超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

□ 張春娟 □ 巫濤江 □ 余曉毅 □ 劉海兵

1.電梯智能運(yùn)維重慶市高校工程中心 重慶 4022602.重慶能源職業(yè)學(xué)院 重慶 402247

1 設(shè)計(jì)背景

壓電傳感器是一種基于壓電效應(yīng)的傳感器,敏感元件由壓電材料制成,常用的壓電材料有石英、壓電陶瓷等。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷,電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大,以及變換阻抗后,成為正比于所受外力的電量[1-2]。壓電傳感器用于測(cè)量力和可以轉(zhuǎn)換為電的非電物理量,優(yōu)點(diǎn)包括頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量輕等[3],目前已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)及民生領(lǐng)域的監(jiān)控。

電梯是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊环N特殊交通工具。電梯的運(yùn)行速度可以分為低速(<1 m/s)、中速(1～2 m/s)、高速(2～5 m/s)、超高速(>5 m/s)四種,目前,已投入使用的超高速電梯的運(yùn)行速度甚至已經(jīng)超過(guò)16 m/s[4-6]。隨著電梯制造技術(shù)的發(fā)展,各種形式的電梯得到應(yīng)用,如超高層建筑使用的超高速電梯,采用固定在電梯井壁或鋼架上的導(dǎo)軌齒條和轎廂齒輪嚙合形式,導(dǎo)軌是彎的,可以對(duì)轎廂進(jìn)行豎直導(dǎo)向、水平導(dǎo)向、斜行導(dǎo)向,振動(dòng)的影響較大,當(dāng)電梯振動(dòng)超出許可極限時(shí),還會(huì)引發(fā)安全事故。因此,需要對(duì)超高速電梯導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪間的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸實(shí)時(shí)將振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送至電梯監(jiān)控中心,以便對(duì)超高速電梯的運(yùn)行安全狀態(tài)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)。

筆者從理論上分析了超高速電梯導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪結(jié)構(gòu)間的振動(dòng)模型,然后利用壓電傳感器構(gòu)建準(zhǔn)分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),為超高速電梯的運(yùn)行提供實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和安全預(yù)警。

2 水平振動(dòng)模型

電梯系統(tǒng)的振動(dòng)可以分為豎直振動(dòng)和水平振動(dòng)。目前,針對(duì)電梯系統(tǒng)建立的動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)非常多,陳炳炎、于德介等[7-9]在電梯豎直方向建立動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)電梯豎直方向的振動(dòng)進(jìn)行了研究,李立京、Saragai等[10-11]在電梯水平方向建立了動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)電梯水平方向的振動(dòng)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果各有優(yōu)缺點(diǎn)。

超高層建筑使用的超高速電梯,導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪嚙合結(jié)構(gòu)如圖1所示。在超高速運(yùn)行狀態(tài)下,轎廂的水平振動(dòng)齒泵對(duì)導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪的嚙合有重要影響,可通過(guò)監(jiān)控導(dǎo)軌上各點(diǎn)位置的振動(dòng)情況,分析導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪水平振動(dòng)的特性,并進(jìn)一步分析轎廂運(yùn)行的狀態(tài),對(duì)可能出現(xiàn)的安全事故進(jìn)行評(píng)估、預(yù)警及預(yù)測(cè)。筆者建立的超高速電梯導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪水平振動(dòng)模型如圖2所示。

▲圖1 導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪嚙合結(jié)構(gòu)

▲圖2 導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪水平振動(dòng)模型

圖2中,m為轎廂質(zhì)量,V為轎廂運(yùn)動(dòng)速度,y為轎廂水平位移,θ為轎廂擺動(dòng)角位移,J為轎廂擺動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Kd為轎廂齒輪剛度,Cd為轎廂齒輪阻尼,Kx為導(dǎo)軌齒條剛度,Cx為導(dǎo)軌齒條阻尼,yi為轎廂齒輪水平位移,l1為轎廂齒輪Z1與轎廂齒輪Z3到質(zhì)心O的垂直距離,l2為轎廂齒輪Z2與轎廂齒輪Z4到質(zhì)心O的垂直距離。

轎箱被簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體,轎廂齒輪和導(dǎo)軌齒條均被視為線性彈簧-阻尼系統(tǒng),確定形式的導(dǎo)軌齒條激勵(lì)作為模型的輸入,在一定程度上反映了電梯系統(tǒng)的水平振動(dòng)規(guī)律,水平振動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程為:

(1)

(2)

根據(jù)式(1)、式(2),結(jié)合超高速電梯采用導(dǎo)軌齒條與轎廂齒輪嚙合的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以計(jì)算得到在超高速電梯正常運(yùn)行情況下,導(dǎo)軌齒條和轎廂齒輪嚙合結(jié)構(gòu)的一階諧振頻率為98 Hz,導(dǎo)軌中間位置的諧振幅度遠(yuǎn)大于兩端的諧振幅度。

3 監(jiān)控元件

壓電振動(dòng)加速度傳感器屬于慣性傳感器?；趬弘娫膲弘娦?yīng),在壓電振動(dòng)加速度傳感器受振時(shí),質(zhì)量塊加在壓電元件上的力隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于壓電振動(dòng)加速度傳感器的固有頻率時(shí),力的變化與被測(cè)加速度成正比。壓電振動(dòng)加速度傳感器原理如圖3所示。目前,壓電振動(dòng)加速度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車防盜、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線、城市道路維護(hù)、長(zhǎng)距離管道安全防范領(lǐng)域[12-14]。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示,主要包括壓電振動(dòng)加速度傳感器、多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀、光纖收發(fā)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件等部分。壓電振動(dòng)加速度傳感器根據(jù)超高速電梯導(dǎo)軌齒條的監(jiān)控點(diǎn)位置進(jìn)行多點(diǎn)布置,每個(gè)壓電振動(dòng)加速度傳感器需要由一根多芯電纜與多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀相連。多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀用于解調(diào)壓電振動(dòng)加速度傳感器的振動(dòng)信號(hào),數(shù)據(jù)通過(guò)光纖收發(fā)器傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī),通過(guò)監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析及可視化顯示。用于光纖傳輸?shù)墓饫|可以選擇八芯遠(yuǎn)程通信光纜中的任何一芯,多道道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀和光纖收發(fā)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)和光纖收發(fā)器均采用直連串口線連接。

▲圖3 壓電振動(dòng)加速度傳感器原理

▲圖4 超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用的多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀是一種解調(diào)加速度、壓力等物理量的儀器,內(nèi)置信號(hào)放大和濾波電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、快速采集控制器、電光轉(zhuǎn)換模塊等。多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀通過(guò)遠(yuǎn)程通信光纜連接至光纖收發(fā)器,將解調(diào)的多個(gè)通道振動(dòng)信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀可靠性高,測(cè)量準(zhǔn)確度高,安裝及操作簡(jiǎn)單,能夠?qū)铀俣?、壓力等物理量進(jìn)行自動(dòng)采集和處理。多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀安裝時(shí),需要將電源、光纖收發(fā)器、數(shù)據(jù)采集儀放置在一個(gè)防水電氣箱內(nèi),然后將防水電氣箱用焊接的方式固定在導(dǎo)軌架內(nèi)側(cè)。

一般情況下,超高速電梯運(yùn)行時(shí),電梯轎廂齒輪與導(dǎo)軌齒條間的振動(dòng)頻率在10～200 Hz范圍內(nèi)。所采用的壓電振動(dòng)加速度傳感器是一種高靈敏度、高可靠性、防水防潮的微弱振動(dòng)信號(hào)采集傳感器,壓電振動(dòng)加速度傳感器內(nèi)部集成壓電加速度處理電路,輸出電壓信號(hào)可連接標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)采集測(cè)試設(shè)備,適用于索力測(cè)試、結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試等,具體性能參數(shù)見表1。壓電振動(dòng)加速度傳感器加速度測(cè)量范圍為0～15g,完全滿足監(jiān)控要求。壓電振動(dòng)加速度傳感器按預(yù)定位置固定在電梯導(dǎo)軌上。

6 監(jiān)控結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性,采用超高速電梯導(dǎo)軌齒條和轎廂齒輪嚙合結(jié)構(gòu)模型,使用多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀中的六條通道,連接六個(gè)壓電振動(dòng)加速度傳感器,分別設(shè)置于超高速電梯導(dǎo)軌齒條的4.0 m、3.0 m、2.0m、1.8 m、1.0 m、0 m位置。六個(gè)壓電振動(dòng)加速度傳感器安裝于電梯導(dǎo)軌的內(nèi)表面,通電進(jìn)行測(cè)試,電梯運(yùn)行速度為1～2 m/s。超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面如圖5所示。參數(shù)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置后,可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置超高速電梯導(dǎo)軌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率和幅值的報(bào)警閾值。聯(lián)合監(jiān)控過(guò)程表明,超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理和傳輸,接收多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)解調(diào)儀的數(shù)據(jù),并且能夠?qū)崟r(shí)顯示,對(duì)振動(dòng)曲線進(jìn)行快速傅里葉變化分析,計(jì)算出各階頻率和振動(dòng)幅值。數(shù)據(jù)還可以通過(guò)用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議傳輸至主控系統(tǒng)。

表1 壓電振動(dòng)加速度傳感器性能參數(shù)

▲圖5 超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面

超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)輸出的導(dǎo)軌振動(dòng)頻譜如圖6所示。可見,導(dǎo)軌齒條六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的一階諧振頻率范圍為0～100 Hz。導(dǎo)軌齒條1.8 m位置的主頻分量最大,并且諧波噪聲明顯。導(dǎo)軌齒條2.0 m位置的主頻分量次最大,并且諧波噪聲次之。導(dǎo)軌齒條頂部3.0 m、4.0 m,以及底部1.0 m、0 m的主頻分量最小,并且諧波噪聲最弱。以上測(cè)試結(jié)果與理論預(yù)期一致。監(jiān)控中,筆者重復(fù)進(jìn)行測(cè)試1 000多次,監(jiān)控軟件輸出的重復(fù)性良好,驗(yàn)證了所構(gòu)建的超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性。

▲圖6 導(dǎo)軌振動(dòng)頻譜

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于壓電振動(dòng)加速度傳感器,設(shè)計(jì)了超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)控結(jié)果確認(rèn),超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng),對(duì)振動(dòng)曲線進(jìn)行快速傅里葉變換分析,計(jì)算各階頻率和幅值,監(jiān)控結(jié)果與理論預(yù)期一致。

超高速電梯振動(dòng)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以為導(dǎo)軌齒條和轎廂齒輪嚙合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與安全預(yù)警功能。