基于三軸加速度傳感器的電梯緩沖器測試方法

應應征，方會松，徐開東，葉立忠（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310022）

基于三軸加速度傳感器的電梯緩沖器測試方法

應應征，方會松，徐開東，葉立忠
（浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310022）

為高效、準確地檢測電梯緩沖器，提出一種基于三軸加速度傳感器的測試方法。使用三軸傳感器采集模擬轎廂懸掛靜止狀態和與電梯緩沖器沖擊過程中加速度的數據，采用懸掛靜止狀態數據分析計算豎直向上方向，計算整個試驗過程中該方向的加速度值，將三個方向的加速度數據投影至豎直向上方向，并根據投影后的數據計算沖擊過程的平均加速度與峰值時間。實驗表明，該方法使用方便，且降低了潛在的人為測量誤差。

電梯；緩沖器；非線性最小二乘；Levenberg-Marquardt

DOI：10.13669/j.cnki.33-1276/z.2015.057

0　引 言

電梯緩沖器是一種位于轎廂或對重行程端部，用來吸收轎廂或對重動能的一種緩沖安全裝置。緩沖器是電梯設備中對轎廂或對重超越安全行程的最后一道安全保護裝置［1］。鑒于緩沖器對電梯安全的重要性，國內電梯相關技術標準對緩沖器做了比較嚴格的規定［2］。只有依照標準進行試驗，并且通過測試的緩沖器產品才允許生產、銷售。緩沖器測試最重要的一個環節為撞擊試驗，模擬電梯轎廂自由落體，撞擊緩沖器，采集緩沖器作用過程中轎廂的豎直方向減速度，以此為依據判斷緩沖器是否合格。

針對緩沖器測試，國內外普遍采用單軸加速度傳感器或單軸力傳感器。卓耀彬為研究液壓緩沖器特性構建了測試系統，針對沖擊測試采用單軸力傳感器［3］。傅武軍等將單軸加速度傳感器安裝在轎廂底部，測試沖擊過程的減速度數據［4］。宋桂玉使用單軸拉壓傳感器測試液壓緩沖器的減震阻力［5］。Watanabe等使用位移傳感器間接測試轎廂與緩沖器沖擊過程的加速度數據［6］。采用單軸力/加速度傳感器對于傳感器的安裝提出了較高的要求，傳感器方向要與重力方向一致，一旦傳感器安裝位置發生移動或模擬轎廂發生偏轉，便需要重新調整、標定，對測試效率與精度都有較大影響。為有效解決問題，本文提出一種基于三軸加速度傳感器的測試方法。該方法采集試驗過程中三個方向的加速度，根據自由懸掛階段的加速度數據擬合計算豎直向上方向，進而結合撞擊過程三個方向的加速度計算轎廂的豎直向上方向加速度值，最后以該加速度值計算相關特征數據。采用該方法便于傳感器的安裝，在測試時只需與被測物體固定即可，無需考慮方向問題，免去了調整與方向標定的過程，極大地提高了測試效率。

1　電梯緩沖器撞擊測試裝置

圖1　電梯緩沖器撞擊測試裝置結構

電梯緩沖器撞擊測試裝置需要模擬電梯轎廂自由落體的過程，主要分為模擬轎廂、測距裝置、加速度測試儀、提升裝置、導向設備和釋放機構六個部分，其結構如圖1所示。模擬轎廂用于模擬真實電梯轎廂，它可以根據不同的電梯緩沖器參數增減質量；測距裝置用于測試模擬轎廂的距離，便于設定模擬轎廂的自由落體高度；加速度測試儀用于采集測試過程中三個方向的加速度數據；提升裝置用于在豎直方向移動模擬轎廂的位置；導向設備用于保證模擬轎廂提升、下降與自由落體過程運動方向保持一致；釋放機構用于釋放模擬轎廂，觸發模擬轎廂的自由落體運動。被測試的電梯緩沖器固定連接在地面上。在撞擊測試之前，根據電梯緩沖器的參數設定模擬轎廂重量與提升高度；開啟傳感設備，利用釋放機構釋放模擬轎廂，模擬轎廂經過自由落體過程之后撞擊電梯緩沖器，電梯緩沖器提供制動力，降低模擬轎廂的速度直至靜止。

2　測試數據分析

2.1豎直向上方向的計算

在分析計算特征數值之前，需要確定豎直向上方向。將三個方向的加速度數據換算為豎直向上方向的數據，只要處理豎直向上方向的數據，因而只要計算豎直向上方向與傳感器測量坐標系的關系即可。豎直向上方向與傳感器測量坐標系的關系如圖2所示。

圖2　豎直向上方向與傳感器測量坐標系的關系

圖2中坐標系XYZ為傳感器測量坐標系，OG為豎直向上方向，分別表示模擬轎廂在懸掛靜止過程中傳感器采集到的數據，i表示采集到的數據序列號。在懸掛靜止狀態下，加速度傳感器所測得的數據即為重力加速度數據，方向為豎直向上方向，因而OG在坐標系XYZ下的坐標為，將該值記為ui，單位化以后得到豎直向上方向在坐標系XYZ下的表達式為：

其中，cos-1（）為反余弦函數，θi的范圍為［0，π/2］，夾角總和Sθ為：

其中，n為表示懸掛靜止過程中的序列總數。尋找一個，使得Sθ最小，是一個典型的非線性優化問題。采用Levenberg-Marquardt算法可以對該問題進行優化求解。Levenberg-Marquardt是一種改進的高斯-牛頓法［7］，與高斯-牛頓法一樣屬于迭代算法。其算法如下：

其中，x為目標函數自變量，將其單位化以后為。（4）式為優化目標函數，f（x）與Sθ相對應。F（x）為x的非線性函數，根據（3）式可以得到：

（5）式為迭代公式。其中，Jk為第k次迭代的F（x）雅克比矩陣，I為單位矩陣，μk為一個非負的參數。當μk趨近0時，Levenberg-Marquardt算法趨近于Guass-Newton算法；當μk趨近無窮大時，Levenberg-Marquardt算法趨近最速下降法。

2.2特征數據的計算

電梯緩沖器沖擊試驗最關鍵的數據為沖擊過程中的平均減速度與減速度處于峰值時超過某定值at的時間tt。需要將沖擊過程中三個方向的加速度數據轉換為豎直向上方向的加速度數據，即：

其中，ai為沖擊過程中傳感器得到的三個方向的加速度數據，g為重力加速度數據，ai為豎直向上方向模擬轎廂的加速度數據（該數據為一個標量）。在沖擊過程中平均加速度為：

其中m為沖擊過程中傳感器采集的數據總數。最大減速度則為ai中的最小值ami n與之對應的序列值imin。向序列的兩邊遍歷ai，統計小于at的數據占用的時間tt。

3　實驗驗證

測試實驗采用小型多功能塔架作為測試裝置，如圖3所示?；谌S加速度傳感器的測試儀物理樣機如圖4所示。

小型多功能塔架上同時安裝基于單軸力傳感器的測試儀（以下簡稱單軸測試儀）與基于三軸加速度傳感器的測試儀（以下簡稱三軸測試儀），單軸測試儀經過計量與標定精度已經達到測試要求，該測試儀的測試結果將作為標準數據與三軸測試儀的測試結果進行比較。三軸測試儀啟動后加速度數據將保存在SD卡中，測試完畢后統一讀取至電腦中。三軸測試儀獲取的數據如圖5所示。

圖3　小型多功能塔架

圖4　基于三軸加速度傳感器的測試儀物理樣機

圖5　三軸測試儀獲取的數據

圖6　　三軸測試儀與單軸測試儀測試結果對比

4　結 論

本文提出一種基于三軸加速度傳感器的電梯緩沖器測試方法，與傳統的基于單軸力傳感器的測試方法相比，該方法省去了安裝時的標定校準過程，方便操作人員使用，降低了潛在的人為測量誤差。實驗表明，基于三軸加速度傳感器的測試儀物理樣機與基于單軸力傳感器的測試儀精度一致。目前，測試數據處理仍需要人為干預，人工找出沖擊過程關鍵時間點，如沖擊起始與結束時間點。下一步的研究重點將根據沖擊測試的特點研究自動判斷關鍵時間點的算法。

［1］鄭炯，孫立新，卜四清，等.電梯常識一本通［M］.北京：中國質監出版社，2013：66-67.

［2］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB7588—003電梯制造與安裝安全規范［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［3］卓耀彬.液壓緩沖器特性及其檢測方法研究［D］.杭州：浙江大學機械工程學院，2006.

［4］傅武軍，朱昌明，張長友.電梯用油壓緩沖器的動態仿真和試驗分析［J］.振動與沖擊，2003，22（4）：80-81，87，113.

［5］宋桂玉.液壓減振器性能的試驗研究［J］.機械科學與技術，1998，17（1）：113-114，117.

［6］ Seiji Watanabe，Takeya Okawa，Daisuke Nakazawa，et al.Vertical vibration analysis for elevator compensating sheave［J］. Journal of Physics：Conference Series，2013，448（1）：12007-12015.

［7］ Torge N，Stephen J W.Least-Squares Problems［M］.New York：Springer，2006：262-264.

［責任編輯：謝樹林］

Test Method of Elevator Buffer Based on Three-axis Acceleration Sensor

YING Zheng， FANG Huisong， XU Kaidong， YE Lizhong
（Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute， Hangzhou，310022， China）

To test elevator buffer efficiently and accurately， a method based on three-axis acceleration sensor was proposed. Three axis sensors were used to collect the data of a stimulated car at the suspended static state and the data of acceleration at the shocking process. The vertical upward direction was acquired by analyzing the suspended static state data. The acceleration data of this direction was obtained. The acceleration data of these three directions was projected to the vertical direction， and the average acceleration and peak time of the impact process were calculated according to the data of the projection. Results show that the method is convenient and reduces the potential of human error.

Elevator； Buffer； Nonlinear least square； Levenberg-Marquard

TP274

A

1671-4326（2015）03-0045-04

2015-06-23

浙江省質量技術監督系統科研計劃項目（20150221）

應應征（1983—），男，浙江金華人，浙江省特種設備檢驗研究院工程師，博士；方會松（1967—），男，浙江杭州人，浙江省特種設備檢驗研究院高級工程師；徐開東（1977—），男，浙江衢州人，浙江省特種設備檢驗研究院工程師；葉立忠（1974—），男，浙江紹興人，浙江省特種設備檢驗研究院高級工程師.