（机械电子工程专业论文）电梯曳引及制动系统性能检测方法的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着社会的发展和城市化的日益提高，越来越多的高层建筑不断涌现，电梯 的保有量也与日俱增。电梯作为一种与人们日常生活密切相关的运输工具，其安 全性能不容忽视，本论文针对电梯曳引及制动系统性能检测进行相关研究。 传统电梯曳引与制动性能检测是通过静载荷实验完成的，检验过程繁琐且存 在一定风险，且检测结果误差很大。论文提出无载荷曳引与制动性能检测方法， 主要完成以下工作： 论文首先对电梯曳引系统结构进行力学分析，在此基础建立曳引系统力学模 型，根据该模型推导电梯轿厢、对重质量、轿厢最大称重载荷、轿厢上行和下行 制停加速度和制停距离等参数的计算方法。在此基础上，论文完成了曳引力及制 动力检测装置的总体方案和检测流程设计，完成了变频器、压力传感器和编码器、 p c a n u s b 适配器等相关部件的选型，详细介绍了c a n 总线自定义通讯协议信息 格式。接着设计了控制系统主程序结构，并且在v i s u a ls t u d i o 下开发位机监控 软件。最后通过现场测试采集分析数据，验证了相关理论推导的正确性及检测装 置的可行性。 本论文提出的电梯曳引与制动性能检测方法，相比较传统检测方法可以大幅 降低曳引力检测的劳动强度，提高检验的效率与质量，用于替代目前用于检测电 梯曳引能力的静载实验，能够节约大量的人力物力和时间，同时获得科学准确的 检验结论。论文相关成果能为电梯安全运行提供有力保障，在相关设备检测行业 具有广泛的推广意义与应用前景。 关键词曳引电梯；无载荷；c a n 总线 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a l d e v e l o p m e n ta n di n c r e a s i n gu r b a n i z a t i o n ，m o r e a n dm o r e h i g h r i s eb u i l d i n g sc o n t i n u et oe m e r g e ，t om a i n t a i ne l e v a t o ra l s oi n c r e a s i n g e l e v a t o r w i t hp e o p l ea sam e a n so ft r a n s p o r ta r ec l o s e l yr e l a t e dt od a i l yl i f e ，t h e i rs a f e t y p e r f o r m a n c ec a nn o tb ei g n o r e d ，t h ep a p e ra g a i n s tt h ee l e v a t o rt r a c t i o na n db r a k e s y s t e mp e r f o r m a n c et e s t i n gc a r r i e do u tr e l a t e dr e s e a r c h t r a d i t i o n a lt r a c t i o ne l e v a t o rb r a k ep e r f o r m a n c et e s t i n ga n ds t a t i cl o a dt e s t t h r o u g ht h ec o m p l e t i o no ft h et e s t i n gp r o c e s sa n dt h e r ea r es o m ec o m p l i c a t e dr i s k s ， t e s tr e s u l t sa n dag r e a te r r o r p a p e r p r e s e n t st h en o l o a dt r a c t i o na n db r a k i n g p e r f o r m a n c eo f d e t e c t i o nm e t h o d s ，m a i n l yt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n gt a s k s ： t r a c t i o ne l e v a t o rp a p e rf i r s tt h es t r u c t u r eo ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma n a l y s i s ， b a s e do nt h i sm e c h a n i c a lm o d e lo ft r a c t o rs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h em o d e ld e r i v e d e l e v a t o rc a r , t h eq u a l i t y , t h e l a r g e s tw e i g h i n gc a rl o a d ，c a rs u s p e n s i o ns y s t e m u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a ma c c e l e r a t i o n a n ds y s t e mp a r a m e t e r ss u c ha ss t o p p i n g d i s t a n c ei sc a l c u l a t e d o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rc o m p l e t e dt h et r a c t o rp o w e ra n d b r a k i n gf o r c ed e t e c t i o nd e v i c eo ft h eo v e r a l lp r o g r a md e s i g na n dt e s t i n gp r o c e s s ， c o m p l e t e dat r a n s d u c e lp r e s s u r es e n s o ra n de n c o d e lp c a n u s ba d a p t e ra n d o t h e r r e l a t e dc o m p o n e n t ss e l e c t i o n ，d e t a i l e di n f o r m a t i o no nc a nc u s t o mb u sp r o t o c o l m e s s a g ef o r m a t s t h e nd e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e mo fm a i ns t r u c t u r e ，a n dd e v e l o p e d u n d e rt h ev i s u a ls t u d i o b i tm a c h i n em o n i t o r i n gs o f t w a r e f i n a l l y , a n a l y s i so ff i e l dt e s t d a t ac o l l e c t e dt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h er e l e v a n tt h e o r ya n dt h ef e a s i b i l i t yo f d e t e c t i o nd e v i c e s t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne l e v a t o rt r a c t i o na n db r a k i n gp e r f o r m a n c eo fd e t e c t i o n m e t h o d s ，c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d s ，i ti m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n d q u a l i t y t e s t i n gf o rr e p l a c i n gt h ee x i s t i n g l i f tt r a c t o ru s e dt od e t e c tt h es t a t i cl o a d c a p a c i t ye x p e r i m e n t s ，c a l ls a v eal o to fm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sa n dt i m e t h er e s u l t so fp a p e r sr e l a t e dt ot h es a f eo p e r a t i o no fe l e v a t o r st op r o v i d es t r o n g p r o t e c t i o ne q u i p m e n tt e s t i n gi na w i d er a n g eo fi n d u s t r i e st op r o m o t et h em e a n i n ga n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw ords t r a c t i o ne l e v a t o r ；n ol o a d ；c a nb u s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趣蕴日期：墨翌互：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童危兰盘导师签名：历邋日期：弛苎：! 第1 章绪论 曼蔓! 皇曼! 曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼一m | m 皇曼曼鼍曼蔓皂曼苎皇曼! 皇蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍蔓! 曼曼蔓曼曼曼! 曼曼苎基 1 1 课题来源和意义 第1 章绪论 特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器，压力管道、电 梯、起重机械、大型游乐设施、客运索道、场( 厂) 内机动车辆。这些设备是关 系国民经济发展的重要基础，与人民群众生活息息相关并有较大危险的重要设 施。目前，日益增多的特种设备为我国国民经济发展和人民生活质量提高发挥着 积极的重要作用，但也因为它的危险性，给社会和人民造成严重损失，同时也将 产生恶劣的社会影响。为此，“八五 以来，北京市加大了对特种设备检验检测 安全的科研投入，组织联合公关，取得了一批具有国际领先或国际先进水平的科 研成果，对提高特种设备的安全水平起到了促进作用，但特种设备安全和使用中 的安全问题仍然很严峻，重大事故隐患和危险源仍旧存在。总体来讲，我国在特 种设备检验检测安全科技投入方面仍显不足，安全保障技术措施和科技总体水平 还相对落后，与发达国家先进技术相比还有一定差距n 。 相比较其他特种设备( 如锅炉压力容器等) 相比，我国电梯检测整体起步较 晚，检测手段比较匮乏且并不规范。目前，国内外厂商围绕电梯相关参数测量、 生产和改进了许多测试仪器，如钢丝绳探伤仪、电梯加速度测试仪、电梯安全部 件测试仪等。但绝大部分电梯检测还停留在依靠检验人员施加1 2 5 载荷后目测 曳引机工况的传统检测手法，类似这样的测量方法陈旧费力且效率低。因此，如 何改变这一落后现状规范检测方法是所有电梯检测工作者的当务之急。 本课题来源于北京市科委“科技改善市民生活质量主题 计划项目，进行特 种设备安全检测关键技术研究。北京工业大学机电学院机电控制实验室依托现有 技术资源优势，与朝阳区特种设备检测所开展项目合作，承担关于电梯曳引及制 动系统性能综合检测装置的研究，项目预期目标是研制出一套曳引力及制动力检 测仪器，实现在无载荷情况下曳引力、制动力及平衡系数的测量。本论文提出的 无载荷曳引性能检测方法，能够改善传统电梯检测手段，提升检验检测精度和效 率，保证电梯运行的安全性，改善首都市民的生活质量，并对提高人们的生活安 全感产生重要作用。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 课题研究背景 1 2 1 电梯曳引系统介绍 电梯种类繁多，而且结构各有不同，但它们却有共同之处，那就是都少不了 机械、电气和安全装置三大部分。机械部分是电梯的骨架，电气实现拖动和控制 功能，是电梯赖以运行的保障，安全装置有机地和机、电装置组为一体，互相 制约，以保证电梯可靠、安全地运行。目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢 丝绳曳引式结构，曳引式电梯曳引驱动关系如图卜l 所示乜1 。 1 一电动机：2 一制动器：3 一减速器；4 一曳引绳； 5 一导向轮；6 绳头组合；7 一轿厢；8 一对重 图1 1电梯曳引结构 f i g u r el 一1 t r a c t i o ne l e v a t o rs t r u c t u r e 安装在机房的电动机与减速箱、制动器等组成曳引机，是曳引驱动的动力。 曳引钢丝绳通过曳引轮一端连接轿厢，一端连接对重装置。轿厢与对重装置的重 力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮绳槽内。电动机转动时由于曳引轮槽与曳引钢丝绳 之间的摩擦力，带动钢丝绳使轿厢和对重作相对运动，轿厢在井道中沿导轨上下 运行。轿厢与对重装置能做相对运动是靠电动机转动时通过曳引绳和曳引轮间的 摩擦力实现的，这种摩擦力又我们又称之为曳引力。 曳引及制动系统是保证电梯控制系统指令被可靠执行的关键环节，如果这一 系统出现问题将会直接导致坠落、剪切等严重伤亡事故的发生。传统的检验方式 第l 章绪论 是通过静载荷实验进行检测，检验过程比较麻烦，且存在一定风险，因此有必要 研制一套操作简便、实验过程危险性小且无需真实载荷的检测装置，以便为电梯 运行安全性能的检测提供更为准确和更有说服力的数据证明。 122 国内外研究现状 电梯曳引机系统依靠曳引轮与曳引绳的摩擦力带动轿厢上下运行，靠制动闸 抱合制动轮使轿厢停止运动。曳引及制动系统是保证电梯控制系统指令被可靠执 行的关键环节，如果这一系统出现问题将会直接导致坠落、剪切等严重伤亡事故 的发生。传统的检验方式是通过静载荷实验进行检测，检验过程比较麻烦，浪费 时间和能源，而且效率较低且存在一定风险。 针对这一现状，国内外相关科研机构和公司在电梯检测领域投入了较大力 量，一些新的检验产品和检测方法陆续问世。图卜2 为t u v 一德国技术监督协会 设计的一套全新理念的数字化电梯检测系统a d i a s y s t e 3 d 。该装置包括一套测量 软件和若干个可以直接连接到笔记本电脑上进行测试的测量传感部件，可以检测 的参数包括：时间、运行、速度、加速度、震动、牵引力、液压电梯的压力等。 如图卜3 所示，该装置体积小巧，重量很轻，只有7 公斤，整套装置可以放在一 个箱子里便于携带”。 图1 - 2t u va d i a s y s t e m 便携式电梯检测装置 f i g u r e l 一2t u va d i a s y s t 圈p o r t a b l ee l e v a t o rd e t e c t i o nd e v i c e 。母一i 雨：翟 苗圣器 图卜4a d i a s y s t 叫电梯检现场 f i g u r e l 一4a d i a s y s t e mt e s t i n ge q u i p m e n ta tt h es c e n e 国内一些科研单位和企业也在不断研制电梯检测装置其中比较成功的有安 徽省特种设备检测院和安徽中科智能高技术有限责任公司共同研制的电梯平衡 系数智能测试仪。该装置由信号检测探头和信号处理电路构成。如图卜5 所示， 该装置主要原理是利用传感器测量钢丝绳张紧力。1 ，其特征是张力传感器固定设 第1 章绪论 置在呈水平设置的螺旋推进杆的顶端，在螺旋推进器的两侧，堆成设置一堆钢丝 绳钩，包括上绳钩和下绳钩，以张力传感器的检测信号为输出信号。 信号处理电路为单片机系统。如图i - 6 所示，基于p 8 9 c 5 8 单片机数据采集 器对从传感器传来的信息进行采样、分析和存储，并可通过自带的薄膜面板按键 和液晶显示屏进行相关参数的输入。测试完成后，数据采集器通过u s b 接口将数 据传递给计算机，由计算机进行数据的融合处理，通过复杂的数学运算，求出最 终的平衡系数，并可打印测试报告和对测试数据进行数据库管理，可随时调出查 一 有o 1 一电梯钢丝绳；2 一上绳钩；3 一下绳钩 4 一螺旋推进杆；5 一张力传感器；6 一螺旋推进器 图i - 5 张力测试机构结构示意图 f i g u r e l 一5 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et e s t i n gb o d yt e n s i o n 图卜6电梯平衡系数智能测试仪系统框图 f i g u r e l 一6e l e v a t o rc o e f f i c i e n to ft h es m a r tb a l a n c et e s ts y s t e mb l o c kd i a g r a m 广州日滨科技有限公司研制出一套基于p l c 电梯曳引机测试系统，完成变 频电机试验、双速电机试验和制动器测试实验随1 。如图1 - 7 所示，该系统以三菱 f x 2 n 系列微型可编程控制器为控制核心，扩展了数字i o 模块，a d 转换输出模 块和d a 转换输入模块。p l c 与p c 机间通过r s 2 3 2 接口连，在p c 机上利用 北京工业大学工学硕士学位论文 v i s u a lc + + 软件编写一个读取p l c 数据寄存器中数据的程序，把测试试验中测 量的参数提取到p c 机的数据库里打印报表，实现测试数据采集与保存功能。 该系统可以大致分为3 层。第1 层为“管理层”，由计算机和打印机组成， 计算机通过与p l c 通讯，完成现场数据的采集，并对采集的数据进行管理，根据用 户的需求，打印测试报告等。第2 层为“控制层”，主要由p l c 完成系统的核，l i , 控制工作。第3 层为“执行层”，包含继电器、接触器等电气执行元件，构成电气 操作回路，完成各个线路之间的切换。 r_i誓口x=， 吲 舅rm q - l 报挺 f 印千 _ l p l c l 一 i d 蠛块i e 关幂输入棱埂ld ，a 橡块i 开关景输出摸块i 圭处理嚣一馒捩 f 变送嚣 珩志托澍 f 燮绷嚣 l 制动器电j ! 输出j 电源。 撵作回鼯 ，上l i _ 一i _ 一l 图i - 7以p l c 为检测核心的曳引机测试系统 f i g u r e l 一7 d e t e c t i o no fp l ci nt h eh e a r to ft h et r a c t o rf o rt h et e s ts y s t e m 1 3 论文主要完成的工作 本课题拟设计完成一套曳引力及制动力检测装置，该装置可以通过检测各种 传感器的反馈信号，实时调整伺服系统，接受控制系统的指令使施加的力保持稳 定并持续可控，实时地记录曳引钢丝绳的受力及曳引轮位移的情况。通过建立的 力学模型，根据测试数据分析研究电梯的在各种运行状态下的受力情况，最终通 过计算获得电梯的平衡系数及电梯在各种工况下的曳引力及制动力。 为完成本课题的研究，主要进行了以下方面的研究工作： ( 1 ) 根据电梯曳引结构建立力学模型，分析推导电梯曳引力、制动力、平 衡系数、轿厢最大承重载荷、合闸加载频率和轿厢制停相关参数的计算方法。 ( 2 ) 设计曳引与制动系统检测装置的总体方案和检测流程，完成相关检测 部件选型工作。 ( 3 ) 设计控制系统主程序结构，在v i s u ms t u d i o 下开发上位机监控软件。 ( 4 ) 现场测试，验证相关理论方法的正确性及检测装置的可行性。 第l 章绪论 曼曼! ! ! ! 曼皇曼曼! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼! ! 皇! 曼皇曼曼m ：m = !mh i 曼曼皇! 鼍曼曼曼! 喜曼皇曼曼曼鼍曼鼍篡 1 4 本章小结 本章介绍了课题的来源和意义，同时介绍了课题的研究背景，包括对电梯曳 引系统的结构的描述，以及对当前国内外电梯曳引与制动系统性能研究现状的简 要介绍。最后说明了论文的要求和主要完成的工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章测试原理与加载流程 本章重点讨论无载荷曳引曳引系统性能检测原理与操作流程。首先根据电梯 曳引结构建立曳引轮与钢丝绳力学模型，对电梯曳引系统进行受力分析得出临界 打滑时刻钢丝绳两端拉力大小的关系，为计算轿厢、对重质量、最大承重载荷、 合闸加载频率和制停距离提供理论依据。根据建立模型和推导结论，制定曳引系 统上行加载、下行加载和合闸加载流程。 2 1 测试原理 t 1z 2 图2 - 1 钢丝绳受力简图 f i g u r e2 - 1 r o p ef o r c ed i a g r a m 首先以钢丝绳和曳引轮为研究对象，电梯运行过程中，假设此时钢丝绳在曳 引轮上正处于将要打滑还没打滑的临界平衡状态。如图2 1 所示，截取- 5 段钢 丝绳分离体作受力分析，径向力表示曳引轮作用于分离体上的正压力d n ；分离 体所受的拉力分别为丁和丁+ d 丁；分离体所受的摩擦力为f d n ( f 为当量摩擦系 数) ；该段分离体弧对应的角度为d 臼，钢丝绳在曳引轮上的包角为7 1 。 由c = o 得： 弟2 蕈捌试原理与加戟流栏 扰= 丁s i n 塑2 + 仃+ 刀) s i n 了d o ( 2 1 ) 因为d 臼很小，所以s 协了d o i d o ，略去二阶微量刀- a e 2 ，( 2 1 ) 式化简得 d n = t d 0( 2 2 ) 由e = o 得： f d n = p + d r ) c 。5 t d o 讯。s 警 ( 2 _ 3 ) 同样，因为d 矽很小，c 。s _ d o 1 ，( 2 3 ) 式化简得 f d n = d t ( 2 - 4 ) 由( 2 2 ) ( 2 4 ) 式可得f t d o = d t ，即： 塑：f d o ( 2 5 ) l 对( 2 5 ) 式积分要等= r 秒，即l n 吾= 户 求得： 生：e f a( 2 - 6 ) 1 2 p 称为曳引系数，曳引系数是一个客观量，它与当量摩擦系数f 和钢丝绳 包角0 有关，一台电梯的曳系数代表了这台电梯的曳引能力。由( 2 - 6 ) 式可见， e 限定了互正的允许比值，e f o 越大，表明五正的允许比值越大，并且五一瓦的 允许值越大，也就表明了电梯曳引能力大。 由此可以得出结论：当钢丝绳在曳引轮上的包角0 以及摩擦系数厂一定的情 况下，通过空载时的拉力比可以求得满载时的拉力情况。 2 2 轿厢和对重质量计算 根据前文所得结论，钢丝绳与曳引轮处于打滑临界时刻时，钢丝绳两端拉力 之比为恒定值。在电梯曳引系统中，钢丝绳两端分别与轿厢和对重相连，因此 两端拉力分别与轿厢和对重质量有关。曳引轮处于正向和反向打滑两种状态下可 分别计算出钢丝绳两端拉力大小，进而求得轿厢和对重质量，以此作为后面理论 推导和计算的依据。轿厢和对重质量计算过程具体如下： 北京工业大学工学硕士学位论文 如图2 2 所示，空载情况下关闭抱闸，此时曳引轮固定不动。在a 、b 两处 使用夹持机构和支撑机构各安装一个压力传感器，用来读取钢丝绳对a 、b 点压 力值。打开抱闸，由于空载情况下对重质量大于轿厢的质量，因此在重力作用下 对重侧夹持机构下行为支撑机构所托持，对重侧压力传感器受压力作用，而轿厢 侧夹持机构则上行，与支持机构脱离，轿厢侧压力传感器未受到压力。此时曳引 轮与钢丝绳相对静止，称该状态为自然状态。 口 压力传感器 轿厢 甍压力传感器 q 、。、l i tt 2 口对重 吲，岳 l 一 y 里 图2 2 曳引不慈图 f i g u r e 2 - 2 e l e v a t o rt r a c t o rd i a g r a m 设轿厢和对重质量分别为和m ：，轿厢侧和对重侧钢丝绳向下拉力分别为 五和五。自然状态下轿厢侧和对重侧两端压力传感器读数分别为和，且 互= _ ：瓦= m ：。 此时吒= 0 ， o ，钢丝绳受力方程为：疋一b 自一瓦= 0 疋一五= b 自( 疋 正) ( 2 7 ) 所以= m ：一，即轿厢对重质量差可求，即自然状态下对重侧压力传感器 读数即为轿厢和对重重量之差。 打开抱闸的情况下，首先沿轿厢上行对重下行方向使曳引轮逐渐加载， 在电机驱动力矩的作用下曳引轮将逐步克服钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力，直至 1 n 第2 苹测试原理与加载流程 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼! 曼曼孽im_nr u i u 鼍曼! 曼曼! ! 曼! ! 曼曼! 曼寰 产生相对滑动。此时我们可以记录下加载过程中对重侧压力传感器数值的变化b ， 记克服最大静摩擦力打滑的瞬间的压力传感器数值为6 施，此时钢丝绳受摩擦 力为瑶，运动之后的压力传感器数值为6 m 。 根据前文推导公式( 2 - 6 ) 可得 个 二l l = e 声 ( 2 - 8 ) 2 ：一6 撇 产生相对滑动后逐步减小施加在电机轴上的力矩，直至系统恢复到自然状 态，然后沿轿厢下行一对重上行的相反方向使曳引轮逐渐加载，该过程中电机轴 上的驱动转矩，使曳引轮逐步克服两侧的重力差，而后对重侧夹持机构上行，与 支持机构脱离，轿厢侧夹持机构下行为支撑机构所托持，此后轿厢侧压力传感器 数值开始增加，直至曳引轮克服钢丝绳与曳引轮之间的反向最大静摩擦力，而产 生相对滑动。同样，我们可以记录下加载过程中轿厢侧压力传感器数值的变化a ， 记克服最大静摩擦力打滑的瞬间的压力传感器数值为口触，此时钢丝绳受摩擦 力为曙，运动之后的压力传感器数值为。 同理，根据公式( 2 6 ) 可得 圣 ：p 声 ( 2 9 ) 五一口舭 由式( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 可求得轿厢和对重侧拉力五，五分别为 z ：绉坠二皇些2( 2 1 0 ) q 2 瓦了瓦j 酉 皑叫w 9 撇一口反m 缸一2 d 自 l ：绉坠! 坠2( 2 1 1 ) 屯2 石j 瓦而 心叫 口反m 缸一9 淞+ ：z 扫自 又五= 铂，正= m ： 求得轿厢质量= 巧耋黯，对重质量m ：= ( + 口) 【口肋一6 撇+ 2 ) 9 7 弋 为了达到精确检验目的，测量对重和轿厢质量时要求电梯处于中f , - j 层位置，考虑 到钢丝绳质量影响，设单位长度钢丝绳质量m 。，钢丝绳总长度为l 。 修正后轿厢实际质量研，= 巧耋描一三2 m 。 i 一口反肘缸一：z j 北京工业大学工学硕士学位论文 修正后对重实际质量川：= 石熹一互1 m 。三 2 3 曳引性能检测理论推导 2 3 1 轿厢最大载荷 荷。 推导目标： 抱闸闭合时，钢丝绳与曳引轮不发生打滑情况下轿厢的最大载荷。 推导原理： 根据打滑临界时刻钢丝绳两端拉力之比为恒定值这一结论，推算轿厢最大载 推导过程： 由( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 式可求得打滑时刻钢丝绳两端拉力比值为 ( b z _ m = 一) 2 讯五了可瓦j 际j 瓦两 打滑时刻轿厢侧下拉力= + 。由式( 2 6 ) 得 瓦。一。p 一+ 胍一【蛙施一) 百刮一t 一可石了可瓦j 匠j 瓦两 = 赢了畿蕃磐石面一m ( 2 1 2 ) 2 触一( 口鼬缸+ ) + 6 ( 6 一日鼬缸一2 ) 1 怕“7 所以轿厢最大承重载荷为： ( 6 撇一) 聊： 硬石了可毫j 高j 瓦习1 第2 章测试原理与加载流程 2 3 2 合闸加载频率 f 对重 图2 3 合闸检测不意图 f i g u r e 2 3 e le v a t o rd e t e c t i o ns w i t c hd i a g r a m 推导目标： 将抱闸闭合，轿厢加载至1 2 5 q ( q 为轿厢额定载荷) 载荷时，抱闸与曳引 轮之间不发生打滑即认为抱闸性能合格随1 。 推导原理： 利用轿厢和对重自身重量对制动鼓产生的载荷，再通过电机对曳引轮加载的 载荷，累计对曳引轮模拟施加1 2 5 q 载荷，达到抱闸检测条件。 推导过程： 如图2 3 所示，自然状态下驱动电机使轿厢下行对重上行阳1 ，开始记录 两侧压力传感器数值a 和b 。当对重侧夹持机构与传感器产生分离，对重侧传感 器读数b 为0 ，且轿厢侧夹持机构被钢丝绳压紧，轿厢侧传感器读数a 开始增加 时，闭合曳引机抱闸，记轿厢侧压力传感器压力值为闸，此时曳引轮对钢丝绳 的摩擦力为乓闸。 抱闸闭合后，曳引系统保持静止，此时对钢丝绳进行受力分析。钢丝绳受轿 厢侧拉力互，对重侧拉力瓦，曳引轮对钢丝绳的摩擦力为闸，受力方向如图 北京工业大学工掌坝士学位论文 2 - 3 所示，以钢丝绳为受力对象，列出力学平衡方程。 墨一口合闸+ 名闸一正= 0i 一口合闸+ ，合闸一2 。 求得： 咯闸= z 2 一z i + 口合闸。合闸一1 1 “合闸 根据牛顿g g - - 定律，此时曳引轮也受到钢丝绳施加的大小为正一五+ 口合闸， 方向为顺时针的摩擦力咯闸的作用。根据合闸检测要求，需对曳引轮累计施加 1 2 5 q 载荷，因此还需以一定频率驱动电机，对曳引轮施加1 2 5 q 一( 正一五+ 口厶闸) 的载荷才能达到1 2 5 q 载荷的检测要求n 0 1 。 在曳引力的检测过程当中我们能够得到一组在电动机不同输入状态下与钢 丝绳上牵引力的对照表。我们所得到的牵引力是由电动机输出转矩通过减速箱及 曳引轮施加在钢丝绳上的，在钢丝绳上测到的数据已经包含电气拖动系统效率 m 3 ，机械传动系统变速比以及传动系统效率在内的诸多因素，直接就是我们需要 的值。实际状况下对于一部分电梯制动力应该会大于使用这种方法测得的值动 力，因为润滑状况及蜗杆的升角有关系n2 | ，蜗轮蜗杆的减速箱正反向的传动效率 存在一定差异。 根据电动机理论知识及数据分析，我们可以得到电动机在输入电压，输入电 流，输入频率和输出转速完全相同的情况下输出转矩完全相同。 我们可以在前阶段的检测结果中查表得到我们所需要的转矩值在合闸状态 下通过变频器驱动电动机在制动器上时加以所需的转矩，同时检测是否发生相对 滑动来判断制动器是否符合要求。 因此，当电机频率逐渐累计增加1 2 5 q 一( 五一互+ 咯闸) 时，曳引轮即达到 1 2 5 q 载荷量。此时若抱闸与曳引轮不发生打滑，则认为抱闸制动性能良好，否 则抱闸检测不合格。 第2 章测试原理与加载流程 2 3 3 轿厢制动距离 v 对重 对重 图2 4 轿厢制动打滑受力示意图 f i g u r e 2 - 4 e l e v a t o rb r a k i n gf o r c es c h e m a t i cd i a g r a m 在图2 - 4 轿厢制动打滑受力示意图中： 厢制动时轿厢侧钢丝绳拉力； 舀重制动时对重侧钢丝绳拉力； s 。轿厢上行制动距离： s 下轿厢下行制动距离； 单位长度钢丝绳质量； 钢丝绳长度； 碱轿厢质量； m ，对重质量； m 轿厢负载质量； q 轿厢额定载荷； 北京工业大学工学硕士学位论文 v 轿厢初速度； ，钢丝绳与曳引轮滑动摩擦力； 推导目标： 轿厢匀速空载上行至顶层，或满载下行至底层时抱闸突然闭合，论证轿厢制 停距离n 引。 推导过程： 空轿厢上行制停 假设轿厢上行速度为v ，轿厢侧和对重侧钢丝绳所受拉力分别与轿厢和对重 重量相等。 抱闸闭合时，由于惯性存在，轿厢会继续向上运行，钢丝绳与曳引轮产生打 滑，滑动摩擦力大小为，钢丝绳在滑动摩擦力的作用下沿绳槽做匀减速运动直 到速度减小至零。 分别以轿厢、对重为分析对象，受力平衡方程如下： 厢= o ：碍g 一厢= 砚以 ( 2 1 3 ) 重= 0 ：碥重- m 2 9 - m 。l g = ( 聊2 + m 。l ) a ( 2 1 4 ) 由( 2 6 ) 式可得， m 生堕：e f 8( 2 1 5 ) 厢 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式联立可得： m 2 9 + m o l g + ( m 2 + m o l ) a ：p ，口 m 1 ( g a ) f 碍p p m 2 一m o l ) g 泸7 百而 & = 五v 2 = 可v 2 ( m 移1 e 1 9 碉+ m 2 + m o l ) 所以，空轿厢上行至顶层时，制停距离为乏耄销 满轿厢下行制停 厢= 0 ：厢( + m ) g = ( + m ) 口 氏重= 0 ：m 2 9 一舀重= m 2 口 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 第2 章测试原理与加载流程 曼曼曼! 曼! 皇! 曼! 寰曼皇蔓! ! 曼! 曼曼曼曼苎曼蔓皇! 曼! 皇曼! 曼i i ；i 曼! 曼皇曼曼! 皇! ! ! ! ! ! ! 曼! ! 曼曼曼! ! 曼蔓! 曼曼曼! ! 曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼 墨盟：p p m 对重 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 式联立可得： e f o ：( 竺望塑 聊：( g - a ) ( m 2 p 一m m o l q ) g 弘m 7 e 石再前m n ，。+ ，鸦+l + & = 五v 2 = 弭v 2 ( m i 2 e y 丐口+ m 再a + m 磊。砑l + q ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 所以，满轿厢下行至底层时，制停距离为差鬈篡瑚 综合以上知： 若轿厢以速度v 空载上行至顶层，制停距离为石v 2 下( m 磊a e - t 万o + = m 丽2 + m o l ) 若轿厢以速度v 满载下行至底层，制停距离为五v 2 币( m i 2 e 歹口= + i = + m 诃o l + q ) 2 4 加载流程 2 4 1 机械机构的安装 为实现电梯曳引系统相关参数的测试，同时也为测试过程的安全，这里将轿 厢和对重侧钢丝绳分别采用机械机构夹持，该夹持机构可随钢丝绳自由上行，当 下行时可被安置在曳引机支架上的支撑机构托持，同时支撑机构上还加装有压力 传感器，如图2 5 所示。通过对夹持及支撑机构的合理设计，可以测量不同工况 下两侧支撑机构所受的钢丝绳运动方向上的压力，而该压力值恰好是获得最终测 试结论的基础数据n4 1 。夹持机构上行、下行时与支撑机构的位置关系如图2 5 所 示。 i ! 至三些尘薹茎堡圭兰堡耋耋 圈2 - 5 压力传感器与机械机构安装示意图 f i g u r e2 - 5 p r e s s u r es e n s o ra n dm e c h a n i c a li n s l a l l e dd i a g r a m 242 上行加载 打开抱闸，沿轿厢上行对重下行方向使曳引轮逐渐加载，曳引轮将逐渐 克服钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力，直至产生相对滑动，记录此时克服最大静摩 擦力打滑的瞬间的压力传感器数值。 243 下行加载 打开抱闸，沿轿厢下行对重上行方向使曳引轮逐渐加载，曳引轮将运渐 克服钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力，直至产生相对滑动，记录此时克服最大静摩 擦力打滑的瞬间的压力传感器数值。 244 合闸加载 打开抱闸，自然状态下，驱动电机使轿厢下行对重上行，当对对重侧传 感嚣读数b 为0 ，且轿厢侧夹持机构被钢丝绳压紧且压力传感器a 读数开始增加 时，闭合曳引机抱闸，记轿厢侧压力传感器压力值为。以频率f 驱动电机，对 曳引轮施加的载荷才能达到12 5 q 载荷的检测要求。 25 本章小结 本章首先肘电梯曳引结构进行受力分析，建立了一套力学模型，以此为依据 推导出电梯轿厢质量、对重质量、轿厢最大承重载荷、合闸加载频率和轿厢制停 第2 章测试原理与加载流程 相关参数的计算方法，最后制定了一整套电梯曳引与制动性能加载流程，作为实 际检测的理论基础。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 1 功能要求 第3 章测试系统方案 电梯曳引及制动系统性能综合检测装置为实现相关参数的测量，还包含以下 注意事项： ( 1 ) 在曳引力测试过程中，为了保证被测电梯系统的安全，并将对电梯的 影响降到最低，应避免使用原有的电梯控制系统，因此，测试方案采用独立的电 机变频控制系统及抱闸线圈用供电系统n 5 1 。 ( 2 ) 综合检测装置应具备变频器的控制接口，以便针对不同曳引电机进行 变频器参数的初始化设置，并且根据测试实现变频器的上下行运行、停止、及其 加载过程中对拖动力及拖动速度的实时控制。 ( 3 ) 综合检测装置应具备可编程电源的控制接口，以便针对不同电梯系统 的抱闸线圈设定输出的电压，并根据测试过程的要求控制电源的开启、关闭等动 作，同时可以实时监测电源的输出电压n 副。 ( 4 ) 为实现自动的检测流程，并保证测试过程的安全，检测系统中应配备 相应的传感器实现曳引轮滑动的准确判断。 ( 5 ) 综合检测装置应在较强电磁场干扰的测试现场，实现分散分布的各种 传感器信息的实时、可靠采集7 | 。 ( 6 ) 测试系统具有手动测试、单步测试及自动测试等功能，以方便系统调 试及用户使用，同时还具备数据分析功能，以通过相应的计算得出用户最终需要 的检测结论。 ( 7 ) 另外，为保证测试过程安全顺利进行，系统还必须具备保护功能，当 系统出现时，应立即发出报警并根据故障情况做出抱闸、停车等处理。 除上述主要功能外，综合检测装置还应具备以下功能： ( 1 ) 综合检测装置应将检测的原始数据保存在文件中，以供后续数据分析 与处理。 ( 2 ) 具备显示功能，用于显示系统的运行状态和辅助报警的功能n 8 | 。 3 2 总体方案 本课题中为实现对最大静摩擦力、动态曳引力和最大制动力的检测，需要安 装多个传感器，并要实现曳引电机及抱闸线圈的控制等功能，这些被测量与被控 制单元分布在电梯机房中，而电梯机房内的变频器、曳引电机等大功率电器设备 运行期间的强电磁场干扰同样不容忽视。因此，复杂性现场环境下实时信息的可 第3 章铡试系统方案 靠传递成为检测过程可靠实现的关键因素。经多方调研论证，本项目基于现场 总线技术，通过设立多个智能节点就近处理信号，然后通过现场总线的数字通信 方式与主控系统交换信息，实现了采样数据与控制指令的可靠、实时传输，且提 高了系统的抗干扰能力和测控精度“”。 己设计完成的曳引力及制动力检测装置的总体结构示意图如图3 - 1 所示。 5 “帮 i “搿 因“ 口“ # # 图3 - 1电梯曳引及制动系统综台性能检测装置示意图 f i g u r e 3 1 e l e v a t o rt r a c t i o na n db r a k i n gs y s t e mp e r f o r m a n c et e s t i n ga d p a r a t u s 该装置主要分为机械卡紧机构、数据采集单元、指令执行单元、核心控制单 元及删1 人机交互界面等。其中，人机界面主要负责参数设定，及运行中的状态 监测。数据采集单元包括压力传感嚣的数据采集模块( 4 个) 、编码器信息采集模 块( 1 个) ，指令执行单元包括制动器电源的控制单元( 1 个) 及曳引电机控制用 变频器的指令发布单元( 1 个) 。上述数据采集单元将来自现场传感器的信息通 过c a n 总线发送至核心控制单元1 ，核心控制单元根据采集数据分析曳引钢丝绳 的受力和位移状况，以此来判断电梯运行状况，并根据设定参数通过c a n 总线实 时调整制动器单元、变频器指令发布单元等各指令执行单元的输出状态。此外， 核心控制单元还将实时检测获得的原始数据，进行分析整理，并根据建立的数学 模型计算获得需要的检验结论，以此实现曳引力、制动力及平衡系数的检测。 33 测试系统的组成 331 曳引电机控制用变频器 电梯曳引机是通过曳引力拖动电梯轿箱上下运行的装置，它主要是由电动 机、制动鼓，抱闸，涡轮蜗杆减速箱及曳引轮构成，电动机与制动鼓在同一根轴 上，它们产生的拖动力经由蜗轮蜗杆减速箱作用于曳引轮上，最终通过曳引力拖 北z i 业i 位镕z 动轿厢及对重运行“。在“电梯曳引及制动系统性能综合检测装置的研究”中需 要使用电梯曳引机自身的电动机作为拖动电机为检测过程当中提供可控转矩，在 曳引电机控制用变频器的选择中，为了尽可能适用于绝大多数电梯的检测，经统 计目前普遍使用的电梯曳引机大多使用1 8 k w 以下的三相异步电动机，额定输入 电压从1 8 0 v 到3 8 0 v 之间额定输入频率从1 f i h z 到5 0 h z 之间，在检测过程当中 需要在堵转的情况下短时输出电动机额定输出转矩2 0 0 以上的转矩，因此准备 在系统中采选用3 8 0 v 5 0 h z 2 2 k w 可以进行矢量控制的变频器”。 本项目中选用的是三菱新一代高性能通用型变频器f r a 7 4 0 2 2 k w ，外观如图 3 - 2 所示，工作参数参见表3 一l 。 表31 f ra 7 4 0 _ 2 2 k w 参数 t a b l e 3 1f ra 7 4 02 2 k wp a r a m e t e r s 型号 工作电压 三相3 8 0 v 额定功率 v f 控制、先进磁通矢量饪 控制方式 制、实时