本發(fā)明涉及電梯健康監(jiān)測和故障預(yù)警領(lǐng)域，特別是一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)和社會城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，國內(nèi)電梯保有量也在逐年增加；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2003年前，國內(nèi)運(yùn)行使用的電梯僅有30萬臺左右；而到2015年時(shí)卻猛增至420萬臺。伴隨電梯數(shù)量增加的同時(shí)，電梯故障傷人事故也時(shí)常發(fā)生；相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2011年電梯傷人事故總共64起，2012年為42起，2013年有70起，而到了2014年卻增加至95起。

電梯事故頻發(fā)使得人們對電梯安全的關(guān)注程度越來越高。而對于電梯安全，其涉及到電梯自身的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，安裝調(diào)試和運(yùn)行保養(yǎng)等多個(gè)環(huán)節(jié)。優(yōu)化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝調(diào)試方案，合理的維修保養(yǎng)計(jì)劃可以提高電梯運(yùn)行的可靠性。但是，考慮到零部件壽命的分散性，各部件性能衰減指標(biāo)的不統(tǒng)一和電梯維修保養(yǎng)實(shí)施的具體程度等問題，通過整體維修保養(yǎng)的方式完全避免電梯系統(tǒng)故障在實(shí)際中還是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測電梯系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對監(jiān)測狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并預(yù)警設(shè)備早期故障也顯得尤為重要。

目前來說，還缺乏有效的衡量指標(biāo)和評價(jià)方法，當(dāng)前市面也鮮有用于電梯整機(jī)故障預(yù)警的技術(shù)或裝置，有鑒于此，本發(fā)明人經(jīng)過深入研究，提出一種以電梯的拖動(dòng)和制動(dòng)性能評估結(jié)果為依據(jù)的電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警系統(tǒng)及方法，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警系統(tǒng)及方法，通過加速度監(jiān)測信號和其微積分變換結(jié)果求取轎廂的位移、速度、加速度信息，通過電梯拖動(dòng)系統(tǒng)評估指標(biāo)和制動(dòng)性能評估指標(biāo)來快速地檢測出電梯制動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障問題，并及時(shí)地做出故障報(bào)警。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警系統(tǒng)，包括多個(gè)分別安裝在轎廂上行平層區(qū)間、下行平層區(qū)間以及轎廂門上的開關(guān)量傳感器和安裝在轎廂上的加速度傳感器以及采集處理設(shè)備和顯示設(shè)備，各開關(guān)量傳感器、加速度傳感器及顯示設(shè)備分別與采集處理設(shè)備連接；

各開關(guān)量傳感器分別用于監(jiān)測轎廂上行平層觸發(fā)時(shí)間信息、下行平層觸發(fā)時(shí)間信息以及轎廂門開或關(guān)觸發(fā)時(shí)間信息，加速度傳感器用于監(jiān)測轎廂加速度信息，采集處理設(shè)備用于采集和處理開關(guān)量傳感器與加速度傳感器監(jiān)測到的信息，并在處理后生成故障預(yù)警信息發(fā)送至顯示設(shè)備。

一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警方法，包括以下步驟：

步驟一、在電梯運(yùn)行時(shí)，通過加速度傳感器監(jiān)測轎廂加速度信息，通過各開關(guān)量傳感器監(jiān)測轎廂上行平層觸發(fā)時(shí)間信息和下行平層觸發(fā)時(shí)間信息及轎廂門開或關(guān)觸發(fā)時(shí)間信息，采集處理設(shè)備采集轎廂加速度信息并經(jīng)過微積分變換后獲得轎廂運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度數(shù)據(jù)，采集處理設(shè)備采集上行平層觸發(fā)時(shí)間信息和下行平層觸發(fā)時(shí)間信息及轎廂門開或關(guān)觸發(fā)時(shí)間信息，經(jīng)過處理后獲得電梯停梯及平層觸發(fā)時(shí)間數(shù)據(jù)；

步驟二、根據(jù)電梯曳引機(jī)的聯(lián)接方式、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、支撐類型和傳動(dòng)比確定轎廂升降速度分別與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率之間的換算關(guān)系；

步驟三、依據(jù)步驟一檢測獲得的加速度數(shù)據(jù)建立轎廂速度變化曲線，取穩(wěn)速階段內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析；

步驟四、將步驟三頻域分析對應(yīng)的轎廂速度數(shù)據(jù)代入步驟二所述換算關(guān)系中獲得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率；

步驟五、在步驟三頻域分析結(jié)果中找出步驟四所述故障特征頻率分量的幅值，作為電梯拖動(dòng)系統(tǒng)評估指標(biāo)；

步驟六、在電梯停梯時(shí)，根據(jù)步驟一所述轎廂運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)和電梯停梯及平層觸發(fā)時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算出停梯和平層觸發(fā)時(shí)間段內(nèi)轎廂的運(yùn)動(dòng)位移，將該運(yùn)動(dòng)位移與電梯安裝時(shí)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比確定停梯平層誤差，該誤差作為制動(dòng)性能評估指標(biāo)；

步驟七、計(jì)算各評估指標(biāo)與電梯設(shè)計(jì)允許值之間的偏差值，若有評估指標(biāo)超出電梯設(shè)計(jì)允許偏差值，則由采集處理設(shè)備生成絕對故障預(yù)警信息并發(fā)送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示；

步驟八、在下次電梯啟動(dòng)、停梯過程中，重復(fù)步驟三至六，獲取電梯在新運(yùn)行狀態(tài)下的評估指標(biāo)；

步驟九、統(tǒng)計(jì)所有各評估指標(biāo)在一定周期內(nèi)的均值和不確定度并確定其變化關(guān)系，根據(jù)各評估指標(biāo)均值和不確定度的變化關(guān)系，作出相對故障報(bào)警，作出相對故障報(bào)警信息也由采集處理設(shè)備發(fā)送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障特征頻率分量包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻、二倍頻和三倍頻分量；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)故障特征頻率分量包括曳引機(jī)的轉(zhuǎn)頻、二倍頻、三倍頻分量和曳引機(jī)軸承內(nèi)圈、外圈、滾珠故障頻率分量；支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率分量為保持架故障頻率分量。

步驟二中，轎廂速度V與電機(jī)轉(zhuǎn)速n₁之間的換算關(guān)系如下：

式中，n₁是電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速，n₂是曳引機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速；R為曳引輪繩槽節(jié)圓半徑。

采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明使用加速度傳感器監(jiān)測轎廂的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)監(jiān)測信號和其微積分變換結(jié)果求取轎廂的位移、速度、加速度信息，在保證評估所需參量完整的同時(shí)簡化了測試方案；

2、本發(fā)明充分利用電梯起動(dòng)、穩(wěn)速和停梯等狀態(tài)下的數(shù)據(jù)對轎廂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行評判，提出轎廂穩(wěn)速提升階段的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率作為電梯拖動(dòng)系統(tǒng)評估指標(biāo)，停梯和平層階段的停梯平層誤差作為制動(dòng)性能評估指標(biāo)，更為準(zhǔn)確的反應(yīng)出電梯各結(jié)構(gòu)故障問題，也豐富了轎廂狀態(tài)評估指標(biāo)；

3、本發(fā)明采用平層誤差評價(jià)電梯的制動(dòng)能力，相對曳引機(jī)制定系統(tǒng)的直接測試，該評價(jià)指標(biāo)的物理意義更加明確；

4、本發(fā)明在電梯穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)直接監(jiān)測轎廂運(yùn)動(dòng)的頻域信息來評價(jià)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障情況，作出準(zhǔn)確的故障預(yù)警。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警方法流程簡圖；

圖3是轎廂運(yùn)動(dòng)速度和加速度變化曲線圖；

圖4是轎廂穩(wěn)速升降過程頻域分析示意結(jié)果圖；

圖5是電梯平層誤差與測量頻次關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明揭示的一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警系統(tǒng)，包括多個(gè)分別安裝在轎廂上行平層區(qū)間、下行平層區(qū)間以及轎廂門上的開關(guān)量傳感器和安裝在轎廂上的加速度傳感器以及采集處理設(shè)備和顯示設(shè)備，各開關(guān)量傳感器、加速度傳感器及顯示設(shè)備分別與采集處理設(shè)備連接；圖1所示各區(qū)間開關(guān)即為開關(guān)量傳感器；

各開關(guān)量傳感器分別用于監(jiān)測轎廂上行平層觸發(fā)時(shí)間信息、下行平層觸發(fā)時(shí)間信息以及轎廂門開或關(guān)觸發(fā)時(shí)間信息，加速度傳感器用于監(jiān)測轎廂加速度信息，采集處理設(shè)備用于采集和處理開關(guān)量傳感器與加速度傳感器監(jiān)測到的信息，并在處理后生成故障預(yù)警信息發(fā)送至顯示設(shè)備。

如圖2所示的一種電梯運(yùn)行安全監(jiān)測和早期故障預(yù)警方法，包括以下步驟：

步驟一、在電梯運(yùn)行時(shí)，通過加速度傳感器監(jiān)測轎廂加速度信息，通過各開關(guān)量傳感器監(jiān)測轎廂上行平層觸發(fā)時(shí)間信息和下行平層觸發(fā)時(shí)間信息及轎廂門開或關(guān)觸發(fā)時(shí)間信息，采集處理設(shè)備采集轎廂加速度信息并經(jīng)過微積分變換后獲得轎廂運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度數(shù)據(jù)，采集處理設(shè)備采集上行平層觸發(fā)時(shí)間信息和下行平層觸發(fā)時(shí)間信息及轎廂門開或關(guān)觸發(fā)時(shí)間信息，經(jīng)過處理后獲得電梯停梯及平層觸發(fā)時(shí)間數(shù)據(jù)；

步驟二、根據(jù)電梯曳引機(jī)的聯(lián)接方式、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、支撐類型和傳動(dòng)比確定轎廂升降速度分別與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率之間的換算關(guān)系；

步驟三、依據(jù)步驟一檢測獲得的加速度數(shù)據(jù)建立轎廂速度變化曲線，如圖3所示，取穩(wěn)速階段內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，分析結(jié)果參見圖4；

步驟四、將步驟三頻域分析對應(yīng)的轎廂速度數(shù)據(jù)代入步驟二所述換算關(guān)系中獲得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率；

步驟五、在步驟三頻域分析結(jié)果中找出步驟四所述故障特征頻率分量的幅值，作為電梯拖動(dòng)系統(tǒng)評估指標(biāo)；

步驟六、在電梯停梯時(shí)，根據(jù)步驟一所述轎廂運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)和電梯停梯及平層觸發(fā)時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算出停梯和平層觸發(fā)時(shí)間段內(nèi)轎廂的運(yùn)動(dòng)位移，將該運(yùn)動(dòng)位移與電梯安裝時(shí)的預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比確定停梯平層誤差，該誤差作為制動(dòng)性能評估指標(biāo)；

步驟七、計(jì)算各評估指標(biāo)與電梯設(shè)計(jì)允許值之間的偏差值，若有評估指標(biāo)超出電梯設(shè)計(jì)允許偏差值，則由采集處理設(shè)備生成絕對故障預(yù)警信息并發(fā)送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示；

步驟八、在下次電梯啟動(dòng)、停梯過程中，重復(fù)步驟三至六，獲取電梯在新運(yùn)行狀態(tài)下的評估指標(biāo)；

步驟九、統(tǒng)計(jì)所有各評估指標(biāo)在一定周期內(nèi)的均值和不確定度并確定其變化關(guān)系，根據(jù)各評估指標(biāo)均值和不確定度的變化關(guān)系，作出相對故障報(bào)警，作出相對故障報(bào)警信息也由采集處理設(shè)備發(fā)送至顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。

參見圖5，在周期內(nèi)多獲取電梯平層誤差，得到電梯平層誤差與測量頻次的關(guān)系，可以統(tǒng)計(jì)出制動(dòng)性能評估指標(biāo)的均值及其不確定度的變化關(guān)系，得出制動(dòng)性能評估指標(biāo)變化的趨勢，從而計(jì)算出該評估指標(biāo)在何時(shí)電梯設(shè)計(jì)允許值之間的偏差值，以作出及時(shí)的相對故障報(bào)警，該報(bào)警信息也由采集處理設(shè)備生成并發(fā)送至顯示設(shè)備中顯示，提醒乘梯人員電梯故障問題，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障特征頻率分量包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻、二倍頻和三倍頻分量；傳動(dòng)結(jié)構(gòu)故障特征頻率分分量包括曳引機(jī)的轉(zhuǎn)頻、二倍頻、三倍頻分量和曳引機(jī)軸承內(nèi)圈、外圈、滾珠故障頻率分量；支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率分量為保持架故障頻率分量，也還可以是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)的故障特征頻率，所謂故障特征頻率分量是指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的頻率，當(dāng)該頻率不在正常范圍內(nèi)，即出現(xiàn)故障特征頻率分量的幅值時(shí)，可判斷某個(gè)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了因磨損等因素造成的故障，可能影響電梯安全運(yùn)行，這時(shí)應(yīng)該及時(shí)在采集處理設(shè)備中生成故障報(bào)警信息，并在顯示設(shè)備提醒乘梯人員及時(shí)撤離。

下面以電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速n₁為例，說明轎廂速度與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的故障特征頻率之間的換算關(guān)系。

設(shè)T₁為電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速n₁（單位rpm）與曳引機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速n₂（單位rpm）之間的比值；R為曳引輪繩槽節(jié)圓半徑，T₂為曳引比，其中：

（1）

轎廂速度V與電機(jī)轉(zhuǎn)速n1之間的換算關(guān)系如下：

（2）

在監(jiān)測到轎廂速度V的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（2）可以得到n₁，則其所示軸承特征頻率分別為：

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率f1：

（3）

結(jié)合式（2）和（3）就能得到軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率f1與轎廂速度V的換算關(guān)系；

設(shè)β為接觸角，d為滾珠直徑，D為滾珠節(jié)圓直徑，則保持架旋轉(zhuǎn)頻率f₂：

（4）

結(jié)合式（2）、（3）和（4）就能得到保持架旋轉(zhuǎn)頻率f₂與轎廂速度V的換算關(guān)系；

設(shè)滾動(dòng)體（滾珠）的自旋頻率f₃：

（5）

設(shè)Z為滾珠數(shù)目，滾動(dòng)體通過內(nèi)圈頻率f₄：

（6）

滾動(dòng)體通過外圈頻率f₅：

（7）

設(shè)齒輪軸轉(zhuǎn)頻為fi，齒數(shù)為M，其嚙合頻率f₆：

（8）

電機(jī)轉(zhuǎn)子的K倍頻為f_K1：

（9）

結(jié)合以上各式，還可以分別得到滾動(dòng)體（滾珠）的自旋頻率f₃、滾動(dòng)體通過內(nèi)圈頻率f₄、滾動(dòng)體通過外圈頻率f₅、輪軸轉(zhuǎn)頻為fi、電機(jī)轉(zhuǎn)子的K倍頻為f_K1與速度V的換算關(guān)系。

以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并非對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限定。凡依本案的設(shè)計(jì)思路所做的等同變化，均落入本案的保護(hù)范圍。