全系数校核

曳引钢丝绳的安全系数校核是针对钢丝绳强度进行校核，即钢丝绳的强度是否满足曳引力的要求，此环节是整个电梯设计过程中必不可少的一部分。根据国家标准GB7588-2003中要求，需满足其三个条件[3]，同时钢丝绳设计安全系数计算必须大于钢丝绳许用安全系数[3]，由此得到钢丝绳的安全系数校核模型：

式中：

1.2.2 钢丝绳比压校核

钢丝绳比压取得过大时会影响钢绳的使用寿命，因此对钢丝绳的比压校核也是整个曳引能力校核中不可缺少的部分。依据GB7588-2003中的要求以及对电梯的曳引力受力图进行分析，得到钢丝绳比压校核模型如下：

式中：

式(6)、式(7)为本模块中钢丝绳校核模型，电梯行业一般按照上述模型对电梯曳引能力进行校核计算。

2 曳引能力的智能设计方法

2.1 常用设计方法

传统电梯设计方式在设计完成后，需要对曳引能力进行校核计算，其中曳引能力校核需要同时满足式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)的要求，如若未满足校核条件则需调整相应设计参数，传统调整参数的方式为的经验调整，此种方式对设计人员要求较高，设计结果不确定，存在极大的偶然性。由此提出智能设计方法，对前文提出的曳引能力校核模型进行分析，可看出该模型属于非线性多目标规划问题[4]，涉及的变量较多，变量的变化范围较大，采用线性求解的方式得到合适的参数组合显然是不现实的。

对校核方程式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)进行分析，按校核条件有6项需要进行校核，其中涉及的变量有16个变量，各个变量的遍历范围虽不大，但寻优区域是变量之间的叠加，整体寻优区域就变得非常巨大。部分变量的遍历范围以及遍历精度如表1曳引校核变量遍历范围表。

由表1可知如若按照条件进行全体遍历，需要迭次数是万亿级的，普通的计算机难以满足其寻优要求。为此，需对方法进行改进。

表1 曳引校核变量遍历范围表

2.2 智能设计方法

传统电梯设计往往是在标准梯型基础上对相关参数进行调整以达到用户需求。这一过程通常是以设计人员的设计经验所决定，人工调整使校核合格的偶然性较大，并不适用于现今行业要求，因此本文提出了智能设计方法。

智能设计方法借鉴传统设计手段，参考人工调整参数的经验，根据不同的校核工况通过适当的调整与该校核条件的相关变量取值，可实现校核合格，以满足设计要求。其中智能设计流程如图2所示。

图2 曳引能力智能寻优流程图

首先判断有几项工况校核不通过，模仿人工调整针对校核合格情况选择合适的变量，优先选择对不合格工况影响大，对其余校核条件影响小的参数优先遍历，并且选择合适的遍历范围，用穷举搜索法进行遍历，得出符合条件的参数变量组合解集，通过判断是否为满意解而得到最优值。其中满意解定义如下：各校核条件的校核空间均充足，即F(x1,x2,…,xn,)＜c0。

虽然曳引能力的校核由六个校核条件共同决定，其中任意一项校核都不能失效，但是通常情况下，校核计算过程中往往是只有一、两项校核不通过，因此在遍历寻找最优解时，不用对所有的变量进行遍历，可针对不合格工况适当选择变量进行遍历搜寻，用以快速找到最优解。由此可对各个工况的校核模型进行分析，找出变量与校核条件的数学关系，从而找出更高效的寻优方法。具体分析过程如下：

通过变量替换等方式将式(1)化为只含自由变量的方程式，如式(8)所示。

由于额定载重Q与曳引比r，在电梯设计过程中作为输入参数使用，在此处可作常量处理，故式(8)可写成式(9)：

式中：

c0为满意解的阈值。

由式(9)推导出如变量H，ns，qs与F（P，H，k，ns，nc，qs，β，α）成正相关，即这几个变量的增加会导致F（P，H，k，ns，nc，qs，β，α）越来越大，以至于达不到设计合格的条件。反之其余变量如α、β、k、H等变量的增加会使F（P，H，k，ns，nc，qs，qc，β，α)愈小，进而使设计参数可允许调整范围愈大，使设计越容易通过校核。

同理可以得出其他4种工况的校核与各变量的关系，对应关系见表2变量与各校核条件关系表。

表2中：

+：表示该变量与校核目标函数正相关；

-：表示该变量与校核目标函数负相关；

：表示与该校核条件无关。