基于樣本熵的電梯制動器制動性能檢測方法研究

鮑超超 郝家琦 唐 波 史利鵬 鐘浩盛

（1.舟山市特種設備檢測研究院 舟山 316021）

（2.中國計量大學 計量測試工程學院 杭州 310018）

在日常生活中，電梯是高層建筑中必不可少的通行工具，作為固定式升降設備在生活與生產中扮演著非常重要的角色[1]。由于電梯使用的普遍性，確保其安全可靠的運行是一件具有重要意義的事情。隨著電梯使用年限的增加，制動襯片會因為磨損導致制動性能下降，制動器會因為制動力不足從而發生沖頂、溜梯等安全事故[2]。為了保障電梯乘客的生命財產安全，開展電梯制動器制動性能檢測方法的研究，及時對制動器的故障進行識別是具有重要現實意義的。

目前對于制動器制動性能的檢測分為基于經驗知識與基于數據驅動2種[3]。第1種檢測方法主要為維保人員定期對電梯的制動性能進行巡檢，其依照標準GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》中第5.9.2.2.2.1條中對電梯的制動器的規定：“當轎廂載有125%額定載重量并以額定速度向下運行時，制動器自身能使驅動主機停止運轉。”[4]但是在實際的檢測過程中，這種方法存在測得的數據精度低、實驗操作復雜的問題，并且需要大量的維保員進行人工檢測，定期巡檢也無法實時掌握電梯制動器的運行狀態。

第2種檢測方法可以分為直接與間接2種。直接方法是對制動器的運行參數進行檢測實現制動器的制動性能的檢測。趙結昂等人[5]對制動器的故障機理進行分析并通過建立故障樹的方法得到了影響制動器制動性能的相關指標，通過運行參數評價制動器的制動性能。但是這種方法目前只能應用于型式試驗，為現實中正在使用的電梯安裝大量的傳感器是一件不切實際的事情。

間接方法是指通過運行參數之外的參數來側面評價制動器的制動性能。吳演哲[6]基于制動襯片的摩擦系數與溫度有著直接的關系，通過溫度監測的方法實現對制動器制動性能的檢測，但是在現實的電梯機房中，溫度檢測的結果由于外界溫度的變化存在不穩定性且成本高昂不宜于維護。通過振動信號進行狀態監測與故障診斷擁有精度高、不受環境影響、操作簡單等優點，因此被廣泛應用于機械故障監測中[7]。然而振動監測在電梯制動器性能檢測領域還沒有被應用。

綜上所述，本文通過對常見的電梯鼓式制動器的工作原理分析并建立運動學方程，通過對制動器制動臂的振動加速度的信號進行檢測，然后結合樣本熵提取制動器振動特征，最終實現對制動器制動性能的檢測。

1 制動器的工作原理與運動學分析

1.1 電梯制動器的工作原理

電梯制動器一般安裝于電梯曳引機內，制動器的制動輪與曳引機的曳引輪剛性連接。通過控制制動輪的抱閘與松閘動作，便可以控制曳引輪的啟動與停止，進而控制電梯的運行狀態。電梯鼓式制動器的結構如圖1所示。

圖1 電梯制動器的結構圖

其主要由壓縮彈簧、調節螺母、制動襯片、制動輪、制動臂組成。當電梯啟動時，制動臂打開，釋放電梯運動。當電梯停止時，壓縮彈簧提供制動力使得制動輪停止轉動。

1.2 電梯制動器的運動學分析

電梯制動器在實際的工作環境中，制動輪與兩側的制動襯片都會因為摩擦發生振動。根據實際工況，不僅需要考慮兩側的制動襯片在彈簧力的作用下產生的不同的剛度阻尼關系，同時也要考慮兩側的制動襯片與制動輪之間的剛度阻尼特性。除了剛度與阻尼等制動器本身的結構特性，壓縮彈簧產生的制動力、制動初速度等外部的激勵也是引發制動系統振動的因素。因此，需要綜合考慮兩側的制動襯片的運動狀態與制動襯片和制動輪之間的剛度阻尼耦合狀態，在建立模型之前，根據制動器實際工作狀態制定出假設[8]：

1）假設制動襯片與制動盤的材料有著相同的力學特性，且材料內部在各個點上都有相同的性質。

2）忽略制動器在制動過程中由于現實因素產生的剛度系數、阻尼系數、摩擦因數的變化。

3）假設制動盤在制動過程中，無偏移翻轉現象的發生。

通過對鼓式制動器實際工作原理的分析，以振動理論為基礎，將鼓式制動器簡化為如圖2所示的六自由度動力學模型。

圖2 電梯制動器的運動學模型

六自由度分別為左、右制動襯片沿x水平方向的自由度x1、x3和制動輪沿著x軸水平方向的自由度x2，左、右制動襯片沿y豎直方向的自由度y1、y3和制動輪沿著y軸豎直方向的自由度y2。

設f1， f2分別為左、右制動襯片與制動輪之間的摩擦系數，根據圖2電梯制動器簡化力學模型，考慮鼓式制動器實際工作與左右結構對稱的情況，令 f1=f2=f，m1=m3=m，c1=c3=c，k1=k3=k，c12=c23=c4，k12=k23=k4，可以建立制動盤與摩擦片的六自由度動力學方程，見式（1）：

M——系統的等效質量；

C——系統的等效阻尼系數；

K——系統的等效剛度系數；

F——系統的激勵源。

鼓式制動器的振動主要是由系統的不穩定引起的，假設制動系統本身結構特性不變，制動力的變化會導致制動系統中的激勵力變化，激勵力的變化最終導致振動系統的振動響應改變。

在鼓式制動器的系統中，激勵力主要為制動襯片在制動臂的作用下摩擦制動輪產生的制動力，這個制動力的大小與電梯制動器的制動性能息息相關，也就是說鼓式制動器在制動力的影響下，其振動信號會發生變化，這樣就為通過振動監測實現電梯制動性能檢測奠定了理論基礎，接下來本文通過對實測數據的實驗分析，驗證這種方法的可行性。

2 實驗分析

2.1 實驗設置

本文采用舜宇公司的LV-FS01激光多普勒測振儀對制動器的振動加速度進行測量。測試驅動主機的型號為YJF-180，搭配的制動器型號為PXZD450／2.5-T2。將激光測振儀的激光頭對準鼓式制動器的制動臂，采集被測制動臂的振動信息，設置采樣頻率為6 250，采樣時間為20 s。

采集到的信號如圖3所示，從圖中可以清晰地看出制動器的工作流程存在制動器開閘、曳引機模式切換、制動器抱閘3個時間點，并將整個運行流程按時間排序依次劃分為4個階段，即啟動階段、加速階段、勻速階段、減速階段。

圖3 電梯制動器振動信號

2.2 電梯制動器實測數據分析

根據鼓式制動器的工作原理，電梯制動器制動力的大小與其壓縮彈簧的壓縮量有著直接的關系，可以通過改變壓縮彈簧的壓縮量人為改變制動力的大小，其值呈正相關性。

通過擰緊頂桿螺栓的螺母改變壓縮彈簧的壓縮量，用游標卡尺測量頂桿螺栓的頂部到制動臂的距離用以表示壓縮彈簧壓縮量，從3.1 cm開始以0.05 cm為跨度減少壓縮彈簧的壓縮量。

根據實驗現象可知，當頂桿螺栓到制動臂的距離為3.1 cm時，電磁裝置無法克服壓縮彈簧的彈簧力使得制動臂張開，此時在曳引機運行時可以聽到明顯的摩擦聲，證明制動器發生了帶閘運行的故障；當標尺度數為3.5 cm時，制動器處于制動力不足的狀態，制動襯片無法使得制動輪在規定時間內停止。

經過對實驗數據的對比分析，本文從電梯運行的減速階段選取0.5 s來對不同制動力下的電梯振動信號進行對比。如圖4所示為電梯制動器在不同制動力下減速階段的振動信號時域圖。

圖4 不同制動力下制動器振動信號時域圖

從圖4中可以看出，隨著標尺度數的增大，電梯制動器的制動力逐漸減小，體現在時域圖上就是制動臂摩擦制動輪造成的振動幅值在減小。證明制動力的大小對制動器的振動狀態有明顯的影響，可以作為檢測電梯制動器制動性能的指標。

但是在電梯制動器的實際工作環境中，振動信號包含大量的沖擊成分，其呈現非穩態非周期的特點，導致時域分析無法準確地對振動狀態進行描述，所以需要尋找一個能表示振動信號特征的度量單位。

3 基于樣本熵的電梯制動性能檢測

3.1 樣本熵的原理

“熵”作為泛指某些系統狀態的一種度量單位，在軸承、齒輪箱、電機等機械設備的故障診斷中作為故障特征提取的特征向量取得了很好的效果[9]。

為了實現不同制動力下的電梯制動器振動特征提取的準確性，本文引入“熵”理論，使用樣本熵揭示制動器振動信號在時頻域的不同尺度特征，實現對制動器工作狀態的準確描述。

樣本熵[10]是通過度量信號中產生新模式的概率大小來衡量時間序列的復雜性，新模式產生的概率越大，序列的復雜性就越大。

一般地，對于由N個數據組成的時間序列{x(n)}=x(1)，x(2)，…，x(N)，樣本熵的計算方法如下：

1）由原始信號構建m維向量，見式（9）：

2）定義向量Xm(i)與Xm( j )之間的距離見式（10）：

3）對于給定的Xm(i)，統計Xm(i)與Xm( j )之間距離小于等于相識容限r的j(1≤j≤N-m，j≠i)的數目，并記作Bm。

4）增 加 維 數 到m+1，計 算 Xm+1(i)與Xm+1( j )(1≤j≤N-m，j≠i)距離小于等于r的個數，記為Am。

5）這樣B(m)(r)是2個序列在r下匹配m個點的概率，而A(m)(r)是2個序列在r下匹配m+1個點的概率。樣本熵定義見式（11）：

3.2 電梯制動性能檢測

根據樣本熵理論，樣本熵在面對非穩態非周期的電梯制動器振動信號時可以作為反映信號復雜度的指標，通過計算不同工況下的樣本熵，可以作為制動器故障診斷的依據。計算圖4中標尺度數從3.1 cm至3.5 cm變化時各個跨度振動信號的樣本熵，結果如圖5所示。

圖5 壓縮彈簧標尺度數與樣本熵的關系

從圖4和圖5中可以看出隨著標尺度數的增大，制動器的制動力也在逐漸減小，此時通過振動信號計算所得的樣本熵在增大，其增長趨勢符合制動器的工作機理。

根據1.2節對鼓式制動器的運動學分析，制動器的振動狀態與制動器的制動力有關，制動力的大小會改變制動器的振動信號，振動信號的改變對應著樣本熵的變化。結合2.2節中的具體實驗現象可以得知，標尺度數為3.2～3.35 cm時，制動器的工作狀態為正常；大于3.35 cm時，制動器的制動力不足；小于3.20 cm時，制動器的制動力過大，發生了帶閘運行。從圖5中可以看出，對于此鼓式制動器，當樣本熵為1.8～2時，制動器正常運行；當樣本熵小于1.8或大于2時，制動器的制動性能不滿足正常運行的指標。

綜上所述，使用樣本熵可以建立制動器的振動信號與制動器制動性能之間的關系，樣本熵的大小與制動器的制動力之間呈反比關系，過大與過小的樣本熵都表示電梯的制動性能不滿足正常運行的指標。所以可以通過對電梯制動器振動信號的檢測，并使用樣本熵來提取減速階段的振動特征從而實現對電梯制動器的制動性能檢測。

4 結束語

對電梯制動器制動性能的檢測是防止電梯沖頂、溜梯等事故的發生，保護乘客生命財產安全的重要一環。鼓式制動器作為目前保有量最高、發展時間最長、使用時間最久的電梯制動器類型，隨著使用年限的增加，其安全隱患問題越來越受到行業關注。

本文針對傳統電梯制動器制動力矩檢測方法存在數據精度低、檢測操作復雜且易受環境影響的問題，提出了一種基于樣本熵的電梯制動器制動性能檢測方法，該方法通過采集電梯制動器的振動信號，并計算樣本熵作為振動信號的特征值，最終實現對制動性能的檢測。

通過對電梯制動器的實測數據的分析，不同工況下電梯制動器的振動信號對應的樣本熵與制動力存在聯系，制動力越小，樣本熵越大，并且在樣本熵滿足1.8～2時，電梯制動器處于正常工況。證明該方法可以有效地對電梯制動器制動性能進行檢測，為開發電梯制動器制動性能檢測新方法拓展了思路。