李 愷，吳悅明，李晉芳，何志強

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

電梯曳引能力的智能設(shè)計

李 愷1，吳悅明1，李晉芳1，何志強2

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

提出電梯的智能化虛擬設(shè)計方法，并著重介紹系統(tǒng)中曳引能力的智能設(shè)計。按現(xiàn)行國家標準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)計經(jīng)驗對原有的窮舉法尋優(yōu)方式做出了改進，提出了智能尋優(yōu)算法，解決了原有設(shè)計效率低下問題，實現(xiàn)了對電梯曳引能力的智能設(shè)計，并創(chuàng)建了曳引式電梯的智能虛擬設(shè)計原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計。

曳引力；虛擬設(shè)計；智能設(shè)計；電梯；校核模型

0 引言

近年來隨著國家的現(xiàn)代化進程加快，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，因此整個行業(yè)對電梯的設(shè)計效率要求越來越高[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)、電力拖動系統(tǒng)、門系統(tǒng)、重量平衡系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護系統(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)的曳引能力校核計算存在設(shè)計效率低，對設(shè)計人員的要求較高等弊端。隨之而來的智能化虛擬設(shè)計方法，因其高效、低成本的優(yōu)點已越來越多得應(yīng)用到現(xiàn)代制造業(yè)的設(shè)計進程中[2]，本文正是著手于此，結(jié)合智能化虛擬設(shè)計方法與傳統(tǒng)的電梯設(shè)計方法，提出了曳引能力的智能設(shè)計方法，并開發(fā)了曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計系統(tǒng)。

本文中曳引能力的智能設(shè)計由曳引能力的校核模型和智能設(shè)計方法所組成。其中曳引能力的校核模型是參考現(xiàn)行國標GB7588-2003[3]中的曳引能力的校核計算式，并結(jié)合某電梯公司中所使用的的校核計算式所搭建。智能設(shè)計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)計經(jīng)驗提出的，解決了傳統(tǒng)設(shè)計開發(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)校核兩個部分。其中曳引力校核確定了電梯的動力，若曳引力不足轎廂或?qū)χ貍?cè)將會失去平衡，電梯不能正常運行，而鋼絲繩校核確定了鋼絲繩的強度是否足夠，即在額定負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現(xiàn)電梯升降，是電梯運行的主要動力。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準[3]，比值過大或過小都會出現(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，進而導致電梯不能正常運行。因此曳引力校核是電梯設(shè)計過程中必不可少的一環(huán)。

圖1 曳引力通常情況計算圖[3]

國家標準GB7588-2003中要求曳引力的校核標準式如式(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表示為當量摩擦系數(shù)，α為繩包角，其中T1，T2，f的計算式可參考GB7588-2003附錄M中的曳引力通用計算式[3]，這里不再贅述。

GB7588-2003中要求對電梯運行的三大工況進行校核，分別是裝載工況（125%載重轎廂位于最低層）、緊急制動工況（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中曳引力通用計算式推導出三大工況校核計算公式，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，將曳引機產(chǎn)生的動力傳遞到轎廂并驅(qū)動它做升降運動。曳引力鋼絲繩校核包括兩個部分：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度進行校核，即鋼絲繩的強度是否滿足曳引力的要求，此環(huán)節(jié)是整個電梯設(shè)計過程中必不可少的一部分。根據(jù)國家標準GB7588-2003中要求，需滿足其三個條件[3]，同時鋼絲繩設(shè)計安全系數(shù)計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會影響鋼繩的使用壽命，因此對鋼絲繩的比壓校核也是整個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行校核計算。

2 曳引能力的智能設(shè)計方法

2.1 常用設(shè)計方法

傳統(tǒng)電梯設(shè)計方式在設(shè)計完成后，需要對曳引能力進行校核計算，其中曳引能力校核需要同時滿足式(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)計參數(shù)，傳統(tǒng)調(diào)整參數(shù)的方式為的經(jīng)驗調(diào)整，此種方式對設(shè)計人員要求較高，設(shè)計結(jié)果不確定，存在極大的偶然性。由此提出智能設(shè)計方法，對前文提出的曳引能力校核模型進行分析，可看出該模型屬于非線性多目標規(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)實的。

對校核方程式(2)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)進行分析，按校核條件有6項需要進行校核，其中涉及的變量有16個變量，各個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行全體遍歷，需要迭次數(shù)是萬億級的，普通的計算機難以滿足其尋優(yōu)要求。為此，需對方法進行改進。

表1 曳引校核變量遍歷范圍表

2.2 智能設(shè)計方法

傳統(tǒng)電梯設(shè)計往往是在標準梯型基礎(chǔ)上對相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整以達到用戶需求。這一過程通常是以設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗所決定，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)計方法。

智能設(shè)計方法借鑒傳統(tǒng)設(shè)計手段，參考人工調(diào)整參數(shù)的經(jīng)驗，根據(jù)不同的校核工況通過適當?shù)恼{(diào)整與該校核條件的相關(guān)變量取值，可實現(xiàn)校核合格，以滿足設(shè)計要求。其中智能設(shè)計流程如圖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校核條件共同決定，其中任意一項校核都不能失效，但是通常情況下，校核計算過程中往往是只有一、兩項校核不通過，因此在遍歷尋找最優(yōu)解時，不用對所有的變量進行遍歷，可針對不合格工況適當選擇變量進行遍歷搜尋，用以快速找到最優(yōu)解。由此可對各個工況的校核模型進行分析，找出變量與校核條件的數(shù)學關(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)，即這幾個變量的增加會導致F（P，H，k，ns，nc，qs，β，α）越來越大，以至于達不到設(shè)計合格的條件。反之其余變量如α、β、k、H等變量的增加會使F（P，H，k，ns，nc，qs，qc，β，α)愈小，進而使設(shè)計參數(shù)可允許調(diào)整范圍愈大，使設(shè)計越容易通過校核。

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函數(shù)正相關(guān)；

-：表示該變量與校核目標函數(shù)負相關(guān)；

：表示與該校核條件無關(guān)。

3 曳引能力智能設(shè)計的實現(xiàn)

本文提出的曳引能力智能設(shè)計的實現(xiàn)是曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計方法中的一個模塊，即曳引能力的智能設(shè)計模塊。

3.1 功能設(shè)計

該模塊由四個部分組成：參數(shù)界面，計算模塊，繪圖模塊和智能優(yōu)化模塊。其中各個模塊的關(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)計參數(shù)的錄入，計算模塊完成電梯曳引能力的校核計算工作，繪圖模塊將計算結(jié)果可視化提供給設(shè)計人員參考，智能優(yōu)化模塊為計算機進行智能尋優(yōu)找到符合滿意解的參數(shù)組合。

3.2 界面設(shè)計

界面設(shè)計分為三個部分：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)計人員手動調(diào)整和計算機智能設(shè)計的功能，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)實例

為測試本文提供的方法是否能達到理想的效果，故此進行實例測試，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梯型作為電梯的標準梯型，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行校核計算，經(jīng)智能優(yōu)化模塊尋優(yōu)后得到140個滿意解如圖7所示，耗時10秒，選取其中之一對參數(shù)進行調(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)計方法，為曳引式電梯的智能化虛擬設(shè)計系統(tǒng)中智能設(shè)計模塊。該系統(tǒng)已在企業(yè)中運行使用，企業(yè)反饋良好，其中曳引能力智能設(shè)計模塊能較好地模擬工程師完成設(shè)計任務(wù)，設(shè)計效率與傳統(tǒng)設(shè)計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)計與制造新特點[J].建筑工程2015,12(017):34-35.

[2] 劉文,劉艷斌,張星,基于虛擬樣機技術(shù)的電梯動態(tài)設(shè)計與優(yōu)化[J].圖學學報2012,33(06):82-87.

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

[4] 田仁,馮毅雄等,機械產(chǎn)品曳引系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法[J].浙江大學學報（工學版）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，研究方向為智能制造、虛擬現(xiàn)實與可視化。