楊凱杰,應晨耕,戴勇磊,周恩澤,楊麗霞,陳棟棟,黃博元

(1.浙江省特種設備科學研究院,浙江 杭州 310020 ) (2.浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室,浙江 杭州 310020)

電梯門系統(tǒng)是電梯的八大系統(tǒng)之一,也是發(fā)生故障和事故最多的系統(tǒng)[1-2]?，F(xiàn)階段電梯門故障研究主要集中在對電梯門系統(tǒng)電氣和程序的故障信號分析上,對于機械故障的研究幾乎沒有涉及[3-6]。電梯門偏心輪是電梯門系統(tǒng)的重要機械部件之一,由于其運行環(huán)境多樣,故障與自身性能的退化有關,且現(xiàn)有電梯門偏心輪故障機理研究尚不完善,導致大量在用電梯門偏心輪并無良好安全保障[7-8]。因此,本文對電梯門系統(tǒng)及其動力學特性進行研究,根據(jù)研究成果判斷電梯門偏心輪是否存在故障。

1 有限元分析與初步設計方案

1.1 電梯門結構及其運行工況分析

本文以某品牌電梯為研究對象,其門尺寸為950 mm×10 mm×2 300 mm,門板厚為1.2 mm。如圖1所示:電梯控制系統(tǒng)驅動電梯門扇水平移動;門扇與門掛板采用螺栓連接;門滾輪安裝在門掛板上,上滾輪(門掛輪)和下滾輪(偏心輪)各兩個;門扇下端螺栓連接門滑塊。

1—門滑塊;2—門扇;3—偏心輪;4—門掛輪;

電梯門系統(tǒng)在不同環(huán)境、不同負荷下的運行狀態(tài)不同,可歸納為正常運行和劇烈抖動運行2種工況,如圖2所示。電梯門在正常運行工況下具有啟閉迅速、運行平穩(wěn)等特點[9];當電梯門碰到偏心輪位置調整不當或磨損時就易出現(xiàn)劇烈抖動運行工況,是電梯門系統(tǒng)故障的一種表現(xiàn)。

a—正常運行;b—劇烈抖動運行

1.2 電梯門系統(tǒng)仿真及其動力學特性分析

依據(jù)電梯門系統(tǒng)結構組成及其調整要求,其主要材料為結構鋼和橡膠,材料參數(shù)見表1,模型約束設置如表2和圖3所示。表2中S為位移,α為旋轉角度。接觸方式設置如下:1)下筋板與滑塊、門掛板與偏心輪、門掛板與門掛輪采用Frictionless接觸;2)偏心輪軸與偏心輪、門掛輪軸與門掛輪采用Frictional接觸;3)螺栓連接等其他接觸采用Bonded接觸。設定摩擦接觸的摩擦系數(shù)為0.1[10]。

表1 電梯門系統(tǒng)主要材料參數(shù)表

表2 電梯門系統(tǒng)模型約束設置表

圖3 電梯門系統(tǒng)模型約束設置圖

經(jīng)模態(tài)分析得到電梯門系統(tǒng)前6階固有頻率和振型,如表3和圖4所示。

圖4 電梯門系統(tǒng)模態(tài)振型圖

2 響應分析與討論

為便于仿真,對圖2中電梯門勻速運行(FG)階段進行分析。電梯門所受驅動力計算公式為[10]:

(1)

(2)

式中:P為電梯門門機功率,取值43.5 W;n為門機轉速,取值180 r/min;T為電梯門門機力矩,N·m;r為門掛輪半徑,取值0.075 m;F為電梯門所受驅動力,N。

由此解得F=30.7 N。

電梯門系統(tǒng)恒定阻尼比設置為0.3[10],輸出為偏心輪連接處的響應加速度,輸出位置如圖1(a)所示。當偏心輪故障時,電梯門除受驅動力作用外,還受沖擊載荷影響[11],如圖5和圖6所示,沖擊載荷大小為186 N,脈寬為0.2 s,方向為Y軸方向。

圖5 故障電梯門載荷施加示意圖

圖6 故障電梯門載荷隨時間變化曲線圖

如圖7所示,當電梯門只受電梯門驅動力作用(偏心輪正常)時,偏心輪處的響應加速度較小,Y軸方向最大響應加速度為2.34×10-3m/s2;Z軸方向最大響應加速度為5.87×10-3m/s2;但當偏心輪受到186 N的沖擊載荷(偏心輪故障)時,其Y軸方向最大響應加速度為0.12 m/s2,Z軸方向最大響應加速度為0.14 m/s2。故障后偏心輪處出現(xiàn)了周期性脈沖響應加速度,并且其值明顯大于故障前的響應加速度。

圖7 偏心輪處響應加速度隨時間變化曲線圖

3 實驗及故障診斷機理分析

3.1 實驗分析

當電梯?？吭谀骋粚诱緯r,人為設置電梯控制方式為信號控制,啟動EVA-625型電梯加速度測量儀后長按關門鍵和開門鍵,所測數(shù)據(jù)為一組電梯門系統(tǒng)關、開門振動信號,據(jù)此采集得到故障偏心輪的振動數(shù)據(jù)。利用db4小波函數(shù)對低頻趨勢項消除后的信號進行5層分解,得到低頻降噪信號。如圖8所示,圖中相鄰虛線之間的時間t(周期)為0.267 s,等于相鄰實線之間的時間(周期)。計算得到電梯門偏心輪行程為0.134 m,其理論周長為0.126 m,誤差率為6.3%,此誤差率在動態(tài)非拆卸的在線測量方法中屬于合理誤差范圍。

圖8 小波處理后故障電梯門偏心輪Y軸方向振動信號曲線圖

3.2 故障診斷機理分析

如圖9所示,電梯門偏心輪在開、關門過程中進行往復運動,且其自身做周期性圓周運動。當電梯門偏心輪發(fā)生故障時,其在運行過程中易產生沖擊載荷,因此電梯門偏心輪發(fā)生故障時就會產生脈沖型故障響應信號,運行一周后再次出現(xiàn)類似信號,反向運行同理。設電梯門偏心輪運行一周的時間為t,則其在t時間內運行路程等于理論周長,因此電梯門偏心輪的故障信號具有周期性和對稱性。

圖9 圓周運動部件故障診斷機理圖

3.3 故障推理

根據(jù)實驗結果,電梯門偏心輪發(fā)生故障時存在周期性故障脈沖信號,并且計算所得電梯門偏心輪行程近似等于其理論周長。因此,實驗所得電梯門偏心輪故障信號與仿真結果和故障判斷機理分析一致,可判斷為電梯門偏心輪的故障。

4 結束語

本文提出了一種基于多體動力學特性分析的電梯門偏心輪振動故障診斷方法,揭示了電梯門偏心輪的振動故障診斷機理,實現(xiàn)了電梯門偏心輪的故障診斷。通過分析故障偏心輪運行時產生的振動信號特征,表明文中所述方法能夠有效診斷電梯門偏心輪的故障,診斷結果準確。