錢明佺 李 飛 張志斌 張經(jīng)緯 李躍宇

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 連云港 222000）

（2.江蘇海洋大學(xué) 連云港 222005）

目前中國(guó)電梯保有量較高，隨著人口老齡化，很多老舊小區(qū)正在或?qū)⒁友b電梯[1]。采用曳引驅(qū)動(dòng)的電梯應(yīng)用廣泛，曳引系統(tǒng)提供電梯的垂直牽引力。電梯曳引輪輪槽與鋼絲繩間的摩擦力使電梯升降，曳引輪輪槽磨損改變曳引輪節(jié)圓和鋼絲繩直徑、輪槽開(kāi)口角度等參數(shù)，從而改變輪槽的當(dāng)量摩擦系數(shù)[2-5]；輪槽磨損到一定程度將改變電梯的曳引能力，導(dǎo)致電梯異常振動(dòng)和噪聲；嚴(yán)重時(shí)，不同工況下曳引能力不足，可能導(dǎo)致電梯轎廂發(fā)生無(wú)法提升、沖頂或蹲底等故障[6]。為了保證電梯安全工作，必須定期檢測(cè)電梯曳引輪輪槽磨損，因此需要研發(fā)基于規(guī)范的電梯關(guān)鍵重要件的精確、快速檢測(cè)和檢驗(yàn)設(shè)備[7]。

電梯曳引輪輪槽磨損檢測(cè)方法有：1）目測(cè)法。檢測(cè)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析輪槽磨損程度，然后依據(jù)規(guī)范判斷是否更換曳引輪，這種方法只能定量分析輪槽磨損程度。2）接觸檢測(cè)法。接觸檢測(cè)法包括卡尺法（角尺法）、成型法（采用易變形介質(zhì)，如橡皮泥壓入輪槽，取出后橡皮泥外輪廓與輪槽輪廓一致）[8]、規(guī)塞尺檢測(cè)法[9]、深度尺法[10]?？ǔ叻ā⒊尚头z測(cè)速度較慢，需要拆卸曳引輪，較費(fèi)時(shí)；而規(guī)塞尺檢測(cè)法對(duì)不同曳引輪的適用性不好，深度尺法只能測(cè)量輪槽磨損量。3）非接觸檢測(cè)法。孫悅提取不同磨損狀態(tài)曳引輪運(yùn)行中的聲信息，提出了一種基于聲發(fā)射特征的電梯曳引輪磨損分析及壽命預(yù)測(cè)方法[11]，但該方法易受干擾，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)磨損量等參數(shù)的檢測(cè)；謝小娟等人采用圖像處理技術(shù)識(shí)別輪槽異常磨損，采用基于隨機(jī)Hough 變換的圖像識(shí)別技術(shù)提取表征輪槽累積磨損量的鋼絲繩相對(duì)離散特征參數(shù)[12]，但是這種方法不能定量分析磨損量且只能識(shí)別不均勻磨損；劉士興等人研發(fā)了一種基于單目視覺(jué)的電梯曳引輪磨損檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于輪廓形狀匹配與邊緣擬合算法的繩槽磨損量的非接觸測(cè)量[13]，但該系統(tǒng)對(duì)測(cè)試光照環(huán)境要求較高；陳建勛等人基于激光位移傳感原理，點(diǎn)激光位移傳感器由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)沿曳引輪寬度方向運(yùn)動(dòng)提取輪槽輪廓數(shù)據(jù)[14]，該方法測(cè)量精確度較高，因?yàn)閭鞲衅餮b夾原因，目前只能實(shí)現(xiàn)停機(jī)檢測(cè)；林永森等人基于線激光位移法，對(duì)電梯曳引輪輪槽不均勻磨損進(jìn)行評(píng)估[15]，但受場(chǎng)地因素和各種雜光干擾較大。

本文研制一種基于線激光位移法的曳引輪輪槽磨損快速和非接觸檢測(cè)系統(tǒng)，包括專用夾具、線激光傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)處理裝置。專用夾具使傳感器置于曳引輪下方，實(shí)現(xiàn)輪槽磨損在線檢測(cè)；激光傳感器和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)曳引輪輪槽輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和采集，對(duì)輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合可以得到輪槽節(jié)圓直徑、輪槽頂-底間距等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算出輪槽磨損量。

1 輪槽輪廓參數(shù)測(cè)量原理

線激光3D 位移傳感器測(cè)量精度高，可同時(shí)測(cè)量曳引輪多輪槽輪廓數(shù)據(jù)，便于自動(dòng)控制，在零件磨損表面輪廓掃描等領(lǐng)域已有實(shí)際應(yīng)用[16]。

線激光與幾何體輪廓截交線上點(diǎn)坐標(biāo)為（x，z），此點(diǎn)坐標(biāo)與相機(jī)圖像上一個(gè)像素坐標(biāo)（u，ν）對(duì)應(yīng)。濾光片只讓激光波段的光進(jìn)入相機(jī)，得到輪廓線上的像素坐標(biāo)（u1，ν1），（u2，ν2）等。由“三角測(cè)量法”計(jì)算出這個(gè)輪廓線上的相應(yīng)坐標(biāo)（x1，z1），（x2，z2）等。當(dāng)幾何體相對(duì)線激光傳感器運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)方向與輪廓面垂直，y 向），知道相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，則每個(gè)輪廓截交線y 坐標(biāo)已知，即可繪制幾何體外輪廓三維圖形。

2 曳引輪輪槽磨損量檢測(cè)系統(tǒng)

曳引輪輪槽磨損量檢測(cè)裝置包括專用夾具、線激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置，如圖1、圖2 所示。

圖1 測(cè)量裝置示意圖

圖2 測(cè)量裝置

線激光位移傳感器Z 軸分辨率為0.017 mm，X 軸分辨率為0.062 mm，線激光波長(zhǎng)為650 nm，掃描速度為450 Hz，測(cè)量范圍為255.86±40 mm，傳感器的有效檢測(cè)區(qū)為梯形，梯形形心是傳感器坐標(biāo)系原點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，線激光束需與曳引輪徑向面重合。

線激光位移傳感器測(cè)量位移并輸出與位移呈線性關(guān)系的電壓值，數(shù)據(jù)采集裝置轉(zhuǎn)換此電壓值為坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)處理裝置包括：1）輪槽輪廓三維重建模塊，繪制各徑向截面的輪槽輪廓線；2）輪槽輪廓幾何參數(shù)分析計(jì)算模塊，此模塊分析計(jì)算輪槽磨損量數(shù)據(jù)、輪槽磨損量與輪槽開(kāi)口角度關(guān)系、輪槽切口寬度、輪槽角度、下部切口角度、輪槽節(jié)圓差等特征幾何參數(shù)；3）曳引安全性評(píng)估模塊，基于上面計(jì)算分析結(jié)果，根據(jù)GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》對(duì)電梯的曳引能力進(jìn)行評(píng)估。

為了不停機(jī)檢測(cè)，設(shè)計(jì)了線激光位移傳感器專用夾具，見(jiàn)圖3、圖4。線激光位移傳感器安裝在專用夾具的橫桿上，置于曳引輪下方，可以避免線激光束被鋼絲繩遮擋；橫桿被立柱固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)使得線激光束與曳引輪徑向面重合。

圖3 傳感器固定夾具示意圖

圖4 試驗(yàn)圖片

3 輪槽幾何參數(shù)分析計(jì)算

對(duì)某帶切口的半圓形曳引輪輪槽采用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，曳引輪輪槽的設(shè)計(jì)參數(shù)為：輪槽邊緣直徑D0為405 mm，輪槽節(jié)圓直徑D1為400 mm，槽底擬合圓半徑R 為5 mm，輪槽角γ 是35°。測(cè)量后直接從數(shù)據(jù)處理裝置輸出輪槽輪廓曲線，如圖5 所示。

圖5 輪槽輪廓曲線

由圖5 可知，槽底切口曲線靠近槽底不連續(xù)，因?yàn)檩啿矍锌谥本€段與線激光束平行，線激光傳感器接受的反射信號(hào)弱，出現(xiàn)部分盲區(qū)，但不影響對(duì)輪槽參數(shù)的分析計(jì)算。

采用參考文獻(xiàn)[14-15]類似方法，對(duì)圖5 中各輪槽輪廓曲線的槽底圓弧進(jìn)行曲線擬合，得到槽底擬合圓方程，見(jiàn)式（1）：

式中：

x0，y0——槽底擬合圓圓心坐標(biāo)；

R′——槽底擬合圓半徑。

如圖5 所示，選取槽3 和槽4 的槽邊緣線進(jìn)行線性擬合，擬合方程見(jiàn)式（2）：

式中：

k——槽邊緣擬合直線方程斜率，k=0.025；

b——槽邊緣擬合直線方程截距，b=29 mm；

y，x——輪槽徑向坐標(biāo)、軸向坐標(biāo)。

式（1）中槽底擬合圓圓心（x0，y0）與式（2）槽邊緣擬合直線的距離C 用式（3）表示：

槽邊緣距節(jié)圓圓心的距離的設(shè)計(jì)值δ′用式（4）表示：

則輪槽徑向的磨損量δ 用式（5）表示：

如圖6 所示，輪槽磨損前后槽底圓弧曲率半徑分別為R 和R′，輪槽角分別為γ 和γ′；輪槽磨損后，徑向磨損量為δ，槽底圓弧圓心從O 點(diǎn)移到O′點(diǎn)；輪槽磨損前槽底圓弧切線為AB，輪槽磨損后槽底圓弧切線為A′B′，則徑向磨損量δ 根據(jù)幾何關(guān)系由式（6）計(jì)算：

圖6 磨損前后輪槽角變化分析圖

式（6）簡(jiǎn)化后，磨損后輪槽角與磨損量的關(guān)系由式（7）表達(dá)：

式中：

δ——磨損量；

R——槽底圓弧半徑設(shè)計(jì)值；

R′——磨損后槽底圓弧半徑；

γ——輪槽角度；

γ′——磨損后輪槽角度。

當(dāng)0.5γ′從0.5γ 減小到0 之后，磨損量δ 達(dá)到最大值δ0，見(jiàn)式（8）：

由式（1）得到的槽底擬合圓圓心坐標(biāo)x0和y0，槽底擬合圓圓心（x0，y0）與式（2）槽邊緣擬合直線的距離C，輪槽徑向的磨損量δ，磨損后輪槽節(jié)圓直徑D2=D0-2C，磨損后輪槽角度γ′，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 輪槽輪廓幾何參數(shù)

由表1 看出，槽1 的磨損量δ 最大，為0.32 mm，槽1 磨損最嚴(yán)重，與此對(duì)應(yīng)槽1 的磨損后輪槽節(jié)圓直徑D2和磨損后輪槽角度γ′最?。荒p量越大，輪槽角越小。

用精度0.01 mm 的游標(biāo)卡尺卡口間隙來(lái)模擬輪槽間隙，檢測(cè)系統(tǒng)提取卡口邊緣的坐標(biāo)，把實(shí)際測(cè)量結(jié)果與卡尺的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證輪槽磨損量檢測(cè)系統(tǒng)的精度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，游標(biāo)卡尺卡口間隙分別為2 mm、3 mm、5 mm、6 mm，檢測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)此4 個(gè)間隙進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)間隙測(cè)量5 次，每個(gè)間隙游標(biāo)卡尺的值作為標(biāo)準(zhǔn)值。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)量系統(tǒng)的最大均方根誤差為0.062 mm，滿足曳引輪輪槽檢測(cè)的精度要求。

表2 精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mm

4 結(jié)論

在分析目前各種電梯曳引輪輪槽磨損檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，本文采用線激光傳感器，開(kāi)發(fā)了一種輪槽磨損檢測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)一種傳感器專用夾具，傳感器安裝在專用夾具的橫桿上，置于曳引輪下方，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢測(cè)；通過(guò)采集曳引輪所有輪槽輪廓坐標(biāo)值，進(jìn)行輪槽輪廓三維重建，繪制各徑向截面的輪槽輪廓線；分析計(jì)算輪槽磨損量數(shù)據(jù)、輪槽磨損量與輪槽開(kāi)口角度關(guān)系、輪槽切口寬度、輪槽角度、下部切口角度、輪槽節(jié)圓差等特征幾何參數(shù)；測(cè)量系統(tǒng)最大均方根誤差為0.062 mm，滿足工程中對(duì)輪槽磨損量檢測(cè)的精度要求。