李 愷，吳悅明，李晉芳，何志強(qiáng)

（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006；2.廣日電梯，廣州 510006）

電梯曳引能力的智能設(shè)計(jì)

李 愷1，吳悅明1，李晉芳1，何志強(qiáng)2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006；2.廣日電梯，廣州 510006）

提出電梯的智能化虛擬設(shè)計(jì)方法，并著重介紹系統(tǒng)中曳引能力的智能設(shè)計(jì)。按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對電梯曳引能力的要求，建立了曳引能力的校核模型，并結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對原有的窮舉法尋優(yōu)方式做出了改進(jìn)，提出了智能尋優(yōu)算法，解決了原有設(shè)計(jì)效率低下問題，實(shí)現(xiàn)了對電梯曳引能力的智能設(shè)計(jì)，并創(chuàng)建了曳引式電梯的智能虛擬設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計(jì)。

曳引力；虛擬設(shè)計(jì)；智能設(shè)計(jì)；電梯；校核模型

0 引言

近年來隨著國家的現(xiàn)代化進(jìn)程加快，房地產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，隨之而來的是電梯行業(yè)的夢幻增長期，因此整個(gè)行業(yè)對電梯的設(shè)計(jì)效率要求越來越高[1]。目前曳引式電梯主要由八大系統(tǒng)組成：曳引系統(tǒng)、轎廂系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。曳引系統(tǒng)是電梯的核心系統(tǒng)，曳引能力是曳引系統(tǒng)中最重要的組成部分，而傳統(tǒng)的曳引能力校核計(jì)算存在設(shè)計(jì)效率低，對設(shè)計(jì)人員的要求較高等弊端。隨之而來的智能化虛擬設(shè)計(jì)方法，因其高效、低成本的優(yōu)點(diǎn)已越來越多得應(yīng)用到現(xiàn)代制造業(yè)的設(shè)計(jì)進(jìn)程中[2]，本文正是著手于此，結(jié)合智能化虛擬設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的電梯設(shè)計(jì)方法，提出了曳引能力的智能設(shè)計(jì)方法，并開發(fā)了曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

本文中曳引能力的智能設(shè)計(jì)由曳引能力的校核模型和智能設(shè)計(jì)方法所組成。其中曳引能力的校核模型是參考現(xiàn)行國標(biāo)GB7588-2003[3]中的曳引能力的校核計(jì)算式，并結(jié)合某電梯公司中所使用的的校核計(jì)算式所搭建。智能設(shè)計(jì)方法是通過對曳引能力校核模型的分析并參考傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出的，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)效率低下，開發(fā)成本高的問題。

1 曳引能力的校核模型

曳引能力校核計(jì)算主要包括鋼絲繩的曳引力校核以及鋼絲繩的安全系數(shù)校核兩個(gè)部分。其中曳引力校核確定了電梯的動(dòng)力，若曳引力不足轎廂或?qū)χ貍?cè)將會(huì)失去平衡，電梯不能正常運(yùn)行，而鋼絲繩校核確定了鋼絲繩的強(qiáng)度是否足夠，即在額定負(fù)載工況條件下鋼絲繩是否失效。

1.1 曳引力校核

曳引力由曳引輪與鋼絲繩的摩擦產(chǎn)生，通過曳引輪調(diào)整轎廂與對重的相對位置實(shí)現(xiàn)電梯升降，是電梯運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?。曳引力的受力分析圖按GB7588-2003中所描述如圖1所示，T1為轎廂側(cè)鋼絲繩拉力，T2表示為對重側(cè)鋼絲繩拉力，按照GB7588-2003中要求，T1與T2的比值需要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，比值過大或過小都會(huì)出現(xiàn)失衡現(xiàn)象，即轎廂或者對重側(cè)出現(xiàn)異常下墜現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電梯不能正常運(yùn)行。因此曳引力校核是電梯設(shè)計(jì)過程中必不可少的一環(huán)。

圖1 曳引力通常情況計(jì)算圖[3]

國家標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003中要求曳引力的校核標(biāo)準(zhǔn)式如式(1)[3]所示：

式中：T1為轎廂側(cè)鋼絲繩拉力，T2為對重側(cè)鋼絲繩拉力，f表示為當(dāng)量摩擦系數(shù)，α為繩包角，其中T1，T2，f的計(jì)算式可參考GB7588-2003附錄M中的曳引力通用計(jì)算式[3]，這里不再贅述。

GB7588-2003中要求對電梯運(yùn)行的三大工況進(jìn)行校核，分別是裝載工況（125%載重轎廂位于最低層）、緊急制動(dòng)工況（轎廂空載最高層和轎廂額定載重最低層）和滯留工況（轎廂空載位于最高層）[3]，結(jié)合GB7588-2003附錄M中曳引力通用計(jì)算式推導(dǎo)出三大工況校核計(jì)算公式，得到曳引力校核模型。以下是各工況的校核模型：

工況一：

工況二：

1）轎廂空載位于最高層

式中：

2）轎廂額定載重位于最低層

式中：

工況三：

式(2)、式(3)、式(4)、式(5)中各變量所代表的意義與GB7588-2003[3]中所代表的意義相同，本文不再另作表述。

1.2 曳引鋼絲繩校核

曳引鋼絲繩是電梯懸掛裝置的重要組成部分，承受著轎廂和配重的質(zhì)量，依靠其曳引輪繩槽間的摩擦力，將曳引機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞到轎廂并驅(qū)動(dòng)它做升降運(yùn)動(dòng)。曳引力鋼絲繩校核包括兩個(gè)部分：鋼絲繩安全系數(shù)校核和鋼絲繩比壓校核。

1.2.1 鋼絲繩安全系數(shù)校核

曳引鋼絲繩的安全系數(shù)校核是針對鋼絲繩強(qiáng)度進(jìn)行校核，即鋼絲繩的強(qiáng)度是否滿足曳引力的要求，此環(huán)節(jié)是整個(gè)電梯設(shè)計(jì)過程中必不可少的一部分。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB7588-2003中要求，需滿足其三個(gè)條件[3]，同時(shí)鋼絲繩設(shè)計(jì)安全系數(shù)計(jì)算必須大于鋼絲繩許用安全系數(shù)[3]，由此得到鋼絲繩的安全系數(shù)校核模型：

式中：

1.2.2 鋼絲繩比壓校核

鋼絲繩比壓取得過大時(shí)會(huì)影響鋼繩的使用壽命，因此對鋼絲繩的比壓校核也是整個(gè)曳引能力校核中不可缺少的部分。依據(jù)GB7588-2003中的要求以及對電梯的曳引力受力圖進(jìn)行分析，得到鋼絲繩比壓校核模型如下：

式中：

式(6)、式(7)為本模塊中鋼絲繩校核模型，電梯行業(yè)一般按照上述模型對電梯曳引能力進(jìn)行校核計(jì)算。

2 曳引能力的智能設(shè)計(jì)方法

2.1 常用設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)電梯設(shè)計(jì)方式在設(shè)計(jì)完成后，需要對曳引能力進(jìn)行校核計(jì)算，其中曳引能力校核需要同時(shí)滿足式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)的要求，如若未滿足校核條件則需調(diào)整相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)，傳統(tǒng)調(diào)整參數(shù)的方式為的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，此種方式對設(shè)計(jì)人員要求較高，設(shè)計(jì)結(jié)果不確定，存在極大的偶然性。由此提出智能設(shè)計(jì)方法，對前文提出的曳引能力校核模型進(jìn)行分析，可看出該模型屬于非線性多目標(biāo)規(guī)劃問題[4]，涉及的變量較多，變量的變化范圍較大，采用線性求解的方式得到合適的參數(shù)組合顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

對校核方程式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)進(jìn)行分析，按校核條件有6項(xiàng)需要進(jìn)行校核，其中涉及的變量有16個(gè)變量，各個(gè)變量的遍歷范圍雖不大，但尋優(yōu)區(qū)域是變量之間的疊加，整體尋優(yōu)區(qū)域就變得非常巨大。部分變量的遍歷范圍以及遍歷精度如表1曳引校核變量遍歷范圍表。

由表1可知如若按照條件進(jìn)行全體遍歷，需要迭次數(shù)是萬億級的，普通的計(jì)算機(jī)難以滿足其尋優(yōu)要求。為此，需對方法進(jìn)行改進(jìn)。

表1 曳引校核變量遍歷范圍表

2.2 智能設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)電梯設(shè)計(jì)往往是在標(biāo)準(zhǔn)梯型基礎(chǔ)上對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到用戶需求。這一過程通常是以設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所決定，人工調(diào)整使校核合格的偶然性較大，并不適用于現(xiàn)今行業(yè)要求，因此本文提出了智能設(shè)計(jì)方法。

智能設(shè)計(jì)方法借鑒傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，參考人工調(diào)整參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的校核工況通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與該校核條件的相關(guān)變量取值，可實(shí)現(xiàn)校核合格，以滿足設(shè)計(jì)要求。其中智能設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 曳引能力智能尋優(yōu)流程圖

首先判斷有幾項(xiàng)工況校核不通過，模仿人工調(diào)整針對校核合格情況選擇合適的變量，優(yōu)先選擇對不合格工況影響大，對其余校核條件影響小的參數(shù)優(yōu)先遍歷，并且選擇合適的遍歷范圍，用窮舉搜索法進(jìn)行遍歷，得出符合條件的參數(shù)變量組合解集，通過判斷是否為滿意解而得到最優(yōu)值。其中滿意解定義如下：各校核條件的校核空間均充足，即F(x1,x2,…,xn,)＜c0。

雖然曳引能力的校核由六個(gè)校核條件共同決定，其中任意一項(xiàng)校核都不能失效，但是通常情況下，校核計(jì)算過程中往往是只有一、兩項(xiàng)校核不通過，因此在遍歷尋找最優(yōu)解時(shí)，不用對所有的變量進(jìn)行遍歷，可針對不合格工況適當(dāng)選擇變量進(jìn)行遍歷搜尋，用以快速找到最優(yōu)解。由此可對各個(gè)工況的校核模型進(jìn)行分析，找出變量與校核條件的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而找出更高效的尋優(yōu)方法。具體分析過程如下：

通過變量替換等方式將式(1)化為只含自由變量的方程式，如式(8)所示。

由于額定載重Q與曳引比r，在電梯設(shè)計(jì)過程中作為輸入?yún)?shù)使用，在此處可作常量處理，故式(8)可寫成式(9)：

式中：

c0為滿意解的閾值。

由式(9)推導(dǎo)出如變量H，ns，qs與F（P，H，k，ns，nc，qs，β，α）成正相關(guān)，即這幾個(gè)變量的增加會(huì)導(dǎo)致F（P，H，k，ns，nc，qs，β，α）越來越大，以至于達(dá)不到設(shè)計(jì)合格的條件。反之其余變量如α、β、k、H等變量的增加會(huì)使F（P，H，k，ns，nc，qs，qc，β，α)愈小，進(jìn)而使設(shè)計(jì)參數(shù)可允許調(diào)整范圍愈大，使設(shè)計(jì)越容易通過校核。

同理可以得出其他4種工況的校核與各變量的關(guān)系，對應(yīng)關(guān)系見表2變量與各校核條件關(guān)系表。

表2中：

+：表示該變量與校核目標(biāo)函數(shù)正相關(guān)；

-：表示該變量與校核目標(biāo)函數(shù)負(fù)相關(guān)；

：表示與該校核條件無關(guān)。

3 曳引能力智能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

本文提出的曳引能力智能設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計(jì)方法中的一個(gè)模塊，即曳引能力的智能設(shè)計(jì)模塊。

3.1 功能設(shè)計(jì)

該模塊由四個(gè)部分組成：參數(shù)界面，計(jì)算模塊，繪圖模塊和智能優(yōu)化模塊。其中各個(gè)模塊的關(guān)系如圖3所示。

表2 變量與各校核條件關(guān)系表

圖3 曳引能力的智能模塊結(jié)構(gòu)圖

正如圖3所示，參數(shù)界面用于電梯的設(shè)計(jì)參數(shù)的錄入，計(jì)算模塊完成電梯曳引能力的校核計(jì)算工作，繪圖模塊將計(jì)算結(jié)果可視化提供給設(shè)計(jì)人員參考，智能優(yōu)化模塊為計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能尋優(yōu)找到符合滿意解的參數(shù)組合。

3.2 界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：參數(shù)界面、曳引校核優(yōu)化界面和優(yōu)化面板。參數(shù)界面用于參數(shù)錄入和校核結(jié)果顯示，如圖4所示。曳引校核優(yōu)化界面將計(jì)算結(jié)果可視化呈現(xiàn)出來，如圖5所示。優(yōu)化面板提供給設(shè)計(jì)人員手動(dòng)調(diào)整和計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)的功能，如圖6所示。

圖4 參數(shù)界面

圖5 曳引校核優(yōu)化界面

圖6 優(yōu)化面板

3.3 系統(tǒng)實(shí)例

為測試本文提供的方法是否能達(dá)到理想的效果，故此進(jìn)行實(shí)例測試，測試條件為：軟件：Windows10專用版；硬件：CPU:i5-4590 3.30GHz；內(nèi)存（RAM）：4GB。

3.4 實(shí)例測試

輸入?yún)?shù)：額定載重Q為825kg，提升高度為30m，轎門寬度為1200mm，額定速度為1.75m/s作為輸入?yún)?shù)，以某電梯企業(yè)中G·Wiz梯型作為電梯的標(biāo)準(zhǔn)梯型，其中G·Wiz梯型初始數(shù)據(jù)如表3所示。

按上表對電梯曳引能力進(jìn)行校核計(jì)算，經(jīng)智能優(yōu)化模塊尋優(yōu)后得到140個(gè)滿意解如圖7所示，耗時(shí)10秒，選取其中之一對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整得到校核合格。

圖7 滿意解解集圖

4 結(jié)論

本文提出的曳引能力的智能設(shè)計(jì)方法，為曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)中智能設(shè)計(jì)模塊。該系統(tǒng)已在企業(yè)中運(yùn)行使用，企業(yè)反饋良好，其中曳引能力智能設(shè)計(jì)模塊能較好地模擬工程師完成設(shè)計(jì)任務(wù)，設(shè)計(jì)效率與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段相比較有很大提高。

表3 G·Wiz梯型初始數(shù)據(jù)表

【】【】

[1] 張樂祥,中國電梯設(shè)計(jì)與制造新特點(diǎn)[J].建筑工程2015,12(017):34-35.

[2] 劉文,劉艷斌,張星,基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的電梯動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)2012,33(06):82-87.

[3] 全國電梯標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7588-2003,電梯制造與安裝安全規(guī)范 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[4] 田仁,馮毅雄等,機(jī)械產(chǎn)品曳引系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）2009,43(02):220-224.

Intelligent design of elevator traction

LI Kai1, WU Yue-ming1, LI Jin-fang1, HE Zhi-Qiang2

TH211

A

1009-0134(2017)04-0105-05

2016-11-26

李愷（1990 -），男，湖南郴州人，碩士，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁⑻摂M現(xiàn)實(shí)與可視化。