高速電梯曳引機主軸組件綜合性能檢測裝置設計與分析

江葉峰，蘇萬斌，易燦燦

(1. 嘉興市特種設備檢驗檢測院，浙江 嘉興314050； 2. 武漢科技大學，湖北 武漢 430081)

0 引言

高速電梯曳引機主要部件包括曳引輪、支架底座組件、主軸組件(包含主軸和軸承等部件)、帶繞組定子鐵芯、鉗式制動器組件、用于在緊急情況下連接并安裝盤車裝置等。高速主軸作為其核心部件主要采用雙支撐簡支結構，主軸組件包括內轉子和外轉子結構兩大系列，其結構緊湊，可用于無機房或有機房中[1]。雙支撐簡支結構永磁同步無齒輪曳引機的工作原理是通過快速電流跟蹤變頻裝置和高精度速度傳感器(編碼器)的檢測、反饋以及控制，以同步轉速進行轉動；由具備與直流電機相同的線性、恒定轉矩及可調節速度的電動機平穩地直接驅動曳引輪，通過曳引輪與鋼絲繩的摩擦來實現電梯轎廂的上下運動[2]。

高速電梯主軸組件長期服役于高速變載工況下，除了正常的主軸本體和軸承的疲勞磨損外，更多情況是因主軸及軸承的磨損、打滑失效引起的摩擦磨損。由于目前常規的主軸均由鑄鐵制成，主軸在鑄造完成至加裝后長期在高速復雜工況使用過程中，可能會產生損傷，造成強度下降或產生安全隱患。因此，需要開發一種對高速電梯主軸組件的可靠性進行檢測的方法和裝置，為高速電梯的安全性提供保障。

1 設計原理

高速電梯主軸及軸承失效的明顯表現特征就是主軸溫度升高、振動加劇。因此，通過對主軸及軸承溫升和振動的檢測來反映主軸及軸承是否發生失效。根據主軸及軸承的失效模式及表現特征，對其失效的檢測有以下幾種方法：在主軸及軸承部位設置溫度傳感器，檢測主軸及軸承的溫度變化；用振動傳感器檢測高速電梯主軸，特別是主軸及軸承部位的振動信號。

通過在主軸及軸承部位安裝溫度傳感器來檢測溫度的變化，并以此為依據來判斷主軸及軸承是否發生失效。主軸及軸承在運轉過程中，由于摩擦的原因會發熱，并且當主軸及軸承的表面出現磨損或是損傷后，這種摩擦會加劇，因而發熱也會增加，主軸及軸承的溫度就會升高。而高速電梯主軸的安裝特點使得主軸及軸承的溫升受其他因素的影響很小，溫度傳感器測試到的溫升就是主軸及軸承由于摩擦產生的溫升。所以這種方法適合于對主軸失效的檢測。通常主軸及軸承的溫度隨著主軸及軸承運轉開始慢慢上升，1～2h后達到穩定狀態。主軸及軸承的正常溫度因機器的熱容量、散熱量、轉速及負載的不同而不同[3]。如果潤滑或安裝部位不合適，則主軸及軸承溫度會急驟上升，出現異常高溫，這時必須停止運轉，并檢查主軸及軸承是否已經失效。因此在試驗過程中用溫度傳感器監測溫度，無論是量測主軸及軸承本身或其他重要零件的溫度，如果是在運轉條件不變的情況下，任何的溫度改變均可表示主軸及軸承已發生故障或已失效。脂潤滑條件下的高速主軸及軸承的溫度超過一定值時，也可判定為主軸及軸承已經失效。

通過檢測高速電梯主軸，特別是主軸及軸承部位的振動信號，并以此為依據來判斷主軸及軸承是否發生失效。實際上，當主軸及軸承的振動甚至整個高速電梯主軸的振動加劇時，可以通過某些振動參數的變化體現出來。因此，采用振動傳感器檢測高速電梯主軸，特別是主軸及軸承部位的振動信號，再通過后續處理得到相應的振動參數，并以此作為依據來判斷主軸及軸承是否發生失效是一種比較適用的檢測方法。

主軸在長時間的高速旋轉情況下，通過傳感器采集主軸及軸承的溫度變化信息，并通過顯示儀進行顯示，同時通過分析單元記錄傳感器采集的主軸及軸承溫度變化信息，然后對記錄的溫度變化信息進行處理，判斷主軸或軸承是否失效。根據溫度傳感器確定的主軸或軸承的溫升超過規定的溫升閾值或溫度閾值時，即可判定對應的主軸或軸承失效。

通過傳感器采集主軸及軸承的振動變化信息，分析單元根據所述振動信號從以下幾個指標，判斷主軸或軸承是否失效：根據所述振動信號確定波峰因子，若波峰因子超過規定的波峰因子閾值時，則判定所述主軸或軸承失效；或者根據所述振動信號確定峭度，當峭度超過規定的峭度閾值時判定所述主軸或軸承失效。

由振動信號確定波峰因子具體包括下述步驟：

1)按照下述公式計算反映振動能量大小的有效值[4]：

(1)

2)按照下述公式計算表示振幅最大值的峰值：

(2)

式中：P表示峰值；n是將采集到的數據進行分段的段數；xpi是第i段的振動加速度數據的峰值。峰值P是振幅的最大值，對軸承表面損傷類的故障較為敏感，特別對軸承早期的表面剝落損傷檢測效果較好。

3)按照下述公式計算波峰因子[6-7]：

C=P/R

式中C表示所述波峰因子。根據上述計算公式可知，波峰因子C是一無量綱參數，對軸承的局部剝落、壓痕、凹坑等故障非常敏感，且不受振動信號絕對水平的影響；在無油潤滑的情況下，可用于軸承磨損故障的判斷，適合于軸承的失效檢測。正常情況下，C≤6。

由振動信號確定峭度的計算公式如下：

(3)

與之相對應的，根據振動信號判斷主軸或軸承是否失效可以包括：在波峰因子超過規定的波峰因子閾值時，或者在峭度超過規定的峭度閾值時，判定主軸或軸承失效。波峰因子閾值優選為6，峭度閾值優選為4。

通過前述的有效值R、峰值P、波峰因子C、峭度K等反映振動特性的參數來判斷主軸或軸承是否失效的優勢在于：由于高速電梯主軸軸承的主要失效模式是磨損或表面損傷，波峰因子C和峭度K對這種形式的失效較為敏感，而且波峰因子C和峭度K是無量綱的參數，不受工況(包括負荷、轉速、環境條件等)的變化、不同振動測試位置的影響，所以波峰因子C和峭度K能對高速電梯主軸的早期故障實現準確的診斷[9-10]。此外，通過波峰因子C和峭度K判定高速電梯主軸的軸承是否發生磨損或表面損傷，能夠獲取統一的、可靠的失效判據。具體而言，當滿足波峰因子C>6(波峰因子閾值)和峭度K>4(峭度閾值)中的任何一個條件時，即可判定軸承發生表面損傷或磨損失效。

2 結構組成

高速電梯的高速主軸部件是安裝在箱體上的。該試驗裝置的驅動系統是高速電機，經鋼絲繩傳動后，使主軸高速旋轉。為了對主軸部件在高速旋轉下進行可靠性試驗，可分別對溫度、振動、轉速3個機械量進行測量與分析，判斷主軸部件是否失效。檢測裝置包括用于支撐高速電梯主軸和軸承的支承裝置、用于驅動主軸旋轉的驅動裝置、用于采集主軸在旋轉過程中所產生振動信號的振動傳感器、采集在主軸旋轉過程中軸承溫度信號的溫度傳感器、用于根據振動信號和溫度信號中的至少一者判斷主軸或軸承是否失效的分析單元(圖1)。

1—箱底；2—電機座；3—電機；4—主動曳引輪；5—鋼絲繩；6—從動曳引輪；7—溫度傳感器；8—主軸；9—溫度傳感器；10—速度傳感器；11—軸承座；12—振動傳感器；13—分析單元。

支承裝置包括箱底、箱體、電機座、軸承座，箱體和電機座位于箱底上部，軸承座位于箱體的右側，軸承座和箱體支撐主軸及軸承。

驅動裝置包括電機、主動曳引輪、從動曳引輪、主軸和鋼絲繩。主動曳引輪與輸出軸連接，從動曳引輪與高速電梯的主軸連接，主動曳引輪與從動曳引輪通過鋼絲繩連接。位于箱底之上的電機座支撐電機，電機的輸出軸連接主動曳引輪，主動曳引輪通過鋼絲繩與連接高速電梯主軸的從動曳引輪相連接，從而實現電機帶動主軸的旋轉。

數據采集模塊包括溫度傳感器、振動傳感器和速度傳感器。溫度、振動和速度傳感器能夠采集到主軸旋轉過程中主軸及軸承的相應信號，可根據采集到的信號獲取主軸及軸承的相應參數變化。

數據分析模塊：分析單元與振動傳感器和溫度傳感器通信連接，通過分析單元記錄通過傳感器采集的振動變化信息、溫度變化及速度變化信息，然后對記錄的溫度、振動和速度變化信息進行處理，分析單元根據振動傳感器采集的振動信號和溫度傳感器采集的溫度信號中的至少一者判斷主軸或軸承是否失效。

3 測試流程

高速電梯主軸或軸承性能檢測流程如圖2所示。主軸高速旋轉，通過傳感器采集高速電梯主軸及軸承的轉速變化信息、振動變化信號、溫度變化信息，并通過數據采集處理后由顯示儀進行顯示。通過驅動高速電梯主軸高速旋轉并獲取主軸在旋轉過程中主軸所產生的振動信號以及軸承的溫度信號，從而根據振動信號和溫度信號中的至少一者判斷高速電梯主軸或軸承是否失效。由此，可以根據主軸或軸承的可靠性采取對應措施以保障高速電梯的安全性。

圖2 檢測流程圖

4 數據分析

為了驗證高速電梯主軸綜合性能測試裝置的精度，在這里選取某一永磁同步無齒輪曳引機雙支撐簡支結構主軸進行測試,額定速度為4m/s，分別測試3個信號采集點：溫度值1、溫度值2和振動值，速度控制由速度傳感器來實現。表1、表2所示為雙支撐簡支結構主軸在所設計的試驗平臺上的實測結果，其中實測數據是指主軸在試驗時間的高速旋轉情況下，通過傳感器采集主軸及軸承的溫度、振動變化信息，并通過顯示儀進行顯示，同時通過分析單元記錄傳感器采集的主軸及軸承溫度和振動變化信息。設計值是指該永磁同步無齒輪曳引機雙支撐簡支結構主軸廠家生產時在相應運轉速度下的理論值。

表1 溫度實測結果

表2 振動測試結果

在該試驗裝置中對于幾個檢測位置的選取如下：溫度傳感器分別與一對滾動軸承相接觸，用以檢測軸承的溫度信號；位于軸承座下方的振動傳感器，用以檢測軸承的振動信號；位于軸端上方的光電傳感器，用以檢測轉軸的轉速信號。傳感器分別與相應的顯示儀相連接，對高速電梯主軸工作期間的各種信號進行采集、處理。測試對象分別為一根正常主軸和一根故障主軸，并記錄相應速度。

正常主軸和故障主軸的溫度與振動的設計值都是一樣的，溫度值的設計上限是65℃，振動值的波峰因子臨界值為6，峭度值臨界值為4。從正常的無故障主軸測試裝置的試驗結果來看，高速主軸連續運轉之后，高速主軸的溫度和振動基本保持在合理的精度范圍之內，隨著試驗時間的增加，軸承處的溫度和振動有明顯的升高，總體上與速度和時間成正比例關系；對于存在故障的主軸，從測試結果來看溫度和振動參數明顯高于正常值，而且隨著試驗時間的延長溫度和振動越來越厲害，尤其是溫度值2所測的數據相對溫度值1高出很多，基本可以判定在溫度值2測點的軸承存在故障。試驗結果驗證了高速電梯主軸組件綜合性能檢測方法和失效判據是正確的。

5 結語

高速電梯主軸作為電梯曳引機的核心部件，主軸組件的輕微失效可能導致曳引機異響或者振動，嚴重失效可能導致曳引輪移位從而引起曳引輪槽加速磨損、曳引繩滑出曳引輪槽等，對電梯使用形成嚴重的安全隱患。特別是超高速電梯，一旦發生主軸斷裂或者軸承損壞，將直接導致電梯安全事故,后果不堪設想。目前市場上常規的主軸均由鑄鐵制成，由于在鑄造過程中經過大量檢測，因此在安裝至高速電梯曳引機后往往都不再檢測，但主軸在鑄造完成并加裝后，在長期的高速使用過程中可能會對主軸產生損傷，造成主軸強度下降和安全隱患，因此對其進行綜合性能分析及主軸組件的壽命預測有著重要的現實意義。通過檢測后，可以根據使用狀況及時更換曳引機主軸組件，從而更大程度地消除由于主軸組件失效所導致的安全隱患。