超高速电梯振动状态远程监控系统的设计*

2021-03-24张春娟巫涛江余晓毅刘海兵

机械制造 2021年3期

□ 张春娟 □ 巫涛江 □ 余晓毅 □ 刘海兵

1.电梯智能运维重庆市高校工程中心重庆 4022602.重庆能源职业学院重庆 402247

1 设计背景

压电传感器是一种基于压电效应的传感器,敏感元件由压电材料制成,常用的压电材料有石英、压电陶瓷等。压电材料受力后表面产生电荷,电荷经电荷放大器和测量电路放大,以及变换阻抗后,成为正比于所受外力的电量[1-2]。压电传感器用于测量力和可以转换为电的非电物理量,优点包括频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻等[3],目前已广泛应用于各种工业及民生领域的监控。

电梯是人们日常生活中必不可少的一种特殊交通工具。电梯的运行速度可以分为低速(<1 m/s)、中速(1～2 m/s)、高速(2～5 m/s)、超高速(>5 m/s)四种,目前,已投入使用的超高速电梯的运行速度甚至已经超过16 m/s[4-6]。随着电梯制造技术的发展,各种形式的电梯得到应用,如超高层建筑使用的超高速电梯,采用固定在电梯井壁或钢架上的导轨齿条和轿厢齿轮啮合形式,导轨是弯的,可以对轿厢进行竖直导向、水平导向、斜行导向,振动的影响较大,当电梯振动超出许可极限时,还会引发安全事故。因此,需要对超高速电梯导轨齿条与轿厢齿轮间的振动状态进行监控,通过远程传输实时将振动数据发送至电梯监控中心,以便对超高速电梯的运行安全状态进行分析、预测。

笔者从理论上分析了超高速电梯导轨齿条与轿厢齿轮结构间的振动模型,然后利用压电传感器构建准分布式监控网络,设计超高速电梯振动状态远程监控系统,为超高速电梯的运行提供实时监控数据和安全预警。

2 水平振动模型

电梯系统的振动可以分为竖直振动和水平振动。目前,针对电梯系统建立的动力学模型已经非常多,陈炳炎、于德介等[7-9]在电梯竖直方向建立动力学模型,对电梯竖直方向的振动进行了研究,李立京、Saragai等[10-11]在电梯水平方向建立了动力学模型,对电梯水平方向的振动进行了研究,研究结果各有优缺点。

超高层建筑使用的超高速电梯,导轨齿条与轿厢齿轮啮合结构如图1所示。在超高速运行状态下,轿厢的水平振动齿泵对导轨齿条与轿厢齿轮的啮合有重要影响,可通过监控导轨上各点位置的振动情况,分析导轨齿条与轿厢齿轮水平振动的特性,并进一步分析轿厢运行的状态,对可能出现的安全事故进行评估、预警及预测。笔者建立的超高速电梯导轨齿条与轿厢齿轮水平振动模型如图2所示。

▲图1 导轨齿条与轿厢齿轮啮合结构

▲图2 导轨齿条与轿厢齿轮水平振动模型

图2中,m为轿厢质量,V为轿厢运动速度,y为轿厢水平位移,θ为轿厢摆动角位移,J为轿厢摆动转动惯量,Kd为轿厢齿轮刚度,Cd为轿厢齿轮阻尼,Kx为导轨齿条刚度,Cx为导轨齿条阻尼,yi为轿厢齿轮水平位移,l1为轿厢齿轮Z1与轿厢齿轮Z3到质心O的垂直距离,l2为轿厢齿轮Z2与轿厢齿轮Z4到质心O的垂直距离。

轿箱被简化为一个刚体,轿厢齿轮和导轨齿条均被视为线性弹簧-阻尼系统,确定形式的导轨齿条激励作为模型的输入,在一定程度上反映了电梯系统的水平振动规律,水平振动运动微分方程为:

(1)

(2)

根据式(1)、式(2),结合超高速电梯采用导轨齿条与轿厢齿轮啮合的结构参数,可以计算得到在超高速电梯正常运行情况下,导轨齿条和轿厢齿轮啮合结构的一阶谐振频率为98 Hz,导轨中间位置的谐振幅度远大于两端的谐振幅度。

3 监控元件

压电振动加速度传感器属于惯性传感器。基于压电元件的压电效应,在压电振动加速度传感器受振时,质量块加在压电元件上的力随之变化。当被测振动频率远低于压电振动加速度传感器的固有频率时,力的变化与被测加速度成正比。压电振动加速度传感器原理如图3所示。目前,压电振动加速度传感器广泛应用于汽车防盗、现代工业生产线、城市道路维护、长距离管道安全防范领域[12-14]。

4 系统设计

超高速电梯振动状态远程监控系统设计方案如图4所示,主要包括压电振动加速度传感器、多通道动态信号解调仪、光纤收发器、远程监控中心计算机监控软件等部分。压电振动加速度传感器根据超高速电梯导轨齿条的监控点位置进行多点布置,每个压电振动加速度传感器需要由一根多芯电缆与多通道动态信号解调仪相连。多通道动态信号解调仪用于解调压电振动加速度传感器的振动信号,数据通过光纤收发器传送到远程监控中心计算机,通过监控软件完成数据的存储、分析及可视化显示。用于光纤传输的光缆可以选择八芯远程通信光缆中的任何一芯,多道道动态信号解调仪和光纤收发器、远程监控中心计算机和光纤收发器均采用直连串口线连接。

▲图3 压电振动加速度传感器原理

▲图4 超高速电梯振动状态远程监控系统设计

5 系统实现

超高速电梯振动状态远程监控系统采用的多通道动态信号解调仪是一种解调加速度、压力等物理量的仪器,内置信号放大和滤波电路、高速模数转换电路、快速采集控制器、电光转换模块等。多通道动态信号解调仪通过远程通信光缆连接至光纤收发器,将解调的多个通道振动信号发送至远程监控中心。多通道动态信号解调仪可靠性高,测量准确度高,安装及操作简单,能够对加速度、压力等物理量进行自动采集和处理。多通道动态信号解调仪安装时,需要将电源、光纤收发器、数据采集仪放置在一个防水电气箱内,然后将防水电气箱用焊接的方式固定在导轨架内侧。

一般情况下,超高速电梯运行时,电梯轿厢齿轮与导轨齿条间的振动频率在10～200 Hz范围内。所采用的压电振动加速度传感器是一种高灵敏度、高可靠性、防水防潮的微弱振动信号采集传感器,压电振动加速度传感器内部集成压电加速度处理电路,输出电压信号可连接标准振动采集测试设备,适用于索力测试、结构振动测试等,具体性能参数见表1。压电振动加速度传感器加速度测量范围为0～15g,完全满足监控要求。压电振动加速度传感器按预定位置固定在电梯导轨上。

6 监控结果分析

为验证设计方案的可行性,采用超高速电梯导轨齿条和轿厢齿轮啮合结构模型,使用多通道动态信号解调仪中的六条通道,连接六个压电振动加速度传感器,分别设置于超高速电梯导轨齿条的4.0 m、3.0 m、2.0m、1.8 m、1.0 m、0 m位置。六个压电振动加速度传感器安装于电梯导轨的内表面,通电进行测试,电梯运行速度为1～2 m/s。超高速电梯振动状态远程监控软件界面如图5所示。参数和监测点设置后,可以根据实际情况设置超高速电梯导轨各监测点振动频率和幅值的报警阈值。联合监控过程表明,超高速电梯振动状态远程监控软件能够实现现场数据处理和传输,接收多通道动态信号解调仪的数据,并且能够实时显示,对振动曲线进行快速傅里叶变化分析,计算出各阶频率和振动幅值。数据还可以通过用户数据包协议、网际协议传输至主控系统。

表1 压电振动加速度传感器性能参数

▲图5 超高速电梯振动状态远程监控软件界面

超高速电梯振动状态远程监控软件实时输出的导轨振动频谱如图6所示。可见,导轨齿条六个监测点的一阶谐振频率范围为0～100 Hz。导轨齿条1.8 m位置的主频分量最大,并且谐波噪声明显。导轨齿条2.0 m位置的主频分量次最大,并且谐波噪声次之。导轨齿条顶部3.0 m、4.0 m,以及底部1.0 m、0 m的主频分量最小,并且谐波噪声最弱。以上测试结果与理论预期一致。监控中,笔者重复进行测试1 000多次,监控软件输出的重复性良好,验证了所构建的超高速电梯振动状态远程监控系统的有效性与稳定性。