傅倩倩 馬海霞 李中興

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基于飛行時(shí)間的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)*

傅倩倩1馬海霞2李中興1

（1.廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院 2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院）

針對(duì)目前電梯制動(dòng)器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要靠目測(cè)和驗(yàn)證性試驗(yàn)完成，缺乏可靠?jī)x器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套便攜式電梯制停參數(shù)檢測(cè)裝置。該裝置基于飛行時(shí)間的測(cè)距技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)電容式加速度傳感器的測(cè)量原理，對(duì)電梯制停過程中的制停距離和平均制停減速度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合制停時(shí)間，綜合判斷電梯制動(dòng)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置測(cè)得電梯加速度與現(xiàn)有方法測(cè)試結(jié)果吻合，且制停距離測(cè)量偏差減小了75%。

電梯安全；制動(dòng)器；飛行時(shí)間；制動(dòng)性能

0　前言

電梯制動(dòng)系統(tǒng)是保障電梯安全運(yùn)行的重要組成部分，電梯的大部分運(yùn)行控制和安全保護(hù)，都要依賴制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作得以實(shí)現(xiàn)[1-3]。制動(dòng)器制動(dòng)力矩不足、制動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡阻、控制系統(tǒng)電氣粘連等現(xiàn)象，都可能造成制動(dòng)器制動(dòng)安全功能失效，導(dǎo)致電梯墜落、沖頂和剪切等惡性事故的發(fā)生[4-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電梯制停參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)開展多年研究，并取得一定的成果[6-10]。其中美國(guó)奧的斯電梯公司的Juan A. Lence Barreiro等人，在專利20110240414中提出了用于監(jiān)視電梯裝置的系統(tǒng)，包括檢測(cè)器和監(jiān)視裝置，檢測(cè)電梯狀況或事件，并監(jiān)視相關(guān)聯(lián)的電梯轎廂的狀態(tài)，對(duì)于異?，F(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)并輸出；上海大學(xué)的陳紅、馮永慧和馮玉豹等學(xué)者借鑒汽車鼓式制動(dòng)器的工作原理到電梯制動(dòng)器的研究，開發(fā)了一種具有制動(dòng)功能的電梯滾動(dòng)導(dǎo)靴，并利用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模。雖然上述研究都可以間接監(jiān)測(cè)制動(dòng)器的動(dòng)作情 況，但仍難以實(shí)現(xiàn)直接測(cè)試制動(dòng)器性能。近年來，因電梯制動(dòng)器故障引起的事故仍時(shí)有發(fā)生，有些甚至引發(fā)嚴(yán)重傷亡[11-12]。為提高電梯檢測(cè)水平，減少事故的發(fā)生，本文設(shè)計(jì)基于飛行時(shí)間（time of flight，TOF）的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置，基于TOF的測(cè)距技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）電容式加速度傳感器的測(cè)量原理，采用ARM處理器對(duì)電梯制停過程中的制停距離和平均制停減速度進(jìn)行測(cè)量，提出量化檢測(cè)制動(dòng)性能的方法。

1　硬件設(shè)計(jì)

基于TOF的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該裝置主要由傳感測(cè)量單元、信號(hào)采集單元、ARM處理單元和人機(jī)交互單元4部分組成。測(cè)量過程為：電梯正常運(yùn)行達(dá)到額定速度，儀器實(shí)時(shí)采集電梯的位移和加速度；斷開電源，當(dāng)電梯滑行停止后得到制停距離和平均制停減速度的測(cè)量值。

圖1　基于TOF的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置總體硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1裝置主控電路設(shè)計(jì)

ARM處理器STM32103RC在電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置中起到核心作用，完成所有的數(shù)據(jù)處理和控制功能。STM32103RC的最小系統(tǒng)由數(shù)字電源、模擬電源、復(fù)位電路、調(diào)試電路和時(shí)鐘振蕩電路等部分組成，原理圖如圖2所示。

圖2　主控電路原理圖

1.2距離采集電路

采用基于TOF測(cè)距技術(shù)的距離傳感器LDM41采集的距離數(shù)據(jù)信號(hào)是負(fù)邏輯RS232電平，而ARM處理器采用的是正邏輯TTL電平，因此距離數(shù)據(jù)信號(hào)無法直接被ARM處理器識(shí)別，需要通過RS232與TTL轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。距離采集電路原理圖如圖3所示。

圖3　距離采集電路原理圖

距離傳感器LDM41采集的距離信號(hào)以RS232電平的形式通過MAX232芯片的R2I口輸入，轉(zhuǎn)化為TTL電平后從R2O口輸出給ARM處理器處理；而ARM處理器的控制信號(hào)則以TTL電平的形式通過MAX232芯片的T2I口輸入，轉(zhuǎn)化為RS232電平后從T2O口輸出給距離傳感器LDM41，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離傳感器LDM41的控制功能。

2　軟件設(shè)計(jì)

基于TOF的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置的軟件功能流程圖如圖4所示。

圖4　基于TOF的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置軟件功能流程圖

由圖(4)可知，在利用該檢測(cè)裝置對(duì)電梯制停參數(shù)檢測(cè)之前，首先需要在檢測(cè)裝置中輸入電梯運(yùn)行額定速度0、電梯轎廂重量、額定負(fù)載重量和電梯平衡系數(shù)等相關(guān)信息。再依據(jù)《TSG T7017-2005電梯曳引機(jī)型式試驗(yàn)細(xì)則》確定制動(dòng)器平均制停減速度的取值范圍（0.2 g~1.0 g），并計(jì)算當(dāng)min=0.2 g時(shí)的最大制停距離和最大制停時(shí)間；當(dāng)max=1.0 g時(shí)的最小制停距離和最小制停時(shí)間，以此確定制停距離和制停時(shí)間的范圍，供后續(xù)檢測(cè)判斷時(shí)使用。

根據(jù)上述分析，由加速度、速度和距離的關(guān)系得到不同額定速度下制停距離的取值范圍，如表1所示。

表1　不同額定速度下電梯的制停距離

3　試驗(yàn)結(jié)果

以某品牌已使用21年的電梯為測(cè)試對(duì)象，額定速度1.5 m/s，額定載重1000 kg，主機(jī)額定功率15 kW，28層28站，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，交流調(diào)壓調(diào)速。分別采用現(xiàn)有痕跡法和基于TOF的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)試，制停距離測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　制停距離測(cè)試結(jié)果

由表2可知，現(xiàn)有痕跡法測(cè)試誤差較大，5次測(cè)試結(jié)果最大偏差0.08 m，便攜式測(cè)試儀測(cè)試偏差較小，僅為0.02 m。

綜上，測(cè)試結(jié)果表明，采用該裝置對(duì)制停距離的測(cè)試結(jié)果較現(xiàn)有測(cè)試方法誤差更小，有利于提高測(cè)試精度，簡(jiǎn)化測(cè)試程序。

4　結(jié)語

采用基于TOF測(cè)距技術(shù)的測(cè)量原理對(duì)電梯制停過程中的制停距離進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，該裝置制停距離測(cè)試更加簡(jiǎn)便，且制停距離測(cè)量偏差由原來的0.08 m，減小到0.02 m，減小幅度達(dá)75%。后續(xù)將對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量定型，并推廣應(yīng)用到電梯安全評(píng)估檢測(cè)上。

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Design of Elevator Braking Performance Testing Device Based on Time of Flight

Fu Qianqian1Ma Haixia2Li Zhongxing1

(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Guangzhou College of South China University of Technology School of Electrical Engineering)

Brake is the key component to ensure safe operation of elevator. Existing testing method of brake mainly is to watch and confirmatory test. Aim to the status that cannot reliably detect the brake, this paper designed a parameter detection device for elevator. Based on the time of flight (TOF) technology and micro-electromechanical (MEMS) capacitive acceleration sensor, measuring stopping distance and the mean deceleration of the elevator, combined with the stopping time, elevator braking performance can be evaluated. The results show that the acceleration test value of the designed device consistent with existing method and the measurement error of stopping distance is reduced by 75%.

Elevator Safety; Brakes; Time of Flight; Braking Performance

傅倩倩，女，1986年生，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向：電梯檢驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)技術(shù)等。E-mail: qianqian0916 @foxmail.com

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（2016PT01、2017CT21）；廣州市科技創(chuàng)新委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015109010008）。