應(yīng)應(yīng)征，方會(huì)松，徐開東，葉立忠（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310022）

基于三軸加速度傳感器的電梯緩沖器測(cè)試方法

應(yīng)應(yīng)征，方會(huì)松，徐開東，葉立忠
（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310022）

為高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)電梯緩沖器，提出一種基于三軸加速度傳感器的測(cè)試方法。使用三軸傳感器采集模擬轎廂懸掛靜止?fàn)顟B(tài)和與電梯緩沖器沖擊過(guò)程中加速度的數(shù)據(jù)，采用懸掛靜止?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)分析計(jì)算豎直向上方向，計(jì)算整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中該方向的加速度值，將三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)投影至豎直向上方向，并根據(jù)投影后的數(shù)據(jù)計(jì)算沖擊過(guò)程的平均加速度與峰值時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明，該方法使用方便，且降低了潛在的人為測(cè)量誤差。

電梯；緩沖器；非線性最小二乘；Levenberg-Marquardt

DOI：10.13669/j.cnki.33-1276/z.2015.057

0　引 言

電梯緩沖器是一種位于轎廂或?qū)χ匦谐潭瞬?，用?lái)吸收轎廂或?qū)χ貏?dòng)能的一種緩沖安全裝置。緩沖器是電梯設(shè)備中對(duì)轎廂或?qū)χ爻桨踩谐痰淖詈笠坏腊踩Ｗo(hù)裝置［1］。鑒于緩沖器對(duì)電梯安全的重要性，國(guó)內(nèi)電梯相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緩沖器做了比較嚴(yán)格的規(guī)定［2］。只有依照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，并且通過(guò)測(cè)試的緩沖器產(chǎn)品才允許生產(chǎn)、銷售。緩沖器測(cè)試最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)為撞擊試驗(yàn)，模擬電梯轎廂自由落體，撞擊緩沖器，采集緩沖器作用過(guò)程中轎廂的豎直方向減速度，以此為依據(jù)判斷緩沖器是否合格。

針對(duì)緩沖器測(cè)試，國(guó)內(nèi)外普遍采用單軸加速度傳感器或單軸力傳感器。卓耀彬?yàn)檠芯恳簤壕彌_器特性構(gòu)建了測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)沖擊測(cè)試采用單軸力傳感器［3］。傅武軍等將單軸加速度傳感器安裝在轎廂底部，測(cè)試沖擊過(guò)程的減速度數(shù)據(jù)［4］。宋桂玉使用單軸拉壓傳感器測(cè)試液壓緩沖器的減震阻力［5］。Watanabe等使用位移傳感器間接測(cè)試轎廂與緩沖器沖擊過(guò)程的加速度數(shù)據(jù)［6］。采用單軸力/加速度傳感器對(duì)于傳感器的安裝提出了較高的要求，傳感器方向要與重力方向一致，一旦傳感器安裝位置發(fā)生移動(dòng)或模擬轎廂發(fā)生偏轉(zhuǎn)，便需要重新調(diào)整、標(biāo)定，對(duì)測(cè)試效率與精度都有較大影響。為有效解決問(wèn)題，本文提出一種基于三軸加速度傳感器的測(cè)試方法。該方法采集試驗(yàn)過(guò)程中三個(gè)方向的加速度，根據(jù)自由懸掛階段的加速度數(shù)據(jù)擬合計(jì)算豎直向上方向，進(jìn)而結(jié)合撞擊過(guò)程三個(gè)方向的加速度計(jì)算轎廂的豎直向上方向加速度值，最后以該加速度值計(jì)算相關(guān)特征數(shù)據(jù)。采用該方法便于傳感器的安裝，在測(cè)試時(shí)只需與被測(cè)物體固定即可，無(wú)需考慮方向問(wèn)題，免去了調(diào)整與方向標(biāo)定的過(guò)程，極大地提高了測(cè)試效率。

1　電梯緩沖器撞擊測(cè)試裝置

圖1　電梯緩沖器撞擊測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

電梯緩沖器撞擊測(cè)試裝置需要模擬電梯轎廂自由落體的過(guò)程，主要分為模擬轎廂、測(cè)距裝置、加速度測(cè)試儀、提升裝置、導(dǎo)向設(shè)備和釋放機(jī)構(gòu)六個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬轎廂用于模擬真實(shí)電梯轎廂，它可以根據(jù)不同的電梯緩沖器參數(shù)增減質(zhì)量；測(cè)距裝置用于測(cè)試模擬轎廂的距離，便于設(shè)定模擬轎廂的自由落體高度；加速度測(cè)試儀用于采集測(cè)試過(guò)程中三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)；提升裝置用于在豎直方向移動(dòng)模擬轎廂的位置；導(dǎo)向設(shè)備用于保證模擬轎廂提升、下降與自由落體過(guò)程運(yùn)動(dòng)方向保持一致；釋放機(jī)構(gòu)用于釋放模擬轎廂，觸發(fā)模擬轎廂的自由落體運(yùn)動(dòng)。被測(cè)試的電梯緩沖器固定連接在地面上。在撞擊測(cè)試之前，根據(jù)電梯緩沖器的參數(shù)設(shè)定模擬轎廂重量與提升高度；開啟傳感設(shè)備，利用釋放機(jī)構(gòu)釋放模擬轎廂，模擬轎廂經(jīng)過(guò)自由落體過(guò)程之后撞擊電梯緩沖器，電梯緩沖器提供制動(dòng)力，降低模擬轎廂的速度直至靜止。

2　測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1豎直向上方向的計(jì)算

在分析計(jì)算特征數(shù)值之前，需要確定豎直向上方向。將三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)換算為豎直向上方向的數(shù)據(jù)，只要處理豎直向上方向的數(shù)據(jù)，因而只要計(jì)算豎直向上方向與傳感器測(cè)量坐標(biāo)系的關(guān)系即可。豎直向上方向與傳感器測(cè)量坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2所示。

圖2　豎直向上方向與傳感器測(cè)量坐標(biāo)系的關(guān)系

圖2中坐標(biāo)系XYZ為傳感器測(cè)量坐標(biāo)系，OG為豎直向上方向，分別表示模擬轎廂在懸掛靜止過(guò)程中傳感器采集到的數(shù)據(jù)，i表示采集到的數(shù)據(jù)序列號(hào)。在懸掛靜止?fàn)顟B(tài)下，加速度傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)即為重力加速度數(shù)據(jù)，方向?yàn)樨Q直向上方向，因而OG在坐標(biāo)系XYZ下的坐標(biāo)為，將該值記為ui，單位化以后得到豎直向上方向在坐標(biāo)系XYZ下的表達(dá)式為：

其中，cos-1（）為反余弦函數(shù)，θi的范圍為［0，π/2］，夾角總和Sθ為：

其中，n為表示懸掛靜止過(guò)程中的序列總數(shù)。尋找一個(gè)，使得Sθ最小，是一個(gè)典型的非線性優(yōu)化問(wèn)題。采用Levenberg-Marquardt算法可以對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解。Levenberg-Marquardt是一種改進(jìn)的高斯-牛頓法［7］，與高斯-牛頓法一樣屬于迭代算法。其算法如下：

其中，x為目標(biāo)函數(shù)自變量，將其單位化以后為。（4）式為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，f（x）與Sθ相對(duì)應(yīng)。F（x）為x的非線性函數(shù)，根據(jù)（3）式可以得到：

（5）式為迭代公式。其中，Jk為第k次迭代的F（x）雅克比矩陣，I為單位矩陣，μk為一個(gè)非負(fù)的參數(shù)。當(dāng)μk趨近0時(shí)，Levenberg-Marquardt算法趨近于Guass-Newton算法；當(dāng)μk趨近無(wú)窮大時(shí)，Levenberg-Marquardt算法趨近最速下降法。

2.2特征數(shù)據(jù)的計(jì)算

電梯緩沖器沖擊試驗(yàn)最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)為沖擊過(guò)程中的平均減速度與減速度處于峰值時(shí)超過(guò)某定值at的時(shí)間tt。需要將沖擊過(guò)程中三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為豎直向上方向的加速度數(shù)據(jù)，即：

其中，ai為沖擊過(guò)程中傳感器得到的三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)，g為重力加速度數(shù)據(jù)，ai為豎直向上方向模擬轎廂的加速度數(shù)據(jù)（該數(shù)據(jù)為一個(gè)標(biāo)量）。在沖擊過(guò)程中平均加速度為：

其中m為沖擊過(guò)程中傳感器采集的數(shù)據(jù)總數(shù)。最大減速度則為ai中的最小值ami n與之對(duì)應(yīng)的序列值imin。向序列的兩邊遍歷ai，統(tǒng)計(jì)小于at的數(shù)據(jù)占用的時(shí)間tt。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用小型多功能塔架作為測(cè)試裝置，如圖3所示?；谌S加速度傳感器的測(cè)試儀物理樣機(jī)如圖4所示。

小型多功能塔架上同時(shí)安裝基于單軸力傳感器的測(cè)試儀（以下簡(jiǎn)稱單軸測(cè)試儀）與基于三軸加速度傳感器的測(cè)試儀（以下簡(jiǎn)稱三軸測(cè)試儀），單軸測(cè)試儀經(jīng)過(guò)計(jì)量與標(biāo)定精度已經(jīng)達(dá)到測(cè)試要求，該測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果將作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與三軸測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。三軸測(cè)試儀啟動(dòng)后加速度數(shù)據(jù)將保存在SD卡中，測(cè)試完畢后統(tǒng)一讀取至電腦中。三軸測(cè)試儀獲取的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖3　小型多功能塔架

圖4　基于三軸加速度傳感器的測(cè)試儀物理樣機(jī)

圖5　三軸測(cè)試儀獲取的數(shù)據(jù)

圖6　　三軸測(cè)試儀與單軸測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4　結(jié) 論

本文提出一種基于三軸加速度傳感器的電梯緩沖器測(cè)試方法，與傳統(tǒng)的基于單軸力傳感器的測(cè)試方法相比，該方法省去了安裝時(shí)的標(biāo)定校準(zhǔn)過(guò)程，方便操作人員使用，降低了潛在的人為測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)表明，基于三軸加速度傳感器的測(cè)試儀物理樣機(jī)與基于單軸力傳感器的測(cè)試儀精度一致。目前，測(cè)試數(shù)據(jù)處理仍需要人為干預(yù)，人工找出沖擊過(guò)程關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，如沖擊起始與結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。下一步的研究重點(diǎn)將根據(jù)沖擊測(cè)試的特點(diǎn)研究自動(dòng)判斷關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的算法。

［1］鄭炯，孫立新，卜四清，等.電梯常識(shí)一本通［M］.北京：中國(guó)質(zhì)監(jiān)出版社，2013：66-67.

［2］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB7588—003電梯制造與安裝安全規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［3］卓耀彬.液壓緩沖器特性及其檢測(cè)方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2006.

［4］傅武軍，朱昌明，張長(zhǎng)友.電梯用油壓緩沖器的動(dòng)態(tài)仿真和試驗(yàn)分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2003，22（4）：80-81，87，113.

［5］宋桂玉.液壓減振器性能的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1998，17（1）：113-114，117.

［6］ Seiji Watanabe，Takeya Okawa，Daisuke Nakazawa，et al.Vertical vibration analysis for elevator compensating sheave［J］. Journal of Physics：Conference Series，2013，448（1）：12007-12015.

［7］ Torge N，Stephen J W.Least-Squares Problems［M］.New York：Springer，2006：262-264.

［責(zé)任編輯：謝樹林］

Test Method of Elevator Buffer Based on Three-axis Acceleration Sensor

YING Zheng， FANG Huisong， XU Kaidong， YE Lizhong
（Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute， Hangzhou，310022， China）

To test elevator buffer efficiently and accurately， a method based on three-axis acceleration sensor was proposed. Three axis sensors were used to collect the data of a stimulated car at the suspended static state and the data of acceleration at the shocking process. The vertical upward direction was acquired by analyzing the suspended static state data. The acceleration data of this direction was obtained. The acceleration data of these three directions was projected to the vertical direction， and the average acceleration and peak time of the impact process were calculated according to the data of the projection. Results show that the method is convenient and reduces the potential of human error.

Elevator； Buffer； Nonlinear least square； Levenberg-Marquard

TP274

A

1671-4326（2015）03-0045-04

2015-06-23

浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（20150221）

應(yīng)應(yīng)征（1983—），男，浙江金華人，浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院工程師，博士；方會(huì)松（1967—），男，浙江杭州人，浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院高級(jí)工程師；徐開東（1977—），男，浙江衢州人，浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院工程師；葉立忠（1974—），男，浙江紹興人，浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院高級(jí)工程師.