基于动力学分析的电梯门偏心轮故障研究

杨凯杰,应晨耕,戴勇磊,周恩泽,杨丽霞,陈栋栋,黄博元

(1.浙江省特种设备科学研究院,浙江 杭州 310020 ) (2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室,浙江 杭州 310020)

电梯门系统是电梯的八大系统之一,也是发生故障和事故最多的系统[1-2]。现阶段电梯门故障研究主要集中在对电梯门系统电气和程序的故障信号分析上,对于机械故障的研究几乎没有涉及[3-6]。电梯门偏心轮是电梯门系统的重要机械部件之一,由于其运行环境多样,故障与自身性能的退化有关,且现有电梯门偏心轮故障机理研究尚不完善,导致大量在用电梯门偏心轮并无良好安全保障[7-8]。因此,本文对电梯门系统及其动力学特性进行研究,根据研究成果判断电梯门偏心轮是否存在故障。

1 有限元分析与初步设计方案

1.1 电梯门结构及其运行工况分析

本文以某品牌电梯为研究对象,其门尺寸为950 mm×10 mm×2 300 mm,门板厚为1.2 mm。如图1所示:电梯控制系统驱动电梯门扇水平移动;门扇与门挂板采用螺栓连接;门滚轮安装在门挂板上,上滚轮(门挂轮)和下滚轮(偏心轮)各两个;门扇下端螺栓连接门滑块。

1—门滑块;2—门扇;3—偏心轮;4—门挂轮;

电梯门系统在不同环境、不同负荷下的运行状态不同,可归纳为正常运行和剧烈抖动运行2种工况,如图2所示。电梯门在正常运行工况下具有启闭迅速、运行平稳等特点[9];当电梯门碰到偏心轮位置调整不当或磨损时就易出现剧烈抖动运行工况,是电梯门系统故障的一种表现。

a—正常运行;b—剧烈抖动运行

1.2 电梯门系统仿真及其动力学特性分析

依据电梯门系统结构组成及其调整要求,其主要材料为结构钢和橡胶,材料参数见表1,模型约束设置如表2和图3所示。表2中S为位移,α为旋转角度。接触方式设置如下:1)下筋板与滑块、门挂板与偏心轮、门挂板与门挂轮采用Frictionless接触;2)偏心轮轴与偏心轮、门挂轮轴与门挂轮采用Frictional接触;3)螺栓连接等其他接触采用Bonded接触。设定摩擦接触的摩擦系数为0.1[10]。

表1 电梯门系统主要材料参数表

表2 电梯门系统模型约束设置表

图3 电梯门系统模型约束设置图

经模态分析得到电梯门系统前6阶固有频率和振型,如表3和图4所示。

图4 电梯门系统模态振型图

2 响应分析与讨论

为便于仿真,对图2中电梯门匀速运行(FG)阶段进行分析。电梯门所受驱动力计算公式为[10]:

(1)

(2)

式中:P为电梯门门机功率,取值43.5 W;n为门机转速,取值180 r/min;T为电梯门门机力矩,N·m;r为门挂轮半径,取值0.075 m;F为电梯门所受驱动力,N。

由此解得F=30.7 N。

电梯门系统恒定阻尼比设置为0.3[10],输出为偏心轮连接处的响应加速度,输出位置如图1(a)所示。当偏心轮故障时,电梯门除受驱动力作用外,还受冲击载荷影响[11],如图5和图6所示,冲击载荷大小为186 N,脉宽为0.2 s,方向为Y轴方向。

图5 故障电梯门载荷施加示意图

图6 故障电梯门载荷随时间变化曲线图

如图7所示,当电梯门只受电梯门驱动力作用(偏心轮正常)时,偏心轮处的响应加速度较小,Y轴方向最大响应加速度为2.34×10-3m/s2;Z轴方向最大响应加速度为5.87×10-3m/s2;但当偏心轮受到186 N的冲击载荷(偏心轮故障)时,其Y轴方向最大响应加速度为0.12 m/s2,Z轴方向最大响应加速度为0.14 m/s2。故障后偏心轮处出现了周期性脉冲响应加速度,并且其值明显大于故障前的响应加速度。

图7 偏心轮处响应加速度随时间变化曲线图

3 实验及故障诊断机理分析

3.1 实验分析

当电梯停靠在某一层站时,人为设置电梯控制方式为信号控制,启动EVA-625型电梯加速度测量仪后长按关门键和开门键,所测数据为一组电梯门系统关、开门振动信号,据此采集得到故障偏心轮的振动数据。利用db4小波函数对低频趋势项消除后的信号进行5层分解,得到低频降噪信号。如图8所示,图中相邻虚线之间的时间t(周期)为0.267 s,等于相邻实线之间的时间(周期)。计算得到电梯门偏心轮行程为0.134 m,其理论周长为0.126 m,误差率为6.3%,此误差率在动态非拆卸的在线测量方法中属于合理误差范围。

图8 小波处理后故障电梯门偏心轮Y轴方向振动信号曲线图

3.2 故障诊断机理分析

如图9所示,电梯门偏心轮在开、关门过程中进行往复运动,且其自身做周期性圆周运动。当电梯门偏心轮发生故障时,其在运行过程中易产生冲击载荷,因此电梯门偏心轮发生故障时就会产生脉冲型故障响应信号,运行一周后再次出现类似信号,反向运行同理。设电梯门偏心轮运行一周的时间为t,则其在t时间内运行路程等于理论周长,因此电梯门偏心轮的故障信号具有周期性和对称性。

图9 圆周运动部件故障诊断机理图

3.3 故障推理

根据实验结果,电梯门偏心轮发生故障时存在周期性故障脉冲信号,并且计算所得电梯门偏心轮行程近似等于其理论周长。因此,实验所得电梯门偏心轮故障信号与仿真结果和故障判断机理分析一致,可判断为电梯门偏心轮的故障。

4 结束语

本文提出了一种基于多体动力学特性分析的电梯门偏心轮振动故障诊断方法,揭示了电梯门偏心轮的振动故障诊断机理,实现了电梯门偏心轮的故障诊断。通过分析故障偏心轮运行时产生的振动信号特征,表明文中所述方法能够有效诊断电梯门偏心轮的故障,诊断结果准确。