基于加速度传感器的电梯多参数检测仪设计

陈建勋,杨宁祥,吴 溪,赵杰鹏,谢 威

(1.广东省特种设备检测研究院珠海检测院,广东 珠海 519002;2.珠海市安粤科技有限公司,广东 珠海 519000)

0 引言

电梯作为垂直运输交通工具,在人们生产、生活中发挥了重要作用。同时,作为机电类特种设备,电梯的安全性能也得到了广泛关注[1]。根据结构的不同,电梯可分为垂直电梯、斜行电梯、自动扶梯和自动人行道等。各类电梯在安装、维保、检验、抽查、事故调查等环节中均涉及各类检测方法、工具和仪器。检测仪器中大量使用各类传感器对电梯机械部件和电气部件的物理参数进行现场测量[2-3]。加速度传感器在电梯检测领域已经得到了广泛应用。不同的加速度数据分析方法相结合,可实现不同电梯参数的测量。例如:根据加速度数据在平均值附近上下波动的特性,可进行电梯振动舒适度分析[4];对加速度进行数值积分,可测量电梯速度、运行距离等参数[5];通过加速度信号频域分析,可以得到主要振动频率构成,从而对失效部件进行故障追溯[6];通过分析重力加速度在传感器3个数据轴上的投影分量,可以得到倾斜角信息。

现有基于加速度传感器的电梯检测仪器通常采用传统的模拟量输出型加速度传感器。其整机体积较大、功能较单一、集成度不高,较难满足电梯现场多参数检测需求。微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)三轴加速度传感器具有体积小、成本低、集成度高等优势,在位移检测[7]、自然灾害监测[8]、人体位姿监测[9]等领域已得到广泛应用。目前,通过MEMS三轴加速度传感器可对垂直电梯振动舒适性进行检测[10],从而测量轿厢姿态角、加速度[11]及制动参数[12]。但开发的仪器或装置仅可实现单一垂直电梯测试功能。此外,MEMS三轴加速度传感器也较少应用于自动扶梯或自动人行道的安全性和舒适性检测。

本文基于MEMS三轴加速度传感器开发电梯多参数检测仪。通过对加速度数据采集模块进行合理结构设计,使其可综合应用于电梯、自动扶梯、自动人行道运动参数测量、振动舒适度评估、制动参数测量、机械部件失效分析、倾斜角测量等检测场合,充分发挥此类传感器的应用效能。

1 检测仪开发

本文开发的电梯多参数检测仪硬件结构如图1所示。

图1 电梯多参数检测仪硬件结构框图

电梯多参数检测仪主要硬件包括供电单元、控制单元和手持式智能终端。其中:供电单元和控制单元共同组成加速度模块;手持式智能终端为智能手机或平板电脑等。

测试过程通过应用程序(application,APP)对加速度模块进行控制。控制单元中,MEMS三轴加速度传感器获取电梯部件加速度数据,并通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)通信方式将数据发送给STM32高性能单片机。测试过程中,数据临时存储于外置Flash芯片,并经数据帧封装后通过高速Wi-Fi模块无线发送到手持式智能终端。扶手带手传振动测试模式下,每个通道的三轴加速度同步采样率为3 000组/s,其余测试模式下为500组/s。加速度模块长120 mm、宽80 mm、高40 mm,便于手持和应用于较狭小空间测试场合。模块外壳采用铝合金加工,内部设置配重块。其应确保测试时模块对放置面的压强不低于50 kPa,以避免模块意外振动而影响数据准确性。

采用Java语言开发的APP有电梯测量、自动扶梯/自动人行道测量、数据采集与分析这3个功能模块。电梯测量模块包括直梯运动参数测量、直梯乘运质量测量、直梯制动参数测量这3个子模块。自动扶梯/自动人行道测量模块有运载装置振动舒适度测量、扶手带振动舒适度测量、制动参数测量、倾斜角测量这4个子模块。数据采集与分析模块可采集电梯部件振动加速度并进行频谱分析,以识别异常振动频率。

2 测试方法

对电梯不同部位进行检测时,加速度模块放置方式如图2所示。

图2 加速度模块放置方式示意图

如图2(a)所示,通过模块底部磁铁吸附3个锥状支脚,可将模块平稳放置于垂直电梯轿厢地板中央,以测量轿厢振动、运动、制动参数。如图2(b)所示,通过调节支脚间相对位置以适配自动扶梯梯级或自动人行道踏板表面齿槽尺寸,可检测运载装置振动舒适度、传动部件异常振动。如图2(c)所示,通过移除模块底部支脚并手握持模块放置于扶手带上随梯运行,可以测量扶手带手传振动舒适度参数。如图2(d)所示,通过模块底部安装磁吸座,可以将模块吸附于电梯主机、导轨、制动器等部件铁磁性外壳上,从而排查异常振动。

轿厢测试模式下,为补偿模块放置不水平导致的对测试结果的影响,APP将根据模块静止时重力加速度在3个数轴上的投影分量,计算出X轴、Y轴、Z轴分别与水平面的夹角。

(1)

式中:α为模块在X轴上与水平面间的夹角,rad;ax为模块静止时重力加速度在X轴上的投影分量,m/s2;ay为模块静止时重力加速度在Y轴上的投影分量,m/s2;az为模块静止时重力加速度在Z轴上的投影分量,m/s2。

(2)

式中:β为模块在Y轴上与水平面间的夹角,rad。

(3)

式中:γ为模块在Z轴上与水平面间的夹角,rad。

式(1)、式(2)和式(3)计算时,ax、ay和az取模块静止状态下1 s内的平均加速度。根据重力加速度在3个测量轴上的投影关系对原始加速度进行修正,以确保参与后续分析的加速度数据为绝对水平和竖直方向的数据。修正方法为:

Ax=ax-Azsinα

(4)

式中:Ax为修正后的X轴加速度,m/s2。

Ay=ay-Azsinβ

(5)

式中:Ay为修正后的Y轴加速度,m/s2。

(6)

式中:Az为修正后的Z轴加速度,m/s2。

3 运动参数检测

《电梯技术条件》(GB/T 10058—2009)[13]第3.3节“整机性能”规定:客梯启动加速度和制动减速度最大值均应不大于1.5 m/s2;当客梯额定速度为1.0 m/s

本文采用图2(a)模式对1台额定速度为1.6 m/s的电梯进行运动参数测量,并记录空载轿厢从底层启动到顶层停止过程中的三轴加速度数据。本文对经偏角修正并去除重力加速度直流分量的Z轴(运行方向)加速度进行10 Hz二阶巴特沃斯低通滤波。

电梯运行加速度滤波后曲线如图3所示。

图3 运行加速度滤波后曲线

(7)

式中:N为积分区间内数据个数;v(N)为第N个速度值,m/s;Δt为加速度数据序列的时间步长,s;a为加速度,m/s2。

根据加速度和速度曲线分析可知:电梯最大速度为1.60 m/s;电梯最大起动加速度为0.599 m/s2;电梯最大制动减速度为0.608 m/s2;A95加速度为0.547 m/s2;A95减速度为0.563 m/s2。这些数据符合GB/T 10058—2009要求。积分后得到的电梯运行速度曲线如图4所示。

图4 电梯运行速度曲线

4 振动舒适度评估

4.1 电梯轿厢振动舒适度参数检测

某货梯每次启动时乘客都有明显的“顿挫”感。本文采用图2(a)模式对其进行轿厢振动舒适度检测,对三轴振动加速度分别进行频率计权,以得到计权后的加速度曲线。其中:X轴和Y轴为水平方向且X轴垂直指向轿门;Z轴为竖直方向。水平方向加速度采用Wd频率计权,适用于立姿的人水平向全身振动。垂直方向加速度采用Wb计权,适用于立姿的人垂直向全身振动。Z轴振动加速度频率计权曲线如图5所示。

图5 Z轴振动加速度频率计权曲线

由图5可知,电梯起动时在变加速区域内Z轴振动加速度曲线存在明显异常抖动。最大振动峰值达到0.303 m/s2。这会导致轿厢运行方向振动明显,使乘客感觉不适。这种现象主要由变频器参数设置不合理而引起的加速过程不平滑导致。

4.2 自动扶梯振动舒适度参数检测

《乘运质量测量 第2部分:自动扶梯和自动人行道》(GB/T 24474.2—2020)规定了自动扶梯梯级、自动人行道踏板以及扶手带振动舒适度参数测量方法。该测量方法采用与电梯轿厢振动舒适度参数相同的频率计权方式进行数据处理,通过计权后振动加速度的均方根(root mean square,RMS)值分析振动对乘客舒适度的影响。其中,运载装置(梯级或踏板)对乘客全身振动水平的评估指标为三轴振动加速度RMS矢量和的最大值和平均值。扶手带对乘客手传振动水平的评估指标为扶手带运行方向振动加速度RMS的最大值和平均值。统计范围均只针对自动扶梯或自动人行道的倾斜段[15]。

本文采用图2(b)模式对某自动扶梯梯级振动舒适度参数进行了测量。梯级三轴振动加速度RMS矢量和曲线如图6所示。

图6 梯级三轴振动加速度RMS矢量和曲线

由图6可知,最大RMS矢量和为0.135 m/s2;平均RMS矢量和为0.104 m/s2。根据《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1部分:一般要求》(GB/T 13441.1—2007)中人体对振动环境的舒适反应评级方法[16]可知,当扶梯平均RMS矢量和小于0.315 m/s2时人体感觉不到不舒适。由此可判断梯级乘运质量较好。

本文采用图2(c)模式对电梯扶手带振动舒适度进行检测。以左侧扶手带为例,扶梯扶手带振动加速度RMS曲线如图7所示。

图7 扶梯扶手带振动加速度RMS曲线

经计算:扶手带振动加速度RMS最大值为0.798 m/s2;平均值为0.452 m/s2。扶梯扶手带振动加速度RMS平均值大于0.35m/s2且小于0.5 m/s2。手传振动评价等级可判定为“中”,基本满足舒适度要求。

5 制动参数测量

制动性能和曳引性能是电梯安全性能的重要指标。《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》(TSGT 7001—2009)附件A第8.11条“下行制动工况曳引检查”规定:当轿厢装载125%额定载重量,以正常运行速度下行至行程下部,切断电动机与制动器供电,轿厢应当完全停止。《电梯监督检验和定期检验规则——自动扶梯与自动人行道》(TSGT 7005—2012)附件A第10.3条 “制停距离”也对不同名义速度下空载和有载下行的自动扶梯和自动人行道制停距离应满足的范围进行了定量规定[17]。

本文对一台额定载重量为800 kg、运行速度为1 m/s的电梯进行125%额定载荷下行制动试验。轿厢中装载1 000 kg砝码后按图2(a)方式放置加速度模块。测试人员离开轿厢,由仪器自动完成数据采集和制动参数分析。根据式(7)方法对Z轴滤波后,加速度进行数值积分得到的电梯125%额载下行制动过程速度曲线如图8所示。

图8 电梯125%额载下行制动过程速度曲线

制动过程轿厢近似匀减速过程。本文对制动过程中速度进行线性拟合求斜率,得到平均制动减速度为2.41 m/s2。为保护乘客且确保轿厢可靠制停,一般认为制动平均减速度应处于重力加速度的20%～100%之间。该制动减速度符合此要求。

本文对1台名义上速度为0.5 m/s的自动扶梯进行空载下行制动试验。试验按图2(b)将加速度模块放置在上端梳齿板附近梯级上,开始测试后驱动扶梯下行,达到稳定速度后按急停开关触发制停。仪器记录该过程数据并分析制停参数。本文根据式(7)方法分别对垂直和水平方向滤波后加速度作数值积分,以得到分解方向速度数据,求出速度矢量并得到实际运行方向速度。

扶梯空载下行制动过程速度曲线如图9所示。

图9 扶梯空载下行制动过程速度曲线

本文根据曲线特征分析出开始制停和结束制停时刻,进一步根据式(4)对运行方向速度进行数值积分以得到位移数据。得出的制停距离为0.23 m,符合TSG T7005—2012的规定[17]。

6 机械部件失效分析

电梯曳引部件磨损达到一定程度时会导致轿厢运行方向振动。这类振动通常发生在电梯运行全过程中,表现为时域振动加速度曲线上出现周期性振荡或频域曲线中出现异常频率峰值。本文按图2(a)方式对1台1.0 m/s蜗轮蜗杆主机驱动型垂直载货电梯进行轿厢振动测试,发现Z轴存在规律性的周期振动。

电梯轿厢Z轴振动加速度曲线如图10所示。

图10 电梯轿厢Z轴振动加速度曲线

周期振动贯穿整个电梯运行过程,振动频率为5.67 Hz。该频率介于涡轮和蜗杆转动频率之间。据此可知,异常振动由主机传动机构异常磨损或传动部件松动导致。

本文按图2(b)方式采集1台名义上速度为0.5 m/s的扶梯梯级三轴振动数据,对Z轴振动加速度进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT),得到频谱曲线。

扶梯梯级振动加速度FFT曲线如图11所示。

图11 扶梯梯级振动加速度FFT曲线

FFT曲线主频率为27.13 Hz,对应主机马达旋转频率。本文将梯级在7.5 Hz处的振动频率峰值与扶梯主机链轮、主驱动轴、梯级滚轮等运动部件固有频率进行对比分析,发现该振动来自于梯级滚轮转动。在梯级滚轮未发生异常磨损的情况下,该频率峰值在FFT曲线中一般无明显特征。图11中出现的7.5 Hz异常频率峰值可能来源于梯级滚轮表面磨损。

7 倾斜角测量

根据式(1)、式(2)和式(3)计算出的加速度模块X轴、Y轴和Z轴分别与水平面的夹角α、β和γ,可得到模块倾角信息。依据该信息可对电梯多个部件倾斜角或铅垂度进行检测。本文将模块放置于扶手带上,使Y轴指向扶手带运动方向,读取出Y轴与水平面的夹角,即可测量扶梯或自动人行道倾斜角。速度模块放置于直梯轿厢地板,可测量轿厢地面倾斜度。加速度模块吸附于直梯导轨,可测量导轨安装铅垂程度。这可用于指导电梯安装过程。

8 结论

本文利用MEMS三轴加速度传感器体积小、集成度高的特点,设计了结构紧凑的三轴加速度测量模块电梯多参数检测仪。检测仪功能全面且操作方便,可应用于电梯安装、检验、检测和故障排查等多个场合。通过对电梯三轴加速度数据进行多角度分析,检测仪可对电梯运行参数、轿厢振动舒适度参数、扶梯梯级振动舒适度参数、扶手带振动舒适度参数、制停参数、异常振动频率、倾斜角等进行综合检测。其可应用于电梯安装、检测和故障排查等多个场合。仪器操作方便,可实现一机多用。

在现有研究基础上,后期可进一步结合人工智能等方法对数据进行进一步分析,以挖掘出电梯可能存在的故障风险、确保电梯安全。