CN109573769A - 一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，包括：A、对钢丝绳悬挂系统建立数学模型，得到张力偏差与振动频率偏差之间的数学关系；B、确定数学关系中各个参数；C、测量钢丝绳的振动频率，得到钢丝绳张力偏差。通过上述方式，本发明所述的基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，特别利用振动频率测量实现钢丝绳的张力偏差检测，装置的集成度高、测量精度高、便携性好、易操作，且可以长期持续测量，不影响电梯的正常运行，经过验证技术已成熟，可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及电梯钢丝绳的张力偏差检测计算领域，特别是涉及一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法。
背景技术
随着现代城市中人们对于物质生活水平要求的不断提高以及人类活动节奏的加快，人们对日常工作和生活中所广泛使用的电梯的要求也越来越高，其中最值得关注的方面就是要求电梯的安全性越来越高、速度越来越快、乘坐越来越舒适。同时，这种要求也随着建筑物高度的不断提升而变得越来越迫切。现在应用在实际当中的电梯速度已经在不断攀升，然而随着电梯速度、提升高度的不断增大，对电梯的安全性、功能性和舒适性这三个基本性能来讲，相对“功能性”，公众对电梯安全性和舒适性的关注将进一步提高。但是从某种方面来说，电梯速度、提升高度与安全性、舒适性却是相互矛盾的，而且这种矛盾是由曳引驱动电梯本身的特点所决定的。要解决这种矛盾，首先就要对电梯悬挂系统本身的动态性能特点进行深入而详细的了解。
由曳引轮、钢丝绳、轿厢/对重平衡系统等主要部件组成的曳引驱动电梯悬挂提升系统，是一种典型的柔性传动提升系统。在这种系统中，通过曳引绳在曳引轮槽内缠绕而产生的摩擦力提供提升的直接动力，由柔性的曳引绳(主要是钢丝绳)来引导轿厢/平衡重量的运动。由此可以看出在每一种工作状态下，曳引能力都必须被严格满足，因为它是曳引式电梯安全可靠运行的基础。另外，由于曳引绳本身是具有弹性的细长体，并且长度越大其刚度就越弱，因此当电梯的行驶速度较大、提升行程较高时，即使是很小的外界干扰都有可能使整个提升系统产生很大的振动，这也是影响乘客乘坐安全性和舒适性的重要原因之一。
电梯的曳引条件应符合：对于在用曳引式电梯曳引能力发生变化的因素主要是当量摩擦系数f发生了变化(包角a由于使用磨损原因的变化可忽略不计)。GB7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中针对常用的带切口半圆槽的当量摩擦系数公式钢丝绳直径的变化直接影响当量摩擦系数f，进而改变在用电梯原曳引能力。而导致钢丝绳磨损的主要原因有以下几点：1.环境；2.曳引轮绳槽形状和材质；3.钢丝绳内张力均匀程度；4.悬挂比；5.运行工况。可以看出上述原因除了钢丝绳张力以外，其余的影响因素在电梯投用后基本不可能作调整或改变。目前钢丝绳张力的测定基于弹簧秤的人工静态测量，精确度很低，特别在高层建筑中，所测定的数值基本没有参考的价值。且对于运行过程中的钢丝绳张力尚未有较好的测量方法和装置，而事实上运行过程的钢丝绳张力均匀度对钢丝绳磨损有着更大的影响。
电梯曳引钢丝绳张力差的检测依据：现行国家标准GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》9.5.1款中规定了“至少在悬挂钢丝绳或链条的一端应设有一个调节装置用来平衡各绳或链的张力”。虽然在GB7588里面并未对张力偏差的范围作出具体要求,但是在GB/T10060-2011《电梯安装验收规范》5.5.1.9款中规定“至少应在悬挂钢丝绳或链条的一端设置一个自动调节装置，用来平衡各绳或链间的张力，使任何一根绳或链的张力与所有绳或链之张力平均值的偏差均不大于5％”。
在没有测试仪器之前，国内外一直都主要采用振波法或标记法检测钢丝绳张力。以上2种方法，对保证钢丝绳提升系统的正常运行起到了重要作用。但由于标记法不能定量，而且出现张力过大引起钢丝绳在衬垫上滑动时就会使标记法造成误判。振波法测张力虽然简单易行，但对振波返回时间计算不准确，精度较低，无法满足要求。
20世纪80年代，前西德GHH公司成功研制了十绳感应式环状槽形测力计，它主要由罐笼站和地面站两部分设备组成。罐笼站有感应线圈式环状槽形测力计、模/数转换器、控制器和发射器等设备，其中发射器能够实现用钢丝绳作为载体向地面站发送信号；地面站有接收器、控制器和微处理器，能够实时显示、记录钢丝绳在运行过程中的张力变化情况，同时具有载荷超限报警功能。同一时期，瑞典ABEA公司研制出HAMA、HAMB型动态张力测定仪，它是将电阻丝应变片粘贴在专用的与钢丝绳串接的销轴式弹性元件上，该测定仪具有信号的无线发射与接收、微机定量处理、数字显示和打印等功能。
20世纪80年代后期，国家将钢丝绳张力检测仪的研制列为“七五”国家科技攻关项目，钢丝绳张力检测技术进入一个新的发展阶段。煤炭科学研究总院抚顺分院研制了F44型钢丝绳张力测定仪，它由与钢丝绳串接的双剪切梁式销轴测力传感器、数据采集和处理器、直流电源三大部分组成。山西矿业学院研制出压轮式钢丝绳张力检测装置，该装置采用三滚轮方式人为使钢丝绳产生弯曲，通过测定钢丝绳对中间滚轮产生的横向力推算钢丝绳张力的间接检测方法。长春煤炭研究所研制出了GS-ZCII型钢丝绳张力测定仪。
20世纪90年代中后期，随着无损检测技术的发展，钢丝绳张力检测技术有了新的进展。出现了钢丝绳张力的非接触式无损检测方法，使得钢丝绳张力的检测由接触式向非接触式方向发展。青岛理工大学基于钢丝绳具有捻制股波的特点开展了钢丝绳张力电磁无损检测新方法的研究，并通过试验验证了新方法的可行性与实用性，为以非接触方式实现钢丝绳张力的实时、在线、定量检测开辟了一条新的技术途径。
通过应用程序将通用计算机与仪器硬件的测试、控制功能结合起来，采用交互式图形界面操作计算机完成对测量数据的采集、分析处理、数据存储、结果显示等任务是目前测试仪器的发展方向。受限于可携带性、易操作性的困扰，以及测量精度等原因，上述介绍的钢丝绳张力测量装置未能在电梯行业得以运用。
曳引驱动电梯是当今世界最为广泛的梯型。这种电梯主要是具有安全可靠性较高、较高的提升高度、结构紧凑等优点。该种电梯系统垂直动力学模型由曳引机隔机梁、曳引机减震橡胶、曳引轮(等效曳引轮)、钢丝绳悬挂系统、轿厢架以及轿厢架减震垫、补偿链、绳头弹簧等部分组成。在实际建模过程中,可以将其具体再简化。在建模时，要考虑电梯是否有补偿链装置及张紧系统,会影响系统的准确性，另外，如果不考虑补偿链的刚度等,也要考虑其质量特性。钢丝绳张力偏差对电梯安全性和舒适性有着较大的影响,而传统的张力偏差测量方法可操作性差、精度低,且无法在电梯运行中测量。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，提升钢丝绳张力偏差检测的易操作性和测量精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，包括：
A、对钢丝绳悬挂系统建立数学模型，得到张力偏差与振动频率偏差之间的数学关系；
B、确定数学关系中各个参数；
C、测量钢丝绳的振动频率，得到钢丝绳张力偏差。
在本发明一个较佳实施例中，步骤A中，建立数学模型的步骤包括：
钢丝绳横向振动(弯曲振动)方程为：
方程(1)中，EI为钢丝绳的弯曲刚度，F为钢丝绳张力，m为钢丝绳单位长度质量，ν＝ν(x,t)为钢丝绳的横向位移；
由于电梯悬挂钢丝绳较长，因此可将方程(1)的边界条件看成两端铰支，其各阶振动频率为：
公式(2)中，ω0n为F＝0时钢丝绳的第n阶振动频率，Fn为钢丝绳第n阶特征载荷；
假设，电梯悬挂钢丝绳共有K根，测得第i根钢丝绳第n阶振动频率为则由公式(2)得：
或
实际测量中，常用钢丝绳横向振动的第1阶或第2阶振动频率进行检测；
这里，简记ω0n简记为ω0；
因此，由公式(3)、(4)、(5)可得：
电梯悬挂钢丝绳所受总张力为：
钢丝绳平均张力Fa为：
将各钢丝绳张力Fi与钢丝绳平均张力Fa作比较得张力偏差ΔFi为
若选定测量频率的阶数n，则以上公式中所有量值均为已知，则可得各钢丝绳的拉力相对偏差值为：
由此可计算出各钢丝绳的张力偏差值，取测量振动频率的阶数为1时，可得：
由公式(11)可计算出钢丝绳的张力偏差。
在本发明一个较佳实施例中，利用电梯钢丝绳张力偏差检测装置进行测量，所述电梯钢丝绳张力偏差检测装置包括：移动电源、ICP加速度传感器、信号采集分析仪和移动终端，所述移动电源为信号采集分析仪和移动终端供电，所述ICP加速度传感器分别与信号采集分析仪相连接而输入振动加速度信号，信号采集分析仪与移动终端相连接，所述移动终端中安装有DASP信号处理软件，进行数据的处理。
在本发明一个较佳实施例中，所述ICP加速度传感器上设置有磁铁而吸附在钢丝绳上。
在本发明一个较佳实施例中，所述移动电源、信号采集分析仪和移动终端可放置在轿厢顶部进行检测工作。
在本发明一个较佳实施例中，所述移动终端包括但不限于笔记本电脑。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，特别利用振动频率测量实现钢丝绳的张力偏差检测，装置的集成度高、测量精度高、便携性好、易操作，且可以长期持续测量，不影响电梯的运行，经过验证技术已成熟，可靠性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是实施例中试验电梯的基本参数；
图2是实施例中DASP信号处理软件的采样频率设置图；
图3是实施例中ICP加速度传感器的标定值设置图；
图4是DASP信号处理软件的信号采集界面；
图5是1号钢丝绳自频分析结果；
图6是2号钢丝绳自频分析结果；
图7是3号钢丝绳自频分析结果；
图8是4号钢丝绳自频分析结果；
图9是5号钢丝绳自频分析结果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～图9，本发明实施例包括：
随机抽取一台在用的曳引式乘客电梯作为试验对象，其基本参数如附图1所示，利用电梯钢丝绳张力偏差检测装置放置在轿厢顶部测量，ICP加速度传感器利用磁铁而分别吸附在电梯的5根钢丝绳上，连接完成后，打开DASP信号处理软件，需设置初始状态，主要对采样频率及各传感器的标定值进行设置。
确认设置正确，点击信号采样按钮，用刚性物体(如扳手)轻轻敲击5根钢丝绳任意部位，出现采集振动加速度波形，待其稳定后，完成一次完整的振动采样，运用DASP信号处理软件的自频分析功能，可得出各根钢丝绳的振动频率频谱图(即得出每根钢丝绳的振动频率)，由于电梯钢丝绳很长，其能量大多集中在第1阶，因此可以取第1阶振动频率进行计算。
将检测所得的各钢丝绳第1阶振动频率列于表1：
表1，各钢丝绳第1阶振动频率
根据各钢丝绳的张力偏差公式(11)：
其中可由表1中的数据计算得出，由图1中的电梯基本参数，可知公式(11)中需要的已知量：
钢丝绳单位长度质量m＝0.218kg/m；
试验钢丝绳长度l＝29.6m；
钢丝绳数量K＝5；
对于为钢丝绳第1阶特征载荷F1，可由公式(4)计算得到：
取第1阶进行计算时，
对于其中的常量：
按照电梯生产厂家的设计要求，弹性模量E＝2×1011Pa；
惯性矩这里的d近似取钢丝绳直径8mm进行计算。
根据公式(4-1)，可得钢丝绳第1阶特征载荷为：F1＝0.45N。
最后，将已知量代入公式(11)，可计算得到各钢丝绳的张力偏差，如表2所示：
表2，各钢丝绳张力偏差(考虑第1阶特征载荷)
从计算过程中可以看到，特征载荷F1相对于每根钢丝绳上的载荷值来说是非常小的，在应用公式(11)进行张力偏差计算时可以忽略不计。那么，公式(11)可以表达为：
可见，钢丝绳张力偏差的最终结果仅与测量得到的振动频率有关，将表1中的各钢丝绳第1阶振动频率代入公式(12)，可计算得到各钢丝绳的张力偏差，如表3所示：
表3各钢丝绳张力偏差(忽略第1阶特征载荷)
表3中的偏差值与表2对应值是一致的，表明在实际应用中仅需要测得钢丝绳的振动频率，不需要知道其他常量，就可根据公式(12)计算得出各钢丝绳的张力偏差值，并且实例中的结果符合GB/T 10060-2011《电梯安装验收规范》5.5.1.9款中规定的“任何一根绳或链的张力与所有绳或链之张力平均值的偏差均不大于5％”要求，验证了本发明的可操作性和正确性。
综上所述，本发明指出的一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，通过实施例的验证，确实可以根据振动频率的测量计算得出各钢丝绳的张力偏差值，简化了检测装置的复杂程度，提升了电梯钢丝绳张力偏差检测的操作便利性和准确性，便携性好，适用于曳引驱动电梯钢丝绳张力偏差的定期检测以及运行中的持续检测。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，其特征在于，包括：
A、对钢丝绳悬挂系统建立数学模型，得到张力偏差与振动频率偏差之间的数学关系；
B、确定数学关系中各个参数；
C、测量钢丝绳的振动频率，得到钢丝绳张力偏差。
2.根据权利要求1所述的基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，其特征在于，步骤A中，建立数学模型的步骤包括：
钢丝绳横向振动(弯曲振动)方程为：
方程(1)中，EI为钢丝绳的弯曲刚度，F为钢丝绳张力，m为钢丝绳单位长度质量，ν＝ν(x,t)为钢丝绳的横向位移；
由于电梯悬挂钢丝绳较长，因此可将方程(1)的边界条件看成两端铰支，其各阶振动频率为：
公式(2)中，ω0n为F＝0时钢丝绳的第n阶振动频率，Fn为钢丝绳第n阶特征载荷；
假设，电梯悬挂钢丝绳共有K根，测得第i根钢丝绳第n阶振动频率为则由公式(2)得：
或
实际测量中，常用钢丝绳横向振动的第1阶或第2阶振动频率进行检测；
这里，简记ω0n简记为ω0；
因此，由公式(3)、(4)、(5)可得：
电梯悬挂钢丝绳所受总张力为：
钢丝绳平均张力Fa为：
将各钢丝绳张力Fi与钢丝绳平均张力Fa作比较得张力偏差ΔFi为
若选定测量频率的阶数n，则以上公式中所有量值均为已知，则可得各钢丝绳的拉力相对偏差值为：
由此可计算出各钢丝绳的张力偏差值，取测量振动频率的阶数为1时，可得：
由公式(11)可计算出钢丝绳的张力偏差。
3.根据权利要求1所述的基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，其特征在于，步骤C中，利用电梯钢丝绳张力偏差检测装置进行测量，所述电梯钢丝绳张力偏差检测装置包括：移动电源、ICP加速度传感器、信号采集分析仪和移动终端，所述移动电源为信号采集分析仪和移动终端供电，所述ICP加速度传感器分别与信号采集分析仪相连接而输入振动加速度信号，信号采集分析仪与移动终端相连接，所述移动终端中安装有DASP信号处理软件，进行数据的处理。
4.根据权利要求3所述的基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，其特征在于，所述ICP加速度传感器上设置有磁铁而吸附在钢丝绳上。
5.根据权利要求3所述的基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，其特征在于，所述移动电源、信号采集分析仪和移动终端放置在轿厢顶部进行检测工作。
6.根据权利要求3所述的基于振动频率测量的电梯钢丝绳张力偏差检测方法，其特征在于，所述移动终端包括但不限于笔记本电脑。
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