基于飛行時間的電梯制動性能檢測裝置設計*

傅倩倩 馬海霞 李中興

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基于飛行時間的電梯制動性能檢測裝置設計*

傅倩倩1馬海霞2李中興1

（1.廣州特種機電設備檢測研究院 2.華南理工大學廣州學院電氣工程學院）

針對目前電梯制動器現(xiàn)場檢測主要靠目測和驗證性試驗完成，缺乏可靠儀器進行現(xiàn)場檢測的現(xiàn)狀，設計一套便攜式電梯制停參數(shù)檢測裝置。該裝置基于飛行時間的測距技術(shù)和微機電系統(tǒng)電容式加速度傳感器的測量原理，對電梯制停過程中的制停距離和平均制停減速度進行測量，結(jié)合制停時間，綜合判斷電梯制動性能。試驗結(jié)果表明：該裝置測得電梯加速度與現(xiàn)有方法測試結(jié)果吻合，且制停距離測量偏差減小了75%。

電梯安全；制動器；飛行時間；制動性能

0　前言

電梯制動系統(tǒng)是保障電梯安全運行的重要組成部分，電梯的大部分運行控制和安全保護，都要依賴制動系統(tǒng)的動作得以實現(xiàn)[1-3]。制動器制動力矩不足、制動機構(gòu)出現(xiàn)卡阻、控制系統(tǒng)電氣粘連等現(xiàn)象，都可能造成制動器制動安全功能失效，導致電梯墜落、沖頂和剪切等惡性事故的發(fā)生[4-5]。國內(nèi)外學者在電梯制停參數(shù)檢測領(lǐng)域已經(jīng)開展多年研究，并取得一定的成果[6-10]。其中美國奧的斯電梯公司的Juan A. Lence Barreiro等人，在專利20110240414中提出了用于監(jiān)視電梯裝置的系統(tǒng)，包括檢測器和監(jiān)視裝置，檢測電梯狀況或事件，并監(jiān)視相關(guān)聯(lián)的電梯轎廂的狀態(tài)，對于異?，F(xiàn)象進行監(jiān)測并輸出；上海大學的陳紅、馮永慧和馮玉豹等學者借鑒汽車鼓式制動器的工作原理到電梯制動器的研究，開發(fā)了一種具有制動功能的電梯滾動導靴，并利用SolidWorks軟件對其進行三維建模。雖然上述研究都可以間接監(jiān)測制動器的動作情 況，但仍難以實現(xiàn)直接測試制動器性能。近年來，因電梯制動器故障引起的事故仍時有發(fā)生，有些甚至引發(fā)嚴重傷亡[11-12]。為提高電梯檢測水平，減少事故的發(fā)生，本文設計基于飛行時間（time of flight，TOF）的電梯制動性能檢測裝置，基于TOF的測距技術(shù)和微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）電容式加速度傳感器的測量原理，采用ARM處理器對電梯制停過程中的制停距離和平均制停減速度進行測量，提出量化檢測制動性能的方法。

1　硬件設計

基于TOF的電梯制動性能檢測裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該裝置主要由傳感測量單元、信號采集單元、ARM處理單元和人機交互單元4部分組成。測量過程為：電梯正常運行達到額定速度，儀器實時采集電梯的位移和加速度；斷開電源，當電梯滑行停止后得到制停距離和平均制停減速度的測量值。

圖1　基于TOF的電梯制動性能檢測裝置總體硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1裝置主控電路設計

ARM處理器STM32103RC在電梯制動性能檢測裝置中起到核心作用，完成所有的數(shù)據(jù)處理和控制功能。STM32103RC的最小系統(tǒng)由數(shù)字電源、模擬電源、復位電路、調(diào)試電路和時鐘振蕩電路等部分組成，原理圖如圖2所示。

圖2　主控電路原理圖

1.2距離采集電路

采用基于TOF測距技術(shù)的距離傳感器LDM41采集的距離數(shù)據(jù)信號是負邏輯RS232電平，而ARM處理器采用的是正邏輯TTL電平，因此距離數(shù)據(jù)信號無法直接被ARM處理器識別，需要通過RS232與TTL轉(zhuǎn)換電路進行電平轉(zhuǎn)換。距離采集電路原理圖如圖3所示。

圖3　距離采集電路原理圖

距離傳感器LDM41采集的距離信號以RS232電平的形式通過MAX232芯片的R2I口輸入，轉(zhuǎn)化為TTL電平后從R2O口輸出給ARM處理器處理；而ARM處理器的控制信號則以TTL電平的形式通過MAX232芯片的T2I口輸入，轉(zhuǎn)化為RS232電平后從T2O口輸出給距離傳感器LDM41，實現(xiàn)對距離傳感器LDM41的控制功能。

2　軟件設計

基于TOF的電梯制動性能檢測裝置的軟件功能流程圖如圖4所示。

圖4　基于TOF的電梯制動性能檢測裝置軟件功能流程圖

由圖(4)可知，在利用該檢測裝置對電梯制停參數(shù)檢測之前，首先需要在檢測裝置中輸入電梯運行額定速度0、電梯轎廂重量、額定負載重量和電梯平衡系數(shù)等相關(guān)信息。再依據(jù)《TSG T7017-2005電梯曳引機型式試驗細則》確定制動器平均制停減速度的取值范圍（0.2 g~1.0 g），并計算當min=0.2 g時的最大制停距離和最大制停時間；當max=1.0 g時的最小制停距離和最小制停時間，以此確定制停距離和制停時間的范圍，供后續(xù)檢測判斷時使用。

根據(jù)上述分析，由加速度、速度和距離的關(guān)系得到不同額定速度下制停距離的取值范圍，如表1所示。

表1　不同額定速度下電梯的制停距離

3　試驗結(jié)果

以某品牌已使用21年的電梯為測試對象，額定速度1.5 m/s，額定載重1000 kg，主機額定功率15 kW，28層28站，蝸輪蝸桿傳動，交流調(diào)壓調(diào)速。分別采用現(xiàn)有痕跡法和基于TOF的電梯制動性能檢測裝置進行測試，制停距離測試結(jié)果如表2所示。

表2　制停距離測試結(jié)果

由表2可知，現(xiàn)有痕跡法測試誤差較大，5次測試結(jié)果最大偏差0.08 m，便攜式測試儀測試偏差較小，僅為0.02 m。

綜上，測試結(jié)果表明，采用該裝置對制停距離的測試結(jié)果較現(xiàn)有測試方法誤差更小，有利于提高測試精度，簡化測試程序。

4　結(jié)語

采用基于TOF測距技術(shù)的測量原理對電梯制停過程中的制停距離進行測試。試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，該裝置制停距離測試更加簡便，且制停距離測量偏差由原來的0.08 m，減小到0.02 m，減小幅度達75%。后續(xù)將對設備進行計量定型，并推廣應用到電梯安全評估檢測上。

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Design of Elevator Braking Performance Testing Device Based on Time of Flight

Fu Qianqian1Ma Haixia2Li Zhongxing1

(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Guangzhou College of South China University of Technology School of Electrical Engineering)

Brake is the key component to ensure safe operation of elevator. Existing testing method of brake mainly is to watch and confirmatory test. Aim to the status that cannot reliably detect the brake, this paper designed a parameter detection device for elevator. Based on the time of flight (TOF) technology and micro-electromechanical (MEMS) capacitive acceleration sensor, measuring stopping distance and the mean deceleration of the elevator, combined with the stopping time, elevator braking performance can be evaluated. The results show that the acceleration test value of the designed device consistent with existing method and the measurement error of stopping distance is reduced by 75%.

Elevator Safety; Brakes; Time of Flight; Braking Performance

傅倩倩，女，1986年生，工學學士，主要研究方向：電梯檢驗檢測相關(guān)技術(shù)等。E-mail: qianqian0916 @foxmail.com

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目（2016PT01、2017CT21）；廣州市科技創(chuàng)新委員會科技計劃項目（2015109010008）。