CN108238527A - 用于电梯绳索状态监控的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电梯绳索状态监测装置，包括振动传感器，布置在电梯系统上，用于测量电梯系统的振动；数据采集单元，用于接收和采集所述振动传感器的输出信号，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；数据处理单元，用于处理所述时域数据，从而得到电梯系统的振动的频谱。绳索的状态通过所述频谱确定。本发明还涉及一种电梯绳索状态监测方法，包括以下步骤：使电梯处于预定状态；检测电梯系统的振动，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；处理所述时域数据，得到电梯系统的振动的频谱；通过所述频谱确定绳索的状态。

Description

用于电梯绳索状态监控的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种电梯绳索状态监控装置。本发明还涉及通过所述电梯绳索状态监控装置执行电梯绳索状态监控的方法。

背景技术

电梯绳索一般是将多条绞线绞合在一起形成的。在电梯使用期间，随着时间的推移，电梯绳索会出现时效性疲劳，并且发生磨损，诸如绳索长度伸长，直径减小，绳索表面出现破损，绳索中的一条或多条绞线发生断裂等。如果绳索的疲劳和磨损超过了安全阈值，则必须对绳索进行更换，以消除安全隐患。

因此，在使用绳索悬吊的电梯中，需要进行常规的绳索状态监控。所述绳索状态监控一般通过电梯维修人员的可视检查进行，并且可以借助市场上可以得到的工具辅助。可视检查包括清点绳索表面处的断裂线，确定绳索外径的变化等。维修人员还可以借助磁力检测器进行绳索检查，其中，小的测量线圈检测破损绳索的杂散磁场。磁力检查可以间隔地进行，即使在绳索表面之下的破损，也可以局部地检测到破损所发生的位置。

常规的电梯绳索监控和检查存在很多问题。首先，这些检查高度依赖于维修人员的经验和技巧，而难以以标准化的方式执行。因而，在本领域内有对能够以可量化的标准化方式进行绳索检查的电梯绳索状态监控装置的需求。另外，在进行这些检查时大都需要先停止电梯的运行。由于这一原因，绳索检查的频率不能过高，以避免过于频繁地中断电梯的正常运行，打扰电梯用户的正常使用。然而，绳索对整个电梯的安全是关键性部件，即使以高安全冗余设计，仍然需要常规的监控和检测。因此，迫切地需要一种无需中断电梯的正常运行的在线式电梯绳索状态监控装置。此外，在常规的电梯绳索检查中使用的磁力检测器等辅助设备需要大量的硬件和软件投资。

发明内容

因此，本发明旨在解决常规的电梯绳索监控和检查中存在的上述问题，其目的在于提供一种电梯绳索状态监控装置，能够以可量化的标准化方式进行电梯绳索检查，在检查过程中无需中断电梯的正常运行。该装置自身的成本也是较低的。

本发明所基于的原理是，悬吊电梯的电梯绳索的动力学、噪声和振动部分地依赖于绳索自身的状态，诸如绳索的弹性性质和表面特性。因此，通过测量与绳索刚性连接的电梯部件的振动，可以推断绳索的状态。

根据本发明的一个实施例，所述电梯绳索状态监控装置包括振动传感器，布置在电梯系统上，用于测量电梯系统的振动；数据采集单元，用于接收和采集所述振动传感器的输出信号，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；数据处理单元，用于处理所述时域数据，从而得到电梯系统的振动的频谱，其中，绳索的状态通过所述频谱确定。在频谱的变化超过预先确定的阈值时，可以推断绳索出现了显著的状态劣化，从而需要派遣维修人员进行现场确认，以决定是否对其进行更换。

根据本发明的可选实施例，所述频谱的变化是通过数据处理单元程序化地自动确定的。

本发明还涉及一种电梯绳索状态监测方法，包括以下步骤：使电梯处于预定状态；检测电梯系统的振动，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；处理所述时域数据，得到电梯系统的振动的频谱；通过所述频谱确定绳索的状态。

附图说明

在下文中，本发明以举例的方式并参照附图进行更详细的说明，其中：

图1A和图1B是安装有根据本发明的电梯绳索状态监控装置的电梯系统的一部分的示意图。

图2是根据本发明的电梯绳索状态监控装置的结构框图。

图3是根据本发明的电梯绳索状态监控装置执行固有频率检测的流程图。

图4A是图3所示的固有频率检测中的扰动的示意图，4B是图3所示的固有频率检测的结果示例。

图5A-图5B是通过噬合频率检测监控电梯绳索的状态的原理示意图，图5C是噬合频率检测的结果示例。

图6是根据本发明的电梯绳索状态监控装置执行噬合频率检测的流程图。

图7是根据本发明的电梯绳索状态监控装置在一次循环中既执行固有频率检测又执行噬合频率检测的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

除非另作定义，本文使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内普通技术人员所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同物，而不排除其他元件或者物件。

图1A和图1B示出了安装有根据本发明的电梯绳索状态监控装置的电梯系统的一部分的示意图，其中，图1A中的绳轮4用于悬吊电梯轿厢1，图1B中的绳轮4用于对绳索3进行导向。如图1A所示，电梯轿厢1由绳索3绕挂在绳轮4上，绳索3的另一端吊挂着对重(未示出)。可选地，电梯可以具有多根绳索3，并且绳轮4可以具有多个绳轮槽，每根绳索3绕挂在绳轮4的一个绳轮槽上。绳轮槽的数量大于或等于绳索3的数量。绳索3与轿厢1之间设置有减振器，诸如弹簧等，以衰减由绳索3传递到轿厢1的振动。绳轮4安装在绳轮梁5之上，并可绕绳轮轴6枢转，从而使轿厢1上升或下降。绳轮4的枢转由电梯控制系统控制，并通过诸如电机的致动器驱动。绳轮4与绳索3和绳轮梁5之间存在足够刚性的机械连接，使得绳索3的微小振动也能够传递到绳轮4和绳轮梁5。

在图1B所示的示例中，绳轮4用于对绳索3进行导向，其中，绳轮4不用于驱动绳索，而是由移动的绳索3带动而自由转动。绳轮梁5固定在电梯轿厢1的框架之上，因此和安装在其上的绳轮4一起与电梯轿厢1同步移动。绳索3绕绳轮4的包角是可变的，并且通常处于15-180度之间。

此外，电梯系统，特别是绳索3和绳轮4，可以具有多种不同的构造。绳索3可以不用作承载电梯轿厢的悬挂绳索，并且仅用于在牵引绳轮的两侧上平等地平衡绳索的质量。绳轮4还可以是用于张紧平衡绳索的绳轮。另一方面，绳轮4也可以永久地固定到建筑结构，例如用于曳引机的偏转绳轮。绳索端部还可以固定到轿厢或通过固定的绳索固定件固定到建筑物。

图2示出了根据本发明的电梯绳索状态监控装置10的结构框图。如图所示，电梯绳索状态监控装置10包括振动传感器11、数据采集单元12和数据处理单元13。

振动传感器11布置在电梯系统上，用于测量电梯系统的振动。优选地，振动传感器11布置在绳轮梁5上，或者直接布置在绳轮4的侧面。该振动传感器11也可以布置在轿厢1上，但是由于减振器的存在，这样测得的振动在振幅上较小，并且频率上也会发生变化。可选地，振动传感器11还可以放置在滑轮4的滑轮轴上，从而还可以检测滑轮4的轴承的噪声。振动传感器11例如是加速度计。

数据采集单元12用于接收和采集振动传感器11的输出信号。可选地，还可以在振动传感器11与数据采集单元12之间设置带通滤波器，其可以降低所采集的输出信号中与绳索3无关的噪声，所述噪声是由电梯系统的一般机械振动导致的，诸如由驱动电机的运转产生的机械振动。数据采集单元12将反映电梯系统的振动随时间变化的时域信号输出到数据处理单元13。

数据处理单元13处理所述时域信号，从而得到电梯系统的振动的频谱。优选地，数据处理单元13所使用的处理方法是快速傅里叶变换(FFT)。绳索3的状态劣化通过频域信号的变化确定。可选地，数据采集单元12和数据处理单元13可具体化为集成有数据采集模块的数字信号处理器(DSP)。

该电梯绳索状态监控装置10还可以与电梯系统控制单元20通信，以得到与电梯的运行状况相关的一般信息，例如轿厢1所处的高度、轿厢1内是否有乘客、轿厢1的运动方向等。电梯绳索状态监控装置10还可以指令电梯系统控制单元20，以使电梯系统处于所期望的状态或者对电梯系统的运行做出所期望的扰动等，例如指令电梯系统控制单元20将轿厢1移动到所期望高度、指令电梯系统控制单元20使电梯系统的电机输出短的力矩脉冲等。此外，电梯系统控制单元20也可以反过来根据电梯操作人员的设定指令电梯绳索状态监控装置10启动电梯绳索监控。

上述电梯绳索状态监控装置10可以执行根据本发明的电梯绳索状态监测方法，其中，该电梯绳索状态监控装置10与电梯系统控制单元20通信，使电梯处于期望状态下；振动传感器11检测电梯系统的振动，数据采集单元12接收和采集振动传感器11的输出信号，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；数据处理单元13处理所述时域数据，得到电梯系统的振动的频谱；最后，由电梯操作人员或维修人员根据所述频谱确定绳索的状态，也可以由数据处理单元13自动地根据所述频谱确定绳索的状态。

上文描述的电梯绳索状态监测可以由操作人员手动地启动，也可以程序化地定期启动，诸如每天执行一次、隔天执行一次、每周执行一次、每月执行一次等。

根据本发明所述的电梯绳索状态监测可以包括固有频率检测和噬合频率检测，下文将分别结合附图详细说明。

通常，在使用一段时间之后，绳索3的弹性性质会发生劣化。例如，绳索3的磨损会导致它的长度相比新绳索的原始长度发生变化。这种长度变化进而影响绳索的弹性模量。通常情况下，与新绳索相比，磨损的绳索具有更高的弹性系数k。绳索3的弹性系数k的变化可以引起电梯的纵向的固有频率f_c的变化。在结构如图1所示的电梯系统中，电梯的纵向的固有频率f_c由电梯的悬吊组件的等效弹性系数k_e确定：

其中，所述等效弹性系数k_e根据用于连接轿厢1的绳索长度而不同。在进行电梯的固有频率f_c测量时，通过使轿厢1处于相同的高度，可以消除绳索长度变化的影响，进而可以依据该固有频率f_c的变化对绳索3的状态进行判断。

根据本发明的电梯绳索状态监控装置10可以通过检测电梯的固有频率f_c而判断绳索3的状态。图3示出了电梯绳索状态监控装置10执行固有频率检测的流程图。

在步骤101中，电梯绳索状态监控装置10与电梯系统控制单元20通信，以确定电梯的状态，例如轿厢1所处的高度、轿厢1内是否有乘客、以及轿厢1的运动方向(向上或向下)等。在判断轿厢1内没有乘客或其它载重时，或者当轿厢1内的载重已知时，电梯绳索状态监控装置10指令电梯系统控制单元20，以将轿厢1移动到所期望的位置，以便于与之前或之后的测量进行比较。

接下来，在步骤102中，需要在绳索上产生扰动，从而产生电梯的纵向振动。这种扰动优选地是脉冲式扰动，并且由电梯绳索状态监控装置10指令电梯系统控制单元20而实现。例如，通过电梯系统控制单元20指令逆变器输出短的电流脉冲，电梯的驱动电机输出短的力矩脉冲，从而实现这种脉冲式扰动。可选地，这种脉冲式扰动也可以通过敲打绳索或轿厢而由操作人员手动地实现。此外，这种脉冲式扰动可以执行多次，例如图4A示出了执行三次脉冲式扰动。另一种可选的扰动方式可以是对正在运动的轿厢进行制动。

进一步，在步骤103中，振动传感器11检测步骤102中的扰动引起的纵向振动，并且数据采集单元12采集振动传感器11的输出，得到纵向振动的时域数据。在步骤104中，数据处理单元13使用快速傅里叶变换处理步骤103中所得到的纵向振动的时域数据，得到纵向振动的频域数据，即纵向振动的振动频谱。

在步骤105中，根据所得到的频谱确定电梯的纵向振动的固有频率。图4B示出了执行固有频率f_c检测的一个示例，其中，图4B的下部是纵向振动的时域数据，图4B的上部是对该时域数据进行快速傅里叶变换得到的频谱图，可以看出频谱图中显现了对应于电梯的固有频率f_c的峰值。在图4B所示的示例中，该固有频率f_c是3Hz。这种固有频率确定优选地由数据处理单元13自动地执行。可选地，也可以由操作人员确定固有频率。

在步骤106中，可以根据固有频率的变化大于预定阈值而判断绳索发生了劣化，反之亦然。例如，在使用6根绳索3的电梯中，如果一根绳索发生松弛，则固有频率f_c将下降大约10％。优选地，这一判断可以由数据处理单元13自动执行。在这种情况下，固有频率变化的预定阈值可以预先存储在数据处理单元13的存储器中。可选地，这一判断也可以由操作人员人工地执行。如果在步骤106中判断为绳索发生了劣化，则在步骤107中通知电梯操作人员或维修人员，并且根据劣化的程度可以立即中断电梯运行以进行进一步的维修或更换，也可以通知技术人员进一步现场确认是否需要中断电梯运行。相反，如果判断为绳索没有发生劣化，则可在期望的时间段之后重复进行上述固有频率检测步骤。

除了上述固有频率检测之外，根据本发明的电梯绳索状态监控装置10也可以被用来执行噬合频率检测。在一般的电梯系统中，所采用的绳索3是由多股绞线绞合在一起形成的，绞线中的每一股同样具有多根线，例如钢丝等。在绳索使用一段时间后，绳索发生表面磨损而劣化，例如外部暴露于绳索表面的钢丝被磨成平面、钢丝出现扭曲打结甚至断裂，或者钢丝从绞线中脱出等。在现有技术中，检测绳索的表面磨损依赖于维修人员的目视检查，并且通常需要停止电梯的运行。近年来，一些现有技术公开了在电梯井道中设置监控相机，并通过监控相机的输出图像检测绳索的表面状态。虽然这避免了对电梯正常运行的干扰，但是这种检测仍然高度依赖于维修人员的经验，并因此难以以可量化的标准化方式执行。

根据本发明的电梯绳索状态监控装置10可以通过检测电梯绳索通过绳轮时的噬合振动而监控绳索的磨损。如图5A所示，在绳索3通过绳轮4时，处于最外侧的每条绞线依次与绳轮4的绳轮槽的外表面接触，由此产生噬合振动，这种噬合振动的频率称为绳索3与绳轮4的噬合频率f_m，噬合频率的值与绳索3的具体构造和它的移动速度有关。一般地，对于具有n股绞线的绳索，并且曳引系统的曳引比为2:1的电梯系统而言，噬合频率f_m由下面的公式(2)确定：

其中，V是绳索的移动速度，D是绳索的捻距，其定义为每股绞线绕绳索中心轴线旋转一周(360°)的距离。在图5A所示的示意图中，绳索3由6股绞线绞合在一起形成，也就是说n＝6。

在一段时间的使用之后，绳索3可在张力的作用下出现延长。这种延长会导致绳索的捻距D增大，从而导致噬合频率f_m减小。因此，通过检测噬合频率f_m的变化，可以得到与绳索3的长度变化相关的信息。此外，绳索3与绳轮4的绳轮槽的外表面接触所产生的噬合振动的强度取决于二者接触的表面积。如图5B所示，对于新的未磨损的绳索，它与绳轮槽的外表面的接触大致是点接触，由此产生的噬合振动也较小，基本上淹没于电梯系统的运行噪声中。而对于表面发生磨损后的绳索，绳索与绳轮槽的外表面的接触变成面接触，从而导致接触面积显著增加。这种接触产生的噬合振动因而也显著变大。

通过将振动传感器11放置在绳轮4的侧面，或者放置在绳轮梁5上，该振动传感器11可以检测这种噬合振动。如图5C所示，对于磨损后的绳索，在经过数据处理单元13使用快速傅里叶变换处理之后，所得到的噬合振动的频谱在噬合频率f_m处出现显著的峰值。在图5C中，噬合振动的频谱在531Hz处存在显著的峰值，表明了噬合频率f_m是531Hz。如果测得的噬合频率相比根据公式(2)计算的噬合频率的变化超过了预定阈值，则可以判断绳索发生了延长。另外，如果该峰值超过了预定阈值之后，则可以判断绳索3发生了显著的表面劣化。

另外，也可以修改电梯的构造，以便在啮合频率检测期间尽可能地消除由其他原因导致的振动。例如，可以有意地提供固定到电梯或建筑物结构的单独的滑轮，用于测量啮合频率，从而实现尽可能地消除了电梯振动的啮合频率检测。在这种情况下，振动传感器11布置在该单独的滑轮上。绳索3还可以是在轿厢自由下落的情况下用于在电梯中致动安全制动器的绳索，并且具有与悬挂绳索的啮合频率不同的特有的啮合频率。

图6示出了电梯绳索状态监控装置10执行噬合频率监控的流程图。与步骤101类似，在步骤201中，电梯绳索状态监控装置10与电梯系统控制单元20通信以将空的或载重已知的轿厢1移动到所期望的位置。在步骤202中，电梯绳索状态监控装置10指令电梯系统控制单元20，使得轿厢1以恒定速度和恒定轿厢负载沿向上或向下方向运动预定距离，从而产生噬合振动。在步骤203中，振动传感器11检测这种噬合振动，并且数据采集单元12采集振动传感器11的输出，得到噬合振动在电梯运动期间的时域数据。在步骤204中，数据处理单元13使用快速傅里叶变换处理步骤203中所得到的噬合振动的时域数据，得到噬合振动的频域数据，即噬合振动的振动频谱。

接下来，在步骤205中，可以在根据公式(2)计算的噬合频率附近寻找噬合振动频谱的峰值，该峰值所对应的频率就是测得的噬合频率。然后，在步骤206中，可以计算根据公式(2)计算的噬合频率与测得的噬合频率之间的差异，并且在步骤207中检测峰值幅度。在步骤208中，将确定峰值幅度是否大于预定值。如果峰值幅度大于预定值，则表明绳索发生了显著的表面劣化，并在步骤210中通知电梯操作人员或维修人员。如果峰值幅度小于预定值，则在步骤209中将步骤206得到的频率差异与预定阈值进行比较。如果该频率差异大于预定阈值，则可以判断绳索3出现了显著的长度变化并同样执行步骤210。相反，如果该频率差异小于预定阈值，则可在期望的时间段之后重复进行上述噬合频率检测步骤。

与固有频率检测类似，步骤205-210优选地由数据处理单元13自动执行，并且噬合频率差异的预定阈值和峰值的预定阈值可以预先存储在数据处理单元13的存储器中。可选地，步骤205-210也可以由操作人员人工地执行。

以上分别描述了使用根据本发明的电梯绳索状态监控装置10执行固有频率检测和噬合频率检测的实施例。优选地，为了详尽地监控绳索的状态，并且在一次检测中得到确定性的结论，根据本发明的电梯绳索状态监控装置10也可以在一次检测中执行固有频率检测和噬合频率两者。

图7示出了电梯绳索状态监控装置10在一次检测中既执行固有频率检测又执行噬合频率检测的流程图。在该流程图中，步骤301-306与用于固有频率检测的步骤101-106相同，步骤307-314与用于噬合频率检测的步骤202-209相同。如果在步骤306中确定固有频率的变化小于预定阈值，则将在步骤307-314中继续执行噬合频率检测。所不同的是，如果固有频率检测表明绳索3的弹性性质发生劣化，并且噬合频率检测表明绳索3的表面出现显著磨损或者绳索3的长度发生显著变化，则电梯绳索状态监控装置10能够以较大的确定度得出必须更换绳索3的结论。因此，在步骤315中，可以直接通知电梯维修人员更换绳索3。

由此，根据本发明的电梯绳索状态监控装置10能够以可量化的标准化方式执行对电梯绳索状态的监控，而无需中断电梯的正常运行。因此，两次相邻的检测之间的间隔可以尽量压缩，例如该噬合频率监控可以日常地执行。此外，相比传统的电梯绳索监控装置，根据本发明的电梯绳索状态监控装置10只需要振动传感器、数字信号处理器和配套软件，从而在成本上更加便宜，并且能够测量更多的绳索状态特性。

以上已经通过具体实施例结合附图对本发明的结构、优点和特征进行了描述。本领域技术人员应知道上述的描述仅仅为举例，而不是限定性的。本技术领域中的普通技术人员在不脱离本发明的精神和实质的前提下，可进行各种等同的改变和替换。

Claims (18)

1.一种电梯绳索状态监测装置，包括

振动传感器，布置在电梯系统上，用于测量电梯系统的振动；

数据采集单元，用于接收和采集所述振动传感器的输出信号，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；

数据处理单元，用于处理所述时域数据，从而得到电梯系统的振动的振动频谱，

其特征在于，绳索的状态通过所述振动频谱确定。

2.如权利要求1所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述数据处理单元处理所述时域数据的方法是快速傅里叶变换。

3.如权利要求1所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述振动传感器布置在该电梯系统中与绳索具有刚性连接的部件上。

4.如权利要求1所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，还包括在所述振动传感器与数据采集单元之间的至少一个带通滤波器。

5.如权利要求1所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述电梯系统的振动包括由扰动引起的电梯在纵向方向的振动。

6.如权利要求5所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述扰动包括所述电梯的驱动电机产生的短的力矩脉冲。

7.如权利要求5所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述扰动包括对电梯进行制动。

8.如权利要求5所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述扰动包括手动地对所述电梯进行敲打。

9.如权利要求5所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述绳索的状态通过电梯在纵向方向的振动的固有频率确定。

10.如权利要求9所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，在所述固有频率发生超过预定阈值的偏移时，确定绳索发生了状态劣化。

11.如权利要求1所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述电梯系统的振动包括绳索通过绳轮时与绳轮槽相互接触而产生的噬合振动。

12.如权利要求11所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，所述绳索的状态通过所述频谱的噬合频率和/或该噬合频率的峰值确定。

13.如权利要求12所述的电梯绳索状态监测装置，其特征在于，在所述噬合频率的变化超过预定阈值时和/或在所述噬合频率的峰值超过预定阈值时，确定绳索发生了状态劣化。

14.一种电梯绳索状态监测方法，包括以下步骤：

使电梯处于预定状态；

检测电梯系统的振动，得到反映电梯系统的振动随时间变化的时域数据；

处理所述时域数据，得到电梯系统的振动的频谱；

通过所述频谱确定绳索的状态。

15.如权利要求14所述的电梯绳索状态监测方法，其特征在于，处理所述时域数据的方法是快速傅里叶变换。

16.如权利要求14所述的电梯绳索状态监测方法，其特征在于，所检测的电梯系统的振动包括由扰动引起的电梯在纵向方向的振动。

17.如权利要求14所述的电梯绳索状态监测方法，其特征在于，所检测的电梯系统的振动包括绳索通过绳轮时与绳轮槽相互接触而产生的噬合振动。

18.如权利要求14所述的电梯绳索状态监测方法，其特征在于，所检测的电梯系统的振动包括由扰动引起的电梯在纵向方向的振动和绳索通过绳轮时与绳轮槽相互接触而产生的噬合振动。