超高速電梯振動狀態遠程監控系統的設計*

□ 張春娟 □ 巫濤江 □ 余曉毅 □ 劉海兵

1.電梯智能運維重慶市高校工程中心 重慶 4022602.重慶能源職業學院 重慶 402247

1 設計背景

壓電傳感器是一種基于壓電效應的傳感器,敏感元件由壓電材料制成,常用的壓電材料有石英、壓電陶瓷等。壓電材料受力后表面產生電荷,電荷經電荷放大器和測量電路放大,以及變換阻抗后,成為正比于所受外力的電量[1-2]。壓電傳感器用于測量力和可以轉換為電的非電物理量,優點包括頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠、質量輕等[3],目前已廣泛應用于各種工業及民生領域的監控。

電梯是人們日常生活中必不可少的一種特殊交通工具。電梯的運行速度可以分為低速(<1 m/s)、中速(1～2 m/s)、高速(2～5 m/s)、超高速(>5 m/s)四種,目前,已投入使用的超高速電梯的運行速度甚至已經超過16 m/s[4-6]。隨著電梯制造技術的發展,各種形式的電梯得到應用,如超高層建筑使用的超高速電梯,采用固定在電梯井壁或鋼架上的導軌齒條和轎廂齒輪嚙合形式,導軌是彎的,可以對轎廂進行豎直導向、水平導向、斜行導向,振動的影響較大,當電梯振動超出許可極限時,還會引發安全事故。因此,需要對超高速電梯導軌齒條與轎廂齒輪間的振動狀態進行監控,通過遠程傳輸實時將振動數據發送至電梯監控中心,以便對超高速電梯的運行安全狀態進行分析、預測。

筆者從理論上分析了超高速電梯導軌齒條與轎廂齒輪結構間的振動模型,然后利用壓電傳感器構建準分布式監控網絡,設計超高速電梯振動狀態遠程監控系統,為超高速電梯的運行提供實時監控數據和安全預警。

2 水平振動模型

電梯系統的振動可以分為豎直振動和水平振動。目前,針對電梯系統建立的動力學模型已經非常多,陳炳炎、于德介等[7-9]在電梯豎直方向建立動力學模型,對電梯豎直方向的振動進行了研究,李立京、Saragai等[10-11]在電梯水平方向建立了動力學模型,對電梯水平方向的振動進行了研究,研究結果各有優缺點。

超高層建筑使用的超高速電梯,導軌齒條與轎廂齒輪嚙合結構如圖1所示。在超高速運行狀態下,轎廂的水平振動齒泵對導軌齒條與轎廂齒輪的嚙合有重要影響,可通過監控導軌上各點位置的振動情況,分析導軌齒條與轎廂齒輪水平振動的特性,并進一步分析轎廂運行的狀態,對可能出現的安全事故進行評估、預警及預測。筆者建立的超高速電梯導軌齒條與轎廂齒輪水平振動模型如圖2所示。

▲圖1 導軌齒條與轎廂齒輪嚙合結構

▲圖2 導軌齒條與轎廂齒輪水平振動模型

圖2中,m為轎廂質量,V為轎廂運動速度,y為轎廂水平位移,θ為轎廂擺動角位移,J為轎廂擺動轉動慣量,Kd為轎廂齒輪剛度,Cd為轎廂齒輪阻尼,Kx為導軌齒條剛度,Cx為導軌齒條阻尼,yi為轎廂齒輪水平位移,l1為轎廂齒輪Z1與轎廂齒輪Z3到質心O的垂直距離,l2為轎廂齒輪Z2與轎廂齒輪Z4到質心O的垂直距離。

轎箱被簡化為一個剛體,轎廂齒輪和導軌齒條均被視為線性彈簧-阻尼系統,確定形式的導軌齒條激勵作為模型的輸入,在一定程度上反映了電梯系統的水平振動規律,水平振動運動微分方程為:

(1)

(2)

根據式(1)、式(2),結合超高速電梯采用導軌齒條與轎廂齒輪嚙合的結構參數,可以計算得到在超高速電梯正常運行情況下,導軌齒條和轎廂齒輪嚙合結構的一階諧振頻率為98 Hz,導軌中間位置的諧振幅度遠大于兩端的諧振幅度。

3 監控元件

壓電振動加速度傳感器屬于慣性傳感器。基于壓電元件的壓電效應,在壓電振動加速度傳感器受振時,質量塊加在壓電元件上的力隨之變化。當被測振動頻率遠低于壓電振動加速度傳感器的固有頻率時,力的變化與被測加速度成正比。壓電振動加速度傳感器原理如圖3所示。目前,壓電振動加速度傳感器廣泛應用于汽車防盜、現代工業生產線、城市道路維護、長距離管道安全防范領域[12-14]。

4 系統設計

超高速電梯振動狀態遠程監控系統設計方案如圖4所示,主要包括壓電振動加速度傳感器、多通道動態信號解調儀、光纖收發器、遠程監控中心計算機監控軟件等部分。壓電振動加速度傳感器根據超高速電梯導軌齒條的監控點位置進行多點布置,每個壓電振動加速度傳感器需要由一根多芯電纜與多通道動態信號解調儀相連。多通道動態信號解調儀用于解調壓電振動加速度傳感器的振動信號,數據通過光纖收發器傳送到遠程監控中心計算機,通過監控軟件完成數據的存儲、分析及可視化顯示。用于光纖傳輸的光纜可以選擇八芯遠程通信光纜中的任何一芯,多道道動態信號解調儀和光纖收發器、遠程監控中心計算機和光纖收發器均采用直連串口線連接。

▲圖3 壓電振動加速度傳感器原理

▲圖4 超高速電梯振動狀態遠程監控系統設計

5 系統實現

超高速電梯振動狀態遠程監控系統采用的多通道動態信號解調儀是一種解調加速度、壓力等物理量的儀器,內置信號放大和濾波電路、高速模數轉換電路、快速采集控制器、電光轉換模塊等。多通道動態信號解調儀通過遠程通信光纜連接至光纖收發器,將解調的多個通道振動信號發送至遠程監控中心。多通道動態信號解調儀可靠性高,測量準確度高,安裝及操作簡單,能夠對加速度、壓力等物理量進行自動采集和處理。多通道動態信號解調儀安裝時,需要將電源、光纖收發器、數據采集儀放置在一個防水電氣箱內,然后將防水電氣箱用焊接的方式固定在導軌架內側。

一般情況下,超高速電梯運行時,電梯轎廂齒輪與導軌齒條間的振動頻率在10～200 Hz范圍內。所采用的壓電振動加速度傳感器是一種高靈敏度、高可靠性、防水防潮的微弱振動信號采集傳感器,壓電振動加速度傳感器內部集成壓電加速度處理電路,輸出電壓信號可連接標準振動采集測試設備,適用于索力測試、結構振動測試等,具體性能參數見表1。壓電振動加速度傳感器加速度測量范圍為0～15g,完全滿足監控要求。壓電振動加速度傳感器按預定位置固定在電梯導軌上。

6 監控結果分析

為驗證設計方案的可行性,采用超高速電梯導軌齒條和轎廂齒輪嚙合結構模型,使用多通道動態信號解調儀中的六條通道,連接六個壓電振動加速度傳感器,分別設置于超高速電梯導軌齒條的4.0 m、3.0 m、2.0m、1.8 m、1.0 m、0 m位置。六個壓電振動加速度傳感器安裝于電梯導軌的內表面,通電進行測試,電梯運行速度為1～2 m/s。超高速電梯振動狀態遠程監控軟件界面如圖5所示。參數和監測點設置后,可以根據實際情況設置超高速電梯導軌各監測點振動頻率和幅值的報警閾值。聯合監控過程表明,超高速電梯振動狀態遠程監控軟件能夠實現現場數據處理和傳輸,接收多通道動態信號解調儀的數據,并且能夠實時顯示,對振動曲線進行快速傅里葉變化分析,計算出各階頻率和振動幅值。數據還可以通過用戶數據包協議、網際協議傳輸至主控系統。

表1 壓電振動加速度傳感器性能參數

▲圖5 超高速電梯振動狀態遠程監控軟件界面

超高速電梯振動狀態遠程監控軟件實時輸出的導軌振動頻譜如圖6所示。可見,導軌齒條六個監測點的一階諧振頻率范圍為0～100 Hz。導軌齒條1.8 m位置的主頻分量最大,并且諧波噪聲明顯。導軌齒條2.0 m位置的主頻分量次最大,并且諧波噪聲次之。導軌齒條頂部3.0 m、4.0 m,以及底部1.0 m、0 m的主頻分量最小,并且諧波噪聲最弱。以上測試結果與理論預期一致。監控中,筆者重復進行測試1 000多次,監控軟件輸出的重復性良好,驗證了所構建的超高速電梯振動狀態遠程監控系統的有效性與穩定性。

▲圖6 導軌振動頻譜

7 結束語

筆者基于壓電振動加速度傳感器,設計了超高速電梯振動狀態遠程監控系統。通過監控結果確認,超高速電梯振動狀態遠程監控系統能夠實時響應,對振動曲線進行快速傅里葉變換分析,計算各階頻率和幅值,監控結果與理論預期一致。

超高速電梯振動狀態遠程監控系統可以為導軌齒條和轎廂齒輪嚙合結構的振動提供實時監控數據與安全預警功能。