電梯振動監(jiān)測與診斷技術(shù)研究

竇巖 張維皓 郭蘭中 韓成

摘?要：利用目前監(jiān)測方法從信息系統(tǒng)中采集并判斷電梯曳引機的運行狀態(tài)，當(dāng)電梯關(guān)鍵零部件發(fā)生嚴(yán)重故障的時候能給予警告并進行報警，用以保障電梯正常安全運行，從而提高電梯運行的可靠性。

關(guān)鍵詞：電梯檢測;振動監(jiān)測;振動診斷技術(shù)

電梯曳引機運行狀態(tài)監(jiān)測是利用監(jiān)測方法從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)信息挖掘過程中，判斷被測對象運行狀態(tài)，在零部件發(fā)生故障之前能夠給出警告和預(yù)報，針對曳引機研發(fā)特定的在線運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)鍵零部件的實時監(jiān)測和運行健康狀態(tài)分析是目前研究的重點。

1 電梯傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測診斷

曳引機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，尤其工況和載荷變化的情況下長期運行，也容易發(fā)生故障。常見的故障有齒輪和軸承故障，軸承最為曳引機關(guān)鍵部件，其失效會引起災(zāi)難性破壞，常見曳引故障有斷齒、齒面疲勞、膠合等;軸承故障有磨損、點蝕、裂紋、表面剝落等等。

2 曳引機裝備整機狀態(tài)評估基本原理及方法

時域統(tǒng)計分析簡單、便捷實現(xiàn)在線預(yù)警、報警，因此曳引機狀態(tài)評估與預(yù)警通常采用數(shù)據(jù)時域統(tǒng)計方法。通過數(shù)據(jù)時域統(tǒng)計分析對曳引機整體狀態(tài)做出評估，再針對數(shù)據(jù)具體問題診斷，是電梯曳引機機械故障診斷的常見方法。

（1）振動參量選擇。曳引機振動的確定方式有位移、速度和加速度，振動位移可以反映出大小，振動速度可以反應(yīng)能量，表達振動的破壞力，振動加速度反映沖擊力。結(jié)合狀態(tài)評估目的確定其操作可行性，選擇振動及速度信號作為被測信號。

（2）振動測試點布置選擇。進行數(shù)據(jù)采集，對于振動測試點布置選擇很重要，要提取故障特征，一般選擇剛性支撐點，比如機座或軸承座等。根據(jù)曳引機實際運行情況，其主軸和軸承所受變化的載荷，容易出現(xiàn)故障，通過監(jiān)測軸承的振動，發(fā)現(xiàn)其潛在故障，測試點應(yīng)盡量選擇靠近軸承的承載區(qū)。

（3）振動數(shù)據(jù)處理方法。振動數(shù)據(jù)采集時，規(guī)定振動數(shù)據(jù)測試曳引機起動、停止、加減速整個運轉(zhuǎn)過程的振動加速度值，除特殊原因外，引起振動的原因有，軸承座剛度、轉(zhuǎn)速周期性變化，軸剛度的非線性、軸或齒輪磨損偏心及其不平衡。轉(zhuǎn)速周期變化、軸齒輪磨損、偏心和不平衡的振動與轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，其余振動同樣也會影響轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)時域參數(shù)和數(shù)據(jù)指標(biāo)計算將相應(yīng)采集數(shù)據(jù)按時間段劃分成n個部分，分開計算某一階段轉(zhuǎn)速對應(yīng)的數(shù)據(jù)時域參數(shù)和數(shù)據(jù)指標(biāo)，用以減少轉(zhuǎn)速變化引起的振動影響，再將n組數(shù)據(jù)進行求和再平均，當(dāng)作為數(shù)據(jù)的最后指標(biāo)值。

a?rms=1T?0∑nT?m=1a2?rms（T?m）T?i?式中，?T?i?為曳引機振動測量值?a（t）?的單位計算時間，可根據(jù)實際情況取0.1s、1s、2s、4s等值;?T?0?為曳引機振動測試的狀態(tài)評估時間，?T?0=∑ni=1T?i?;?T?m?為評估時間?T?0?的時間歷程（?T?m=T?i，2T?i，...，nT?i?）;?a?rms（T?m）?為測量值?a（t）?單位計算時間?T?i?內(nèi)的均方根值（?rootmeansquare，rms?）?a?rms（T?m）=1T?i∫T?m?T?m-T?ia2（t）dt?。?KF=1T?0∑nT?m=1K?e（T?m）?，式中，KF為峭度指標(biāo)，?K?e（T?m）=β（T?m）（δ2?a（T?m））2?;?β（T?m）?為測量值單位計算時間?T?i?內(nèi)的峭度，?β（T?m）=1T?i∫T?m?T?m-T?i（a（t）-μ?a）4dt?;?δ2?a（T?m）?為測量值單位計算時間?T?i?內(nèi)的方差，?δ2?a（T?m）=1T?i∫T?m?T?m-T?i（a（t）-μ?a）2dt?;?μ?a（T?m）?為測量值單位計算時間?T?i?內(nèi)的方差，?μ?a（T?m）=1T?i∫T?m?T?m-T?ia（t）dt?。?CLF=1T?0∑ne=1L?e（T?m）?式中，CLF為數(shù)據(jù)裕度指標(biāo);?L?e（T?m）?為測量值?a（t）?單位計算時間?T?i?內(nèi)的數(shù)據(jù)峭度指標(biāo)。?L?e（T?m）=a?pe（T?m）a?re（T?m）?式中，?a?pe（T?m）?為測量值?a（t）?單位計算時間?T?i?內(nèi)的峰值，?a?pe（T?m）=E[?max?a（t）]?;?a?re（T?m）?為測量值?a（t）?單位計算時間?T?i?內(nèi)的方根幅值，?a?re（T?m）=1T?i∫T?i?T?m-T?ia（t）dt2?。

3 數(shù)據(jù)時域統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)時域統(tǒng)計分析為曳引機裝備振動狀態(tài)評估、實現(xiàn)曳引機振動監(jiān)測方法。曳引機振動信號時域統(tǒng)計分析是指曳引機振動信號?a（t）?的各種數(shù)據(jù)時域參數(shù)和數(shù)據(jù)指標(biāo)評估與計算。當(dāng)曳引機連續(xù)運行可靠性下降時，若曳引機齒輪或軸承磨損、偏心等原因，振動能量必將增大、振動信號中的沖擊脈沖增加、沖擊幅值增大，振動概率密度函數(shù)也將隨之緩慢變化。

（1）曳引機數(shù)據(jù)庫知識發(fā)掘的基本理論。電梯曳引機裝備的運行對其電梯正常運行有著直接地影響。采取電梯離線和在線曳引機裝備狀態(tài)檢測和故障診斷系統(tǒng)，通過長期運行數(shù)據(jù)采集，建立強大數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行分析，進一步理解和分析振動對曳引機正常運行狀態(tài)的影響。基于曳引機數(shù)據(jù)庫知識發(fā)掘為從大量運行數(shù)據(jù)中提取有效地、潛在地、有用地、新顯的被采用模式的方法。模式方法過程有運行數(shù)據(jù)選擇、預(yù)處理、變換、挖掘、評估、評價、預(yù)期等等，是反復(fù)迭代的人機交互處理過程，在電梯實際運行過程中，將曳引機數(shù)據(jù)庫知識發(fā)掘過程分為運行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)預(yù)期和數(shù)據(jù)迭代等。

（2）電梯曳引機數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。所謂電梯曳引機數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是在分析電梯曳引機原始運行數(shù)據(jù) 以產(chǎn)生品質(zhì)高的數(shù)據(jù)系列活動，主要包括運行數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)約簡和數(shù)據(jù)清洗等等。在曳引機運行數(shù)據(jù)庫中，按其數(shù)據(jù)屬性進行歸類，形成數(shù)據(jù)概念匯聚點，各數(shù)據(jù)屬性值和數(shù)據(jù)概念抽象成為數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)，將這種結(jié)構(gòu)成為數(shù)據(jù)概念樹。數(shù)據(jù)概念樹實質(zhì)上是將一個數(shù)據(jù)記錄合并的處理，本質(zhì)核心為執(zhí)行面向各數(shù)據(jù)屬性的歸納。所謂電梯曳引機數(shù)據(jù)挖掘為基于曳引機數(shù)據(jù)庫知識發(fā)現(xiàn)的重要過程，主要是利用數(shù)據(jù)特點的算法，在一定的數(shù)據(jù)運算效率范圍內(nèi)，從運行數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其期望之知識，決定整個數(shù)據(jù)過程的效果與效率。

4 總結(jié)

通過大量的持久的電梯曳引機狀態(tài)的監(jiān)測，逐漸地建立電梯曳引機裝備的振動數(shù)據(jù)庫，并對運行數(shù)據(jù)處理和維護，在進行信號分析處理的基礎(chǔ)上，提出分析和評估曳引機振動狀態(tài)的方法，確定曳引機振動狀態(tài)等級及其相應(yīng)地閾值，對實踐工程有參考意義。

參考文獻：

[1]徐敏，等.設(shè)備故障診斷手冊—機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷.西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

[2]程航.風(fēng)電裝備振動狀態(tài)評估方法及故障微弱信號監(jiān)測研究.西安：西安交通大學(xué)，2012.