基于動力學(xué)分析的電梯門偏心輪故障研究

楊凱杰,應(yīng)晨耕,戴勇磊,周恩澤,楊麗霞,陳棟棟,黃博元

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,浙江 杭州 310020 ) (2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)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(guān),且現(xiàn)有電梯門偏心輪故障機理研究尚不完善,導(dǎo)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(xué)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(shè)計方案

1.1 電梯門結(jié)構(gòu)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(qū)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(dāng)電梯門碰到偏心輪位置調(diào)整不當(dāng)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(xué)特性分析

依據(jù)電梯門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其調(diào)整要求,其主要材料為結(jié)構(gòu)鋼和橡膠,材料參數(shù)見表1,模型約束設(shè)置如表2和圖3所示。表2中S為位移,α為旋轉(zhuǎn)角度。接觸方式設(shè)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(shè)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(shè)置表

圖3 電梯門系統(tǒng)模型約束設(shè)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(yīng)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(qū)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(zhuǎn)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(qū)動力,N。

由此解得F=30.7 N。

電梯門系統(tǒng)恒定阻尼比設(shè)置為0.3[10],輸出為偏心輪連接處的響應(yīng)加速度,輸出位置如圖1(a)所示。當(dāng)偏心輪故障時,電梯門除受驅(qū)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(dāng)電梯門只受電梯門驅(qū)動力作用(偏心輪正常)時,偏心輪處的響應(yīng)加速度較小,Y軸方向最大響應(yīng)加速度為2.34×10-3m/s2;Z軸方向最大響應(yīng)加速度為5.87×10-3m/s2;但當(dāng)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(yīng)加速度為0.12 m/s2,Z軸方向最大響應(yīng)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(yīng)加速度,并且其值明顯大于故障前的響應(yīng)加速度。

圖7 偏心輪處響應(yīng)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(dāng)電梯停靠在某一層站時,人為設(shè)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(guān)門鍵和開門鍵,所測數(shù)據(jù)為一組電梯門系統(tǒng)關(guān)、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(guān)門過程中進行往復(fù)運動,且其自身做周期性圓周運動。當(dāng)電梯門偏心輪發(fā)生故障時,其在運行過程中易產(chǎn)生沖擊載荷,因此電梯門偏心輪發(fā)生故障時就會產(chǎn)生脈沖型故障響應(yīng)信號,運行一周后再次出現(xiàn)類似信號,反向運行同理。設(shè)電梯門偏心輪運行一周的時間為t,則其在t時間內(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)束語

本文提出了一種基于多體動力學(xué)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(chǎn)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(jié)果準(zhǔn)確。