鮑超超 郝家琦 唐 波 史利鵬 鐘浩盛

（1.舟山市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 舟山 316021）

（2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院 杭州 310018）

在日常生活中，電梯是高層建筑中必不可少的通行工具，作為固定式升降設(shè)備在生活與生產(chǎn)中扮演著非常重要的角色[1]。由于電梯使用的普遍性，確保其安全可靠的運(yùn)行是一件具有重要意義的事情。隨著電梯使用年限的增加，制動(dòng)襯片會(huì)因?yàn)槟p導(dǎo)致制動(dòng)性能下降，制動(dòng)器會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)力不足從而發(fā)生沖頂、溜梯等安全事故[2]。為了保障電梯乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，開(kāi)展電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能檢測(cè)方法的研究，及時(shí)對(duì)制動(dòng)器的故障進(jìn)行識(shí)別是具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。

目前對(duì)于制動(dòng)器制動(dòng)性能的檢測(cè)分為基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)2種[3]。第1種檢測(cè)方法主要為維保人員定期對(duì)電梯的制動(dòng)性能進(jìn)行巡檢，其依照標(biāo)準(zhǔn)GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中第5.9.2.2.2.1條中對(duì)電梯的制動(dòng)器的規(guī)定：“當(dāng)轎廂載有125%額定載重量并以額定速度向下運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)器自身能使驅(qū)動(dòng)主機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。”[4]但是在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，這種方法存在測(cè)得的數(shù)據(jù)精度低、實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜的問(wèn)題，并且需要大量的維保員進(jìn)行人工檢測(cè)，定期巡檢也無(wú)法實(shí)時(shí)掌握電梯制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)。

第2種檢測(cè)方法可以分為直接與間接2種。直接方法是對(duì)制動(dòng)器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的制動(dòng)性能的檢測(cè)。趙結(jié)昂等人[5]對(duì)制動(dòng)器的故障機(jī)理進(jìn)行分析并通過(guò)建立故障樹(shù)的方法得到了影響制動(dòng)器制動(dòng)性能的相關(guān)指標(biāo)，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)評(píng)價(jià)制動(dòng)器的制動(dòng)性能。但是這種方法目前只能應(yīng)用于型式試驗(yàn)，為現(xiàn)實(shí)中正在使用的電梯安裝大量的傳感器是一件不切實(shí)際的事情。

間接方法是指通過(guò)運(yùn)行參數(shù)之外的參數(shù)來(lái)側(cè)面評(píng)價(jià)制動(dòng)器的制動(dòng)性能。吳演哲[6]基于制動(dòng)襯片的摩擦系數(shù)與溫度有著直接的關(guān)系，通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)性能的檢測(cè)，但是在現(xiàn)實(shí)的電梯機(jī)房中，溫度檢測(cè)的結(jié)果由于外界溫度的變化存在不穩(wěn)定性且成本高昂不宜于維護(hù)。通過(guò)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷擁有精度高、不受環(huán)境影響、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械故障監(jiān)測(cè)中[7]。然而振動(dòng)監(jiān)測(cè)在電梯制動(dòng)器性能檢測(cè)領(lǐng)域還沒(méi)有被應(yīng)用。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的電梯鼓式制動(dòng)器的工作原理分析并建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過(guò)對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)臂的振動(dòng)加速度的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，然后結(jié)合樣本熵提取制動(dòng)器振動(dòng)特征，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)性能的檢測(cè)。

1 制動(dòng)器的工作原理與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 電梯制動(dòng)器的工作原理

電梯制動(dòng)器一般安裝于電梯曳引機(jī)內(nèi)，制動(dòng)器的制動(dòng)輪與曳引機(jī)的曳引輪剛性連接。通過(guò)控制制動(dòng)輪的抱閘與松閘動(dòng)作，便可以控制曳引輪的啟動(dòng)與停止，進(jìn)而控制電梯的運(yùn)行狀態(tài)。電梯鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電梯制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)圖

其主要由壓縮彈簧、調(diào)節(jié)螺母、制動(dòng)襯片、制動(dòng)輪、制動(dòng)臂組成。當(dāng)電梯啟動(dòng)時(shí)，制動(dòng)臂打開(kāi)，釋放電梯運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電梯停止時(shí)，壓縮彈簧提供制動(dòng)力使得制動(dòng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 電梯制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

電梯制動(dòng)器在實(shí)際的工作環(huán)境中，制動(dòng)輪與兩側(cè)的制動(dòng)襯片都會(huì)因?yàn)槟Σ涟l(fā)生振動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工況，不僅需要考慮兩側(cè)的制動(dòng)襯片在彈簧力的作用下產(chǎn)生的不同的剛度阻尼關(guān)系，同時(shí)也要考慮兩側(cè)的制動(dòng)襯片與制動(dòng)輪之間的剛度阻尼特性。除了剛度與阻尼等制動(dòng)器本身的結(jié)構(gòu)特性，壓縮彈簧產(chǎn)生的制動(dòng)力、制動(dòng)初速度等外部的激勵(lì)也是引發(fā)制動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的因素。因此，需要綜合考慮兩側(cè)的制動(dòng)襯片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與制動(dòng)襯片和制動(dòng)輪之間的剛度阻尼耦合狀態(tài)，在建立模型之前，根據(jù)制動(dòng)器實(shí)際工作狀態(tài)制定出假設(shè)[8]：

1）假設(shè)制動(dòng)襯片與制動(dòng)盤(pán)的材料有著相同的力學(xué)特性，且材料內(nèi)部在各個(gè)點(diǎn)上都有相同的性質(zhì)。

2）忽略制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中由于現(xiàn)實(shí)因素產(chǎn)生的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、摩擦因數(shù)的變化。

3）假設(shè)制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中，無(wú)偏移翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)鼓式制動(dòng)器實(shí)際工作原理的分析，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，將鼓式制動(dòng)器簡(jiǎn)化為如圖2所示的六自由度動(dòng)力學(xué)模型。

圖2 電梯制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

六自由度分別為左、右制動(dòng)襯片沿x水平方向的自由度x1、x3和制動(dòng)輪沿著x軸水平方向的自由度x2，左、右制動(dòng)襯片沿y豎直方向的自由度y1、y3和制動(dòng)輪沿著y軸豎直方向的自由度y2。

設(shè)f1， f2分別為左、右制動(dòng)襯片與制動(dòng)輪之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)圖2電梯制動(dòng)器簡(jiǎn)化力學(xué)模型，考慮鼓式制動(dòng)器實(shí)際工作與左右結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的情況，令 f1=f2=f，m1=m3=m，c1=c3=c，k1=k3=k，c12=c23=c4，k12=k23=k4，可以建立制動(dòng)盤(pán)與摩擦片的六自由度動(dòng)力學(xué)方程，見(jiàn)式（1）：

M——系統(tǒng)的等效質(zhì)量；

C——系統(tǒng)的等效阻尼系數(shù)；

K——系統(tǒng)的等效剛度系數(shù)；

F——系統(tǒng)的激勵(lì)源。

鼓式制動(dòng)器的振動(dòng)主要是由系統(tǒng)的不穩(wěn)定引起的，假設(shè)制動(dòng)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)特性不變，制動(dòng)力的變化會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)中的激勵(lì)力變化，激勵(lì)力的變化最終導(dǎo)致振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)改變。

在鼓式制動(dòng)器的系統(tǒng)中，激勵(lì)力主要為制動(dòng)襯片在制動(dòng)臂的作用下摩擦制動(dòng)輪產(chǎn)生的制動(dòng)力，這個(gè)制動(dòng)力的大小與電梯制動(dòng)器的制動(dòng)性能息息相關(guān)，也就是說(shuō)鼓式制動(dòng)器在制動(dòng)力的影響下，其振動(dòng)信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，這樣就為通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)電梯制動(dòng)性能檢測(cè)奠定了理論基礎(chǔ)，接下來(lái)本文通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證這種方法的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文采用舜宇公司的LV-FS01激光多普勒測(cè)振儀對(duì)制動(dòng)器的振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試驅(qū)動(dòng)主機(jī)的型號(hào)為YJF-180，搭配的制動(dòng)器型號(hào)為PXZD450／2.5-T2。將激光測(cè)振儀的激光頭對(duì)準(zhǔn)鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)臂，采集被測(cè)制動(dòng)臂的振動(dòng)信息，設(shè)置采樣頻率為6 250，采樣時(shí)間為20 s。

采集到的信號(hào)如圖3所示，從圖中可以清晰地看出制動(dòng)器的工作流程存在制動(dòng)器開(kāi)閘、曳引機(jī)模式切換、制動(dòng)器抱閘3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，并將整個(gè)運(yùn)行流程按時(shí)間排序依次劃分為4個(gè)階段，即啟動(dòng)階段、加速階段、勻速階段、減速階段。

圖3 電梯制動(dòng)器振動(dòng)信號(hào)

2.2 電梯制動(dòng)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)鼓式制動(dòng)器的工作原理，電梯制動(dòng)器制動(dòng)力的大小與其壓縮彈簧的壓縮量有著直接的關(guān)系，可以通過(guò)改變壓縮彈簧的壓縮量人為改變制動(dòng)力的大小，其值呈正相關(guān)性。

通過(guò)擰緊頂桿螺栓的螺母改變壓縮彈簧的壓縮量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量頂桿螺栓的頂部到制動(dòng)臂的距離用以表示壓縮彈簧壓縮量，從3.1 cm開(kāi)始以0.05 cm為跨度減少壓縮彈簧的壓縮量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)頂桿螺栓到制動(dòng)臂的距離為3.1 cm時(shí)，電磁裝置無(wú)法克服壓縮彈簧的彈簧力使得制動(dòng)臂張開(kāi)，此時(shí)在曳引機(jī)運(yùn)行時(shí)可以聽(tīng)到明顯的摩擦聲，證明制動(dòng)器發(fā)生了帶閘運(yùn)行的故障；當(dāng)標(biāo)尺度數(shù)為3.5 cm時(shí)，制動(dòng)器處于制動(dòng)力不足的狀態(tài)，制動(dòng)襯片無(wú)法使得制動(dòng)輪在規(guī)定時(shí)間內(nèi)停止。

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，本文從電梯運(yùn)行的減速階段選取0.5 s來(lái)對(duì)不同制動(dòng)力下的電梯振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。如圖4所示為電梯制動(dòng)器在不同制動(dòng)力下減速階段的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖。

圖4 不同制動(dòng)力下制動(dòng)器振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

從圖4中可以看出，隨著標(biāo)尺度數(shù)的增大，電梯制動(dòng)器的制動(dòng)力逐漸減小，體現(xiàn)在時(shí)域圖上就是制動(dòng)臂摩擦制動(dòng)輪造成的振動(dòng)幅值在減小。證明制動(dòng)力的大小對(duì)制動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)有明顯的影響，可以作為檢測(cè)電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能的指標(biāo)。

但是在電梯制動(dòng)器的實(shí)際工作環(huán)境中，振動(dòng)信號(hào)包含大量的沖擊成分，其呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)非周期的特點(diǎn)，導(dǎo)致時(shí)域分析無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述，所以需要尋找一個(gè)能表示振動(dòng)信號(hào)特征的度量單位。

3 基于樣本熵的電梯制動(dòng)性能檢測(cè)

3.1 樣本熵的原理

“熵”作為泛指某些系統(tǒng)狀態(tài)的一種度量單位，在軸承、齒輪箱、電機(jī)等機(jī)械設(shè)備的故障診斷中作為故障特征提取的特征向量取得了很好的效果[9]。

為了實(shí)現(xiàn)不同制動(dòng)力下的電梯制動(dòng)器振動(dòng)特征提取的準(zhǔn)確性，本文引入“熵”理論，使用樣本熵揭示制動(dòng)器振動(dòng)信號(hào)在時(shí)頻域的不同尺度特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器工作狀態(tài)的準(zhǔn)確描述。

樣本熵[10]是通過(guò)度量信號(hào)中產(chǎn)生新模式的概率大小來(lái)衡量時(shí)間序列的復(fù)雜性，新模式產(chǎn)生的概率越大，序列的復(fù)雜性就越大。

一般地，對(duì)于由N個(gè)數(shù)據(jù)組成的時(shí)間序列{x(n)}=x(1)，x(2)，…，x(N)，樣本熵的計(jì)算方法如下：

1）由原始信號(hào)構(gòu)建m維向量，見(jiàn)式（9）：

2）定義向量Xm(i)與Xm( j )之間的距離見(jiàn)式（10）：

3）對(duì)于給定的Xm(i)，統(tǒng)計(jì)Xm(i)與Xm( j )之間距離小于等于相識(shí)容限r(nóng)的j(1≤j≤N-m，j≠i)的數(shù)目，并記作Bm。

4）增 加 維 數(shù) 到m+1，計(jì) 算 Xm+1(i)與Xm+1( j )(1≤j≤N-m，j≠i)距離小于等于r的個(gè)數(shù)，記為Am。

5）這樣B(m)(r)是2個(gè)序列在r下匹配m個(gè)點(diǎn)的概率，而A(m)(r)是2個(gè)序列在r下匹配m+1個(gè)點(diǎn)的概率。樣本熵定義見(jiàn)式（11）：

3.2 電梯制動(dòng)性能檢測(cè)

根據(jù)樣本熵理論，樣本熵在面對(duì)非穩(wěn)態(tài)非周期的電梯制動(dòng)器振動(dòng)信號(hào)時(shí)可以作為反映信號(hào)復(fù)雜度的指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算不同工況下的樣本熵，可以作為制動(dòng)器故障診斷的依據(jù)。計(jì)算圖4中標(biāo)尺度數(shù)從3.1 cm至3.5 cm變化時(shí)各個(gè)跨度振動(dòng)信號(hào)的樣本熵，結(jié)果如圖5所示。

圖5 壓縮彈簧標(biāo)尺度數(shù)與樣本熵的關(guān)系

從圖4和圖5中可以看出隨著標(biāo)尺度數(shù)的增大，制動(dòng)器的制動(dòng)力也在逐漸減小，此時(shí)通過(guò)振動(dòng)信號(hào)計(jì)算所得的樣本熵在增大，其增長(zhǎng)趨勢(shì)符合制動(dòng)器的工作機(jī)理。

根據(jù)1.2節(jié)對(duì)鼓式制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，制動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)與制動(dòng)器的制動(dòng)力有關(guān)，制動(dòng)力的大小會(huì)改變制動(dòng)器的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)的改變對(duì)應(yīng)著樣本熵的變化。結(jié)合2.2節(jié)中的具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得知，標(biāo)尺度數(shù)為3.2～3.35 cm時(shí)，制動(dòng)器的工作狀態(tài)為正常；大于3.35 cm時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力不足；小于3.20 cm時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)力過(guò)大，發(fā)生了帶閘運(yùn)行。從圖5中可以看出，對(duì)于此鼓式制動(dòng)器，當(dāng)樣本熵為1.8～2時(shí)，制動(dòng)器正常運(yùn)行；當(dāng)樣本熵小于1.8或大于2時(shí)，制動(dòng)器的制動(dòng)性能不滿(mǎn)足正常運(yùn)行的指標(biāo)。

綜上所述，使用樣本熵可以建立制動(dòng)器的振動(dòng)信號(hào)與制動(dòng)器制動(dòng)性能之間的關(guān)系，樣本熵的大小與制動(dòng)器的制動(dòng)力之間呈反比關(guān)系，過(guò)大與過(guò)小的樣本熵都表示電梯的制動(dòng)性能不滿(mǎn)足正常運(yùn)行的指標(biāo)。所以可以通過(guò)對(duì)電梯制動(dòng)器振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)，并使用樣本熵來(lái)提取減速階段的振動(dòng)特征從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯制動(dòng)器的制動(dòng)性能檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能的檢測(cè)是防止電梯沖頂、溜梯等事故的發(fā)生，保護(hù)乘客生命財(cái)產(chǎn)安全的重要一環(huán)。鼓式制動(dòng)器作為目前保有量最高、發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)、使用時(shí)間最久的電梯制動(dòng)器類(lèi)型，隨著使用年限的增加，其安全隱患問(wèn)題越來(lái)越受到行業(yè)關(guān)注。

本文針對(duì)傳統(tǒng)電梯制動(dòng)器制動(dòng)力矩檢測(cè)方法存在數(shù)據(jù)精度低、檢測(cè)操作復(fù)雜且易受環(huán)境影響的問(wèn)題，提出了一種基于樣本熵的電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能檢測(cè)方法，該方法通過(guò)采集電梯制動(dòng)器的振動(dòng)信號(hào)，并計(jì)算樣本熵作為振動(dòng)信號(hào)的特征值，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)性能的檢測(cè)。

通過(guò)對(duì)電梯制動(dòng)器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，不同工況下電梯制動(dòng)器的振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的樣本熵與制動(dòng)力存在聯(lián)系，制動(dòng)力越小，樣本熵越大，并且在樣本熵滿(mǎn)足1.8～2時(shí)，電梯制動(dòng)器處于正常工況。證明該方法可以有效地對(duì)電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能進(jìn)行檢測(cè)，為開(kāi)發(fā)電梯制動(dòng)器制動(dòng)性能檢測(cè)新方法拓展了思路。