張?jiān)胶?袁昭成 馬嘉浩 李 昆 鄭 慶

（1.成都市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 成都 610299）

（2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031)

隨著高層建筑數(shù)量的增加，人們對電梯的需求也隨之增長。隨著電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的迭代升級(jí)，人們對電梯的舒適度、安全性和高效性也有了更高的要求。其中，安全性作為最基本和最重要的因素得到社會(huì)越來越多的關(guān)注。根據(jù)市場監(jiān)管總局發(fā)布的全國特種設(shè)備安全狀況的通告顯示，截至2022 年底，全國電梯登記總量964.46 萬臺(tái)，2022 年全國共發(fā)生電梯事故22 起，死亡17 人，其中主要部件失效或安全保護(hù)裝置失靈等原因6 起。雖然電梯安全事故率已經(jīng)控制在較低水平，但是一旦發(fā)生事故會(huì)威脅使用者的生命安全，將會(huì)產(chǎn)生巨大社會(huì)影響。

曳引機(jī)是電梯重要的組成部分，在電梯運(yùn)行中工作頻次最高、運(yùn)行負(fù)荷壓力最大。每次電梯啟停、換乘和調(diào)度都需要曳引機(jī)制動(dòng)器的參與，所以監(jiān)測制動(dòng)器的狀態(tài)并且及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位部件異常至關(guān)重要。本文基于最常用的鼓式制動(dòng)器的工作原理，在總結(jié)其故障類型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析可能導(dǎo)致該故障的原因。進(jìn)一步地，結(jié)合各類國家標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)學(xué)者研究現(xiàn)狀，總結(jié)曳引機(jī)制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間、閘瓦間隙、制動(dòng)力矩、溫度、振動(dòng)和噪聲6 個(gè)方面的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，可為電梯制動(dòng)性能監(jiān)測發(fā)展提供參考。

1 電梯制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

電梯制動(dòng)器常見的有鼓式、塊式和盤式3 種類型。本文主要以鼓式制動(dòng)器為研究對象，介紹其結(jié)構(gòu)及工作原理。鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1（a)、圖1（b)所示，由制動(dòng)臂、制動(dòng)閘瓦、鐵芯頂桿、制動(dòng)彈簧、制動(dòng)輪和電磁裝置組成，通過各組件的相互配合實(shí)現(xiàn)曳引機(jī)制動(dòng)。電梯運(yùn)行可分為2 種狀態(tài)，一種是制動(dòng)閘瓦完全抱死且電梯轎廂靜止不動(dòng)的停止運(yùn)行狀態(tài)，另一種是制動(dòng)閘瓦完全釋放且轎廂加減速及勻速起降的運(yùn)行狀態(tài)。其制動(dòng)流程如圖2 所示，當(dāng)電梯需要從正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為停止運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電磁裝置失電，電磁力消失，制動(dòng)臂在制動(dòng)彈簧的推動(dòng)下靠近制動(dòng)輪，產(chǎn)生制動(dòng)力矩使曳引機(jī)快速制停并保持靜止。當(dāng)電梯需要從停止運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電磁裝置得電，產(chǎn)生電磁力推動(dòng)閘瓦向遠(yuǎn)離制動(dòng)輪一側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至閘瓦完全釋放。

圖1 鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

圖2 曳引機(jī)制動(dòng)器工作流程

2 制動(dòng)器故障類型分析

根據(jù)曳引機(jī)制動(dòng)器的制動(dòng)過程，并結(jié)合電梯實(shí)際運(yùn)行情況，通?？梢詫⑵涔收戏譃橐韵? 種類型：制動(dòng)力矩不足，制動(dòng)響應(yīng)超時(shí)，釋放響應(yīng)超時(shí)。

1）制動(dòng)力矩不足。制動(dòng)力矩不足是引起曳引機(jī)制動(dòng)器失效最重要的原因之一，影響制動(dòng)力矩大小的主要因素有摩擦系數(shù)、制動(dòng)輪直徑、制動(dòng)彈簧的彈性系數(shù)和閘瓦間隙。以下分別分析導(dǎo)致這四類參數(shù)變化的原因：（1）摩擦系數(shù)的大小僅與接觸表面的狀況有關(guān)，因此影響曳引機(jī)制動(dòng)器摩擦系數(shù)的主要因素有閘瓦、制動(dòng)輪等表面磨損和接觸表面溫度；（2）制動(dòng)輪直徑主要影響接觸面積大小，長期使用表面會(huì)逐漸磨損，導(dǎo)致直徑減小以及凹凸不平；（3）長期疲勞損傷和高溫環(huán)境導(dǎo)致的彈簧彈性系數(shù)改變；4）由于制動(dòng)磨耗導(dǎo)致的閘瓦間隙也是影響制動(dòng)力的重要因素[1]，閘瓦間隙增大將造成制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間延長和制動(dòng)力下降。

2）制動(dòng)響應(yīng)與釋放響應(yīng)超時(shí)。導(dǎo)致曳引機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)響應(yīng)超時(shí)的主要因素除了以上提到的制動(dòng)力矩降低外，還有動(dòng)鐵芯的表面損傷和電磁線圈殘留電流等因素：（1）由于長期頻繁制動(dòng)，動(dòng)鐵芯會(huì)發(fā)生磨損、彎曲和剪切[2]，阻力增大導(dǎo)致制動(dòng)響應(yīng)超時(shí)；（2）電磁線圈殘留電流，由于電磁裝置斷電后殘留的電流磁場還未及時(shí)釋放，造成制動(dòng)響應(yīng)超時(shí)。而曳引機(jī)制動(dòng)器釋放響應(yīng)超時(shí)，除上述因素外還可能是線圈電流過低。制動(dòng)器頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致線圈溫度升高，而線圈溫度升高又會(huì)導(dǎo)致線圈內(nèi)阻增大，從而導(dǎo)致線圈電流降低。

3 制動(dòng)器安全性能監(jiān)測

2019 年3 月1 日，珠海某物業(yè)公司小區(qū)電梯突然失控下滑至底坑造成乘客被困[3]，經(jīng)人工初步分析原因?yàn)橹苿?dòng)閘瓦與制動(dòng)輪空隙中的塊狀油泥殘留。然而，在對制動(dòng)輪表面進(jìn)行清理后，重新試驗(yàn)仍未能有效制停。進(jìn)一步的制動(dòng)器拆解發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)臂制動(dòng)銷軸位置存在嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象。上述案例表明，對曳引機(jī)制動(dòng)器事故原因進(jìn)行人工分析，一方面分析結(jié)果受工程人員經(jīng)驗(yàn)影響大，另一方面拆解工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過傳感器監(jiān)測曳引機(jī)制動(dòng)器能有效提高電梯故障處理準(zhǔn)確性和效率。因此，本文綜述曳引機(jī)制動(dòng)器監(jiān)測研究現(xiàn)狀，主要從制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間、閘瓦間隙、制動(dòng)力矩、溫度、振動(dòng)和噪聲6 個(gè)方面對曳引機(jī)制動(dòng)器安全性能監(jiān)測方法進(jìn)行介紹。

3.1 制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間監(jiān)測

制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間是制動(dòng)器斷電開始到制動(dòng)力矩達(dá)到額定值的時(shí)間間隔，國標(biāo)規(guī)定制動(dòng)器的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間不得大于0.5 s[4]。制動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間監(jiān)測需從接收制動(dòng)信號(hào)開始計(jì)時(shí)，直到制動(dòng)力矩達(dá)到額定制動(dòng)力矩為止。李曉盼[5]使用一種同時(shí)監(jiān)測制動(dòng)器斷電信號(hào)和制動(dòng)器微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作信號(hào)，通過比較2 個(gè)信號(hào)間的時(shí)間差測得制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的方法，該方法雖然方便快捷，但是由于從微動(dòng)開關(guān)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)到制動(dòng)力矩達(dá)到額定力矩還有一段時(shí)間，測得的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間精度不足；為了解決此問題，鄭祥盤等[6]提出了一種更為準(zhǔn)確的方法，在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的基礎(chǔ)上采用波形存儲(chǔ)記錄儀，監(jiān)測制動(dòng)裝置執(zhí)行斷電信號(hào)到力矩傳感器達(dá)到額定制動(dòng)力矩信號(hào)的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的記錄和直觀表達(dá)。

3.2 制動(dòng)器閘瓦間隙監(jiān)測

制動(dòng)器閘瓦間隙與閘瓦磨損量是影響制動(dòng)力矩和制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間的重要因素。隨著閘瓦磨損量不斷累積，閘瓦間隙不斷增大，到達(dá)額定制動(dòng)力矩所需的時(shí)間也隨之延長，會(huì)引起制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間超時(shí)。

測量制動(dòng)器閘瓦間隙可通過位移傳感器直接測量制動(dòng)臂到制動(dòng)輪之間的距離[7]。記x0和y0為閘瓦未磨損時(shí)制動(dòng)狀態(tài)和釋放狀態(tài)下傳感器與制動(dòng)輪的距離，xi和yi為某一時(shí)刻制動(dòng)狀態(tài)和釋放狀態(tài)下傳感器與制動(dòng)輪的距離，可利用式（1）計(jì)算出未磨損狀態(tài)閘瓦與制動(dòng)輪面的間隙d0和某一時(shí)刻下閘瓦與制動(dòng)輪端面的間隙di，通過式（2）計(jì)算出閘瓦磨損量Δd。

3.3 制動(dòng)力矩監(jiān)測

制動(dòng)力矩是將制動(dòng)力根據(jù)曳引輪半徑、制動(dòng)輪半徑、鋼絲繩倍率和傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比折合到制動(dòng)輪外圓上的力矩[8]。當(dāng)轎廂載有125%額定載荷并以額定速度下行時(shí)，轎廂的減速度不應(yīng)超過安全鉗動(dòng)作或轎廂撞擊緩沖器所產(chǎn)生的減速度；在裝有額定載重量的轎廂自由下落的情況下，漸進(jìn)式安全鉗制動(dòng)時(shí)的平均減速度為0.2g ～1.0g；正常情況下，減速度不應(yīng)小于0.5 m/s2；對于使用了減行程緩沖器的情況，不應(yīng)小于0.8 m/s2。綜上所述，制動(dòng)力矩的大小應(yīng)可以保證在1.25倍額定載荷的情況下最低減速度為0.8 m/s2，最大減速度為10 m/s2[9]。葉亮[10]設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字式動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測量制動(dòng)力矩的檢測臺(tái)，通過萬向節(jié)適配器和可升降對接線體，實(shí)現(xiàn)適配各種類型的曳引機(jī)。為了解決傳統(tǒng)制動(dòng)力矩測量精度低的問題，薛志鋼等[11]提出一種通過直接監(jiān)測2 個(gè)銷軸的力，并乘以力臂的方法來測量制動(dòng)器對制動(dòng)輪的制動(dòng)力矩，這種方法可以有效地提高制動(dòng)力矩測量的精度。由于滿載緊急制動(dòng)試驗(yàn)危險(xiǎn)性高，Peng 等[12]設(shè)計(jì)了一套測量制動(dòng)器制動(dòng)力矩的方法，并提出一種利用空載制動(dòng)性能分析滿載制動(dòng)性能的新方法，建立了牽引力比為2:1 的緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)力矩的計(jì)算模型。

3.4 制動(dòng)器溫度監(jiān)測

制動(dòng)過程中，電梯的大部分動(dòng)能通過制動(dòng)器的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能。而制動(dòng)器摩擦產(chǎn)生的熱量大部分（90%以上）被制動(dòng)鼓吸收，因此必然導(dǎo)致制動(dòng)鼓溫度的上升。隨著制動(dòng)不斷摩擦產(chǎn)生熱量，制動(dòng)閘瓦的磨損不斷加劇，摩擦系數(shù)降低，從而導(dǎo)致制動(dòng)力矩降低。此外，曳引機(jī)制動(dòng)器溫度過高將導(dǎo)致釋放響應(yīng)速度降低。在工作電壓下，按曳引機(jī)運(yùn)行工作制、負(fù)載持續(xù)率和周期運(yùn)行制動(dòng)器達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可依據(jù)GB/T 755—2019《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》歸檔測量制動(dòng)線圈溫升。葉亮[13]提出了一種將電梯曳引機(jī)整體進(jìn)行溫升測試的方法，相較于傳統(tǒng)對拖測試法和轎廂測試法，投入費(fèi)用更低，安裝簡單方便。對于制動(dòng)器內(nèi)部部件，更適合利用紅外成像儀進(jìn)行無接觸測量，常曉清[14]提出了一種使用紅外成像儀的電梯制動(dòng)器溫升監(jiān)測方法，通過傳感器記錄制動(dòng)輪的溫度變化，有效監(jiān)測制動(dòng)器是否帶閘運(yùn)行。此外，也有使用熱力學(xué)仿真軟件，模擬不同工況試驗(yàn)，蘇萬斌等[15]運(yùn)用SolidWorks 建模軟件建立三維模型，并應(yīng)用Abaqus 軟件對該三維模型進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析，經(jīng)過實(shí)際測試驗(yàn)證有效。

3.5 制動(dòng)器振動(dòng)監(jiān)測

空載狀態(tài)的無齒輪曳引機(jī)以額定頻率供電時(shí)，振動(dòng)速度有效值的最大值不大于0.5 mm/s。有齒輪曳引機(jī)曳引輪處的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)速度有效值的最大值不大于4.5 mm/s[4]。此外，當(dāng)制動(dòng)器發(fā)生某種故障（如軸承故障、鐵芯故障）時(shí)，會(huì)使得曳引機(jī)產(chǎn)生不正常的振動(dòng)信號(hào)，使用基于知識(shí)的故障診斷方法，比如機(jī)器學(xué)習(xí)，從大量各類故障實(shí)驗(yàn)中采集的樣本數(shù)據(jù)中提取特征，形成故障模式集，對未知的設(shè)備信號(hào)進(jìn)行判別。

實(shí)現(xiàn)基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷模型，首先應(yīng)當(dāng)通過放置在制動(dòng)輪上的振動(dòng)傳感器，采集制動(dòng)器在不同工況和不同故障下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，再通過小波包降噪等手段進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理，最后將處理后的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障診斷?；谡駝?dòng)信號(hào)的故障診斷實(shí)質(zhì)上就是對于振動(dòng)信號(hào)的特征提取，發(fā)掘信號(hào)的隱藏信息。既可以運(yùn)用傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行故障診斷，也可以運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks,CNN）及其改進(jìn)深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)深層特征挖掘分類，構(gòu)建故障診斷模型。徐金海等[16]運(yùn)用小波包分解法對低頻部分和高頻部分進(jìn)行分解，并運(yùn)用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）得到異常工況和正常工況下的幅頻圖和功率密度曲線，實(shí)現(xiàn)曳引機(jī)的異常狀態(tài)識(shí)別。郝家琦等[17]提出了一種基于變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition，VMD）與支持向量機(jī)（Support Vector Machine, SVM）的電梯鼓式制動(dòng)器故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)帶閘運(yùn)行和制動(dòng)力不足2 種故障的識(shí)別。追求更少的損失和更優(yōu)秀的算法模型將是故障診斷發(fā)展的主要方向。

3.6 制動(dòng)器噪聲監(jiān)測

閘瓦磨損或者異常振動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致異常的噪音，通過傳感器監(jiān)測制動(dòng)器噪聲，可以起到預(yù)警作用。曳引機(jī)產(chǎn)生的噪聲主要可以分成機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲以及電磁噪聲3 種類型[18]。機(jī)械噪聲通常是由于電子轉(zhuǎn)子不平衡、軸承摩擦以及裝配誤差產(chǎn)生，是產(chǎn)生異常噪聲的主要原因；電磁噪聲主要是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)空隙里磁場變化引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生，和電動(dòng)機(jī)的功率正相關(guān)；空氣動(dòng)力噪聲是由于葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，和葉片數(shù)量與轉(zhuǎn)速正相關(guān)。

根據(jù)GB/T 3768—2017《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級(jí)和聲能量級(jí) 采用反射面上方包絡(luò)測量面的簡易法》[19]中規(guī)定的基準(zhǔn)體選取方法，為包圍被測聲源的正平行六面體，選取前、后、左、右以及距離曳引機(jī)正上方1 m 的5 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)式（3）計(jì)算其算術(shù)平均值：

式中：

LPAi——第i點(diǎn)測量到的A 聲級(jí)，dB；

S——測量面的面積，m2；

Sv——測試室內(nèi)表面總面積，m2；

Ki——第i點(diǎn)環(huán)境修正系數(shù)；

α——平均吸聲系數(shù)。

周前飛等[20]取噪聲測量值的最大值，并設(shè)計(jì)報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)噪聲的監(jiān)測預(yù)警。但是不同環(huán)境下閾值該如何自適應(yīng)調(diào)整還有待研究。當(dāng)前噪聲監(jiān)測還停留在設(shè)置閾值的階段，忽略了很多有價(jià)值的信息，噪聲信號(hào)中存在的信息應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步挖掘。

4 總結(jié)

電梯是一種與群眾生活密切相關(guān)的特種設(shè)備，其中曳引機(jī)制動(dòng)器對電梯安全運(yùn)行至關(guān)重要，一旦發(fā)生故障將造成轎廂墜落、沖頂?shù)葒?yán)重故障。本文基于曳引機(jī)鼓式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與工作原理和故障類型分析，綜述了近年來曳引機(jī)制動(dòng)器安全性能監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)展，可以為電梯制動(dòng)器檢查維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)挖掘分析提供參考。

然而，曳引機(jī)制動(dòng)器健康狀態(tài)監(jiān)測依然存在一些問題。首先，曳引機(jī)制動(dòng)器監(jiān)測設(shè)備尚未形成統(tǒng)一規(guī)范。制動(dòng)器安全性能監(jiān)測涉及多種傳感器的使用和安裝，依然存在價(jià)格昂貴、精度不足、裝卸煩瑣、傳感器易損壞等問題。其次，現(xiàn)有的電梯運(yùn)維管理系統(tǒng)不能完全滿足使用需求。由于每臺(tái)電梯的性能、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行工況不一樣，缺乏個(gè)性化、定制化、有針對性的維護(hù)方法。此外，現(xiàn)有的電梯運(yùn)維管理系統(tǒng)智能化程度較低?；陔娞菀芬龣C(jī)制動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步開發(fā)智能化的運(yùn)維管理系統(tǒng)，結(jié)合前沿的深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)對制動(dòng)器狀態(tài)進(jìn)行有效辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)電梯曳引機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、故障診斷、預(yù)測與預(yù)警、維護(hù)等功能，提高運(yùn)維效率。未來電梯曳引機(jī)狀態(tài)監(jiān)測可圍繞高精度、易裝卸、無接觸的采集需求改進(jìn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術(shù)，減少傳感器自身損壞風(fēng)險(xiǎn)，使電梯曳引機(jī)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集更準(zhǔn)確、全面、高效。