電梯曳引輪檢測(cè)現(xiàn)狀及測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

金仲平 董靈軍 張 雍 李 琛

臺(tái)州市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 浙江臺(tái)州 318000

1 研究意義

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展,我國(guó)已經(jīng)成為全球最大電梯制造國(guó)、銷(xiāo)售國(guó)和使用國(guó),截至2022年底,我國(guó)電梯保有量已接近1000萬(wàn)臺(tái),每天約32.2萬(wàn)人坐電梯。因此,電梯是關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行的重要特種設(shè)備。根據(jù)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定,電梯應(yīng)當(dāng)至少每15日進(jìn)行一次清潔、潤(rùn)滑、調(diào)整和檢查,以保證電梯安全可靠地運(yùn)行。曳引輪是電梯垂直運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源,因此,在電梯的檢查維護(hù)保養(yǎng)中,曳引輪的檢查是必不可少的檢查項(xiàng)目。

在TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》和GB24478-2009《電梯曳引機(jī)》中,對(duì)電梯曳引輪及鋼絲繩曳引力的相關(guān)技術(shù)參數(shù)做了明確要求[1],也為維保人員在檢查曳引輪時(shí)提供了依據(jù)。但是目前電梯曳引輪槽磨損檢測(cè)常規(guī)方法主要是依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè),或檢驗(yàn)人員使用角尺、塞尺等工具進(jìn)行測(cè)量后再人為判斷輪槽的磨損程度[2-3],大大影響了檢測(cè)的效率和精度,因此,設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)字化的曳引輪檢測(cè)裝置,實(shí)現(xiàn)曳引輪槽磨損量的定量測(cè)量,對(duì)保障電梯安全運(yùn)行具有重要意義。

2 電梯曳引輪檢測(cè)現(xiàn)狀

電梯曳引輪是電梯傳遞曳引機(jī)動(dòng)力的裝置,利用曳引鋼絲繩與曳引輪緣上繩槽的摩擦力傳遞動(dòng)力,從而實(shí)現(xiàn)電梯在井道內(nèi)的垂直運(yùn)行。常見(jiàn)的曳引輪槽型為帶切口半圓槽的電梯曳引輪如圖,如圖1所示。在電梯運(yùn)行過(guò)程中,曳引輪與鋼絲繩產(chǎn)生摩擦?xí)斐梢芬嗇啿鄣哪p,改變輪槽的特征尺寸,在電梯運(yùn)行過(guò)程中會(huì)影響乘客的乘梯體驗(yàn),甚至產(chǎn)生安全隱患,影響到乘客的生命安全。在曳引輪檢測(cè)中,最重要的就是檢測(cè)輪槽的磨損情況。

圖1 曳引輪鋼絲繩及其繩槽截面示意圖

2.1 曳引輪磨損檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)常用的輪槽磨損狀況的檢驗(yàn)方法有:目視法、角尺+塞尺法、橡皮泥或塑性膠法、規(guī)塞式工裝測(cè)量法、專(zhuān)用深度尺檢驗(yàn)法、聲發(fā)射判斷法、非接觸檢驗(yàn)法[1-3]。塞尺實(shí)物圖如圖2所示。塞尺測(cè)量方法屬于接觸式測(cè)量方法,采用組合式塞尺,將不同厚度的塞尺根據(jù)需求進(jìn)行組合,并塞入曳引輪繩槽和鋼絲繩接觸縫隙。根據(jù)可塞入塞尺的厚度來(lái)判斷縫隙的尺寸。但由于在組合使用過(guò)程中,不同厚度的塞尺之間存在空隙,導(dǎo)致該方法不僅測(cè)量精度低,而且缺乏可溯源的測(cè)量數(shù)據(jù)作為安全評(píng)估的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 塞尺實(shí)物圖

李繼波等人針對(duì)曳引輪繩槽磨損量測(cè)量通用方法的過(guò)程煩瑣、通用性和適應(yīng)性差、測(cè)量精度難以保證的問(wèn)題,發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的接觸式高精度測(cè)量?jī)x,該測(cè)量系統(tǒng)采用容柵式位移傳感器,配備多個(gè)測(cè)量頭,能對(duì)直徑為8～22mm的鋼絲繩進(jìn)行測(cè)量且測(cè)量精度可達(dá)到0.01mm[4]。為了解決接觸式檢測(cè)中無(wú)法進(jìn)行直接磨損測(cè)量的問(wèn)題,陳建勛等人利用激光位移的原理開(kāi)發(fā)了非接觸式的輪槽磨損狀況的檢測(cè)方法,該方法在利用激光位移傳感器掃描出整個(gè)輪槽輪廓尺寸基礎(chǔ)上對(duì)輪槽的多個(gè)特征尺寸進(jìn)行軟件提取分析,實(shí)現(xiàn)了輪槽磨損狀況的全方位檢測(cè)[5]。張湘澤通過(guò)測(cè)試提取電梯曳引輪不同磨損程度時(shí)運(yùn)行過(guò)程中的聲發(fā)射特征信息,分析曳引輪磨損程度與聲發(fā)射信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和演化規(guī)律,構(gòu)建了基于聲發(fā)射特征的曳引輪磨損程度模型,實(shí)現(xiàn)了在電梯運(yùn)行過(guò)程中對(duì)曳引輪磨損程度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和狀態(tài)識(shí)別[6]。針對(duì)基于聲發(fā)射特征的電梯曳引輪磨損識(shí)別方法可靠度低與無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的問(wèn)題,劉士興等人利用工業(yè)相機(jī)和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研發(fā)了一種電梯曳引輪槽磨損檢測(cè)系統(tǒng),采用模擬退火算法進(jìn)行閾值迭代,確定圖像最佳閾值,最終使測(cè)量繩槽的磨損量更加精確,系統(tǒng)測(cè)量的均方根誤差小于0.05mm[7]。

在電梯曳引輪磨損檢測(cè)的研究方面,國(guó)外有著長(zhǎng)久的發(fā)展和技術(shù)積累。Nakazawa Daisuke分析了曳引輪的不均勻磨損對(duì)電梯運(yùn)行過(guò)程中的繩間張力的影響,通過(guò)考慮鋼絲繩的滑移行為,建立了鋼絲繩的張力評(píng)定模型并且對(duì)鋼絲繩張力對(duì)鋼絲繩磨損的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]。Leopold Hrabovsk利用流體力學(xué)原理和壓力傳遞到流體中的Pascal定律,模擬了三根不同繩索設(shè)定不同拉力值時(shí)的平衡狀態(tài),分析了液壓系統(tǒng)正確運(yùn)行和液壓裝置中支撐繩系統(tǒng)平衡拉力的可能性,以減小在電梯運(yùn)行過(guò)程中鋼絲繩與曳引輪之間的摩擦從而減小損耗[9]。Yaman研發(fā)了一種基于圖像處理的電梯導(dǎo)軌表面磨損檢測(cè)的方法,該方法利用內(nèi)建系統(tǒng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè),將圖像處理方法應(yīng)用于攝像機(jī)采集的圖像,將圖像分割和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)應(yīng)用于導(dǎo)軌表面圖像,對(duì)檢測(cè)到的導(dǎo)軌表面圖像進(jìn)行建模計(jì)算,檢測(cè)其磨損程度[10]。

2.2 三維重構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀

通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù),利用三維重構(gòu)算法,抓取電梯曳引輪的結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)建其幾何模型,并與標(biāo)準(zhǔn)曳引輪深度進(jìn)行比對(duì),從而計(jì)算出曳引輪槽的深度差,實(shí)現(xiàn)對(duì)曳引輪槽磨損情況的定量檢測(cè)。該方法可以避免傳統(tǒng)接觸式測(cè)量的諸多弊端,因此本文對(duì)三維重構(gòu)方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

對(duì)于三維重構(gòu)技術(shù)的研究,雖然國(guó)內(nèi)的起步較晚,但是發(fā)展較為迅速。鐘約先研制了一種基于線結(jié)構(gòu)光的多用途傳感器,適用于對(duì)移動(dòng)物體和腐蝕性表面的快速、在線和非接觸的重構(gòu)[11],為國(guó)內(nèi)基于結(jié)構(gòu)光的三維重構(gòu)技術(shù)提供了基礎(chǔ)。李東洋調(diào)研了基于深度學(xué)習(xí)的雙目立體視覺(jué)技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)光技術(shù)并且總結(jié)了當(dāng)下各種技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn),提出了改進(jìn)建議,為后續(xù)研究提供了方向,對(duì)結(jié)構(gòu)光立體視覺(jué)接下來(lái)的研究具有重要意義[12]。在三維重構(gòu)的技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用方面,國(guó)外也有很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和積累。Oh Jong提出了基于雙目攝像機(jī)的立體視覺(jué)算法GPM研發(fā)了一款垃圾箱拾取系統(tǒng),該算法通過(guò)獲取對(duì)象的幾何特征進(jìn)行圖像配準(zhǔn),使用立體聲攝像機(jī)測(cè)量工件中三個(gè)特征的三維位置從而獲得選定工件在拾取候選中的姿態(tài),極大程度地減少了形變和光照變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[13]。俄羅斯國(guó)家航空系統(tǒng)研究所的Knyaz Vladimir調(diào)研了非接觸空間坐標(biāo)測(cè)量和真實(shí)物體計(jì)算機(jī)三維模型生成的攝影測(cè)量方法,提出了一種基于目標(biāo)融合圖像處理的三維坐標(biāo)計(jì)算和曲面重建技術(shù),空間坐標(biāo)測(cè)量的硬件采用PC機(jī)作為處理單元,攝像機(jī)作為圖像采集設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM系統(tǒng)中幾何數(shù)據(jù)快速輸入的三維重建技術(shù)[14]。Snavely Noah聯(lián)合微軟研究院開(kāi)發(fā)了PhotoTourism和Photosynth三維重構(gòu)系統(tǒng),該系統(tǒng)能對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上的照片及照片集進(jìn)行3D場(chǎng)景建模和可視化分析得到所需的三維數(shù)據(jù),重構(gòu)世界上的遺址建筑[15]。Khalid Amin提出了基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的單視角三維重建方法,研討了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的單視點(diǎn)三維重建方法,明確了深度學(xué)習(xí)有助于圖像中重建三維形狀,對(duì)未來(lái)人們的研究方向做出了指導(dǎo)[16]。

2.3 目前電梯曳引輪測(cè)量方法的局限性

(1)目前常用的電梯曳引輪、鋼絲繩檢測(cè)方法多采用人工操作的接觸式檢測(cè),因此對(duì)檢測(cè)裝置、人員的操作水平要求較高,常會(huì)由于人員水平或檢測(cè)裝置的問(wèn)題產(chǎn)生檢測(cè)誤差,導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果可信度不高。(2)目前的測(cè)量方法在對(duì)電梯曳引提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)通常需要停機(jī),導(dǎo)致電梯設(shè)備的運(yùn)載效率降低,同時(shí)用戶(hù)對(duì)電梯使用感受會(huì)降低。(3)目前的檢測(cè)方法只能進(jìn)行定性的合規(guī)性檢測(cè),無(wú)法進(jìn)行精確的定量檢測(cè),無(wú)法對(duì)曳引輪、鋼絲繩的使用壽命進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)警。

因此,本文針對(duì)曳引電梯曳引輪的實(shí)時(shí)定量自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題,提出一種基于圖像識(shí)別、三維重構(gòu)技術(shù)的連續(xù)檢測(cè)方法,結(jié)合數(shù)字化、集成化、小型化的研發(fā)路徑,研制能夠裝置于曳引機(jī)底部的實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)繩、槽磨損的在線檢測(cè)。

3 電梯曳引輪測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

曳引輪測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。該系統(tǒng)由激光發(fā)射器、高速工業(yè)相機(jī)、嵌入式控制板組成其對(duì)曳引輪的圖像識(shí)別模塊,由電源模塊向控制板和激光發(fā)射器進(jìn)行供電。首先,激光發(fā)射器發(fā)出結(jié)構(gòu)激光,照射至曳引輪外沿,隨著電梯運(yùn)行時(shí)曳引輪的轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)構(gòu)激光對(duì)曳引輪表面進(jìn)行全域掃描,同時(shí),高速相機(jī)按照設(shè)定采樣頻率對(duì)曳引輪表面進(jìn)行圖像采集;其次,對(duì)采集到的圖像進(jìn)行濾波降噪處理得到曳引輪表面二維圖像信息,通過(guò)相機(jī)標(biāo)定技術(shù)把二維圖像信息轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)二維圖像的三維重構(gòu),形成曳引輪槽表面三維形貌;最后,提取輪槽深度、間隙等數(shù)據(jù),并與事先標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)曳引輪槽表面數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曳引輪槽磨損量的定量測(cè)量。

(a)曳引輪測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

(b)裝置設(shè)計(jì)圖

(c)裝置實(shí)物圖圖3 曳引輪測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電梯曳引輪檢測(cè)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,得出了對(duì)曳引輪進(jìn)行定量檢測(cè)的必要性;針對(duì)電梯曳引輪磨損量化測(cè)量的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了曳引輪測(cè)量裝置結(jié)構(gòu),并制作了實(shí)物裝置。實(shí)驗(yàn)證明,本裝置有利于提高電梯現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性,有效助力了電梯安全可靠的高質(zhì)量發(fā)展。