一种电梯运行安全监测和早期故障预警系统及方法与流程

本发明涉及电梯健康监测和故障预警领域，特别是一种电梯运行安全监测和早期故障预警系统及方法。

背景技术：

随着经济和社会城镇化的快速发展，国内电梯保有量也在逐年增加；据不完全统计，2003年前，国内运行使用的电梯仅有30万台左右；而到2015年时却猛增至420万台。伴随电梯数量增加的同时，电梯故障伤人事故也时常发生；相关统计，2011年电梯伤人事故总共64起，2012年为42起，2013年有70起，而到了2014年却增加至95起。

电梯事故频发使得人们对电梯安全的关注程度越来越高。而对于电梯安全，其涉及到电梯自身的设计、生产，安装调试和运行保养等多个环节。优化的设计、生产和安装调试方案，合理的维修保养计划可以提高电梯运行的可靠性。但是，考虑到零部件寿命的分散性，各部件性能衰减指标的不统一和电梯维修保养实施的具体程度等问题，通过整体维修保养的方式完全避免电梯系统故障在实际中还是难以实现的，因此，实时监测电梯系统运行状态，对监测状态进行统计分析并预警设备早期故障也显得尤为重要。

目前来说，还缺乏有效的衡量指标和评价方法，当前市面也鲜有用于电梯整机故障预警的技术或装置，有鉴于此，本发明人经过深入研究，提出一种以电梯的拖动和制动性能评估结果为依据的电梯运行安全监测和早期故障预警系统及方法，本案由此产生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电梯运行安全监测和早期故障预警系统及方法，通过加速度监测信号和其微积分变换结果求取轿厢的位移、速度、加速度信息，通过电梯拖动系统评估指标和制动性能评估指标来快速地检测出电梯制动系统和驱动系统的故障问题，并及时地做出故障报警。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电梯运行安全监测和早期故障预警系统，包括多个分别安装在轿厢上行平层区间、下行平层区间以及轿厢门上的开关量传感器和安装在轿厢上的加速度传感器以及采集处理设备和显示设备，各开关量传感器、加速度传感器及显示设备分别与采集处理设备连接；

各开关量传感器分别用于监测轿厢上行平层触发时间信息、下行平层触发时间信息以及轿厢门开或关触发时间信息，加速度传感器用于监测轿厢加速度信息，采集处理设备用于采集和处理开关量传感器与加速度传感器监测到的信息，并在处理后生成故障预警信息发送至显示设备。

一种电梯运行安全监测和早期故障预警方法，包括以下步骤：

步骤一、在电梯运行时，通过加速度传感器监测轿厢加速度信息，通过各开关量传感器监测轿厢上行平层触发时间信息和下行平层触发时间信息及轿厢门开或关触发时间信息，采集处理设备采集轿厢加速度信息并经过微积分变换后获得轿厢运动位移、速度和加速度数据，采集处理设备采集上行平层触发时间信息和下行平层触发时间信息及轿厢门开或关触发时间信息，经过处理后获得电梯停梯及平层触发时间数据；

步骤二、根据电梯曳引机的联接方式、传动结构、支撑类型和传动比确定轿厢升降速度分别与驱动系统、传动结构和支撑结构的故障特征频率之间的换算关系；

步骤三、依据步骤一检测获得的加速度数据建立轿厢速度变化曲线，取稳速阶段内的检测数据进行频域分析；

步骤四、将步骤三频域分析对应的轿厢速度数据代入步骤二所述换算关系中获得驱动系统、传动结构和支撑结构的故障特征频率；

步骤五、在步骤三频域分析结果中找出步骤四所述故障特征频率分量的幅值，作为电梯拖动系统评估指标；

步骤六、在电梯停梯时，根据步骤一所述轿厢运动位移数据和电梯停梯及平层触发时间数据计算出停梯和平层触发时间段内轿厢的运动位移，将该运动位移与电梯安装时的预设值进行对比确定停梯平层误差，该误差作为制动性能评估指标；

步骤七、计算各评估指标与电梯设计允许值之间的偏差值，若有评估指标超出电梯设计允许偏差值，则由采集处理设备生成绝对故障预警信息并发送至显示设备进行显示；

步骤八、在下次电梯启动、停梯过程中，重复步骤三至六，获取电梯在新运行状态下的评估指标；

步骤九、统计所有各评估指标在一定周期内的均值和不确定度并确定其变化关系，根据各评估指标均值和不确定度的变化关系，作出相对故障报警，作出相对故障报警信息也由采集处理设备发送至显示设备进行显示。

所述驱动电机的故障特征频率分量包括驱动电机的转频、二倍频和三倍频分量；传动结构故障特征频率分量包括曳引机的转频、二倍频、三倍频分量和曳引机轴承内圈、外圈、滚珠故障频率分量；支撑结构的故障特征频率分量为保持架故障频率分量。

步骤二中，轿厢速度V与电机转速n₁之间的换算关系如下：

式中，n₁是电机输入轴转速，n₂是曳引机输出轴转速；R为曳引轮绳槽节圆半径。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

1、本发明使用加速度传感器监测轿厢的运动，根据监测信号和其微积分变换结果求取轿厢的位移、速度、加速度信息，在保证评估所需参量完整的同时简化了测试方案；

2、本发明充分利用电梯起动、稳速和停梯等状态下的数据对轿厢运动进行评判，提出轿厢稳速提升阶段的驱动电机、传动结构和支撑结构的故障特征频率作为电梯拖动系统评估指标，停梯和平层阶段的停梯平层误差作为制动性能评估指标，更为准确的反应出电梯各结构故障问题，也丰富了轿厢状态评估指标；

3、本发明采用平层误差评价电梯的制动能力，相对曳引机制定系统的直接测试，该评价指标的物理意义更加明确；

4、本发明在电梯稳速运行时直接监测轿厢运动的频域信息来评价电机驱动系统、传动结构和支撑结构的故障情况，作出准确的故障预警。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明一种电梯运行安全监测和早期故障预警系统的结构框图；

图2是本发明一种电梯运行安全监测和早期故障预警方法流程简图；

图3是轿厢运动速度和加速度变化曲线图；

图4是轿厢稳速升降过程频域分析示意结果图；

图5是电梯平层误差与测量频次关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示的一种电梯运行安全监测和早期故障预警系统，包括多个分别安装在轿厢上行平层区间、下行平层区间以及轿厢门上的开关量传感器和安装在轿厢上的加速度传感器以及采集处理设备和显示设备，各开关量传感器、加速度传感器及显示设备分别与采集处理设备连接；图1所示各区间开关即为开关量传感器；

各开关量传感器分别用于监测轿厢上行平层触发时间信息、下行平层触发时间信息以及轿厢门开或关触发时间信息，加速度传感器用于监测轿厢加速度信息，采集处理设备用于采集和处理开关量传感器与加速度传感器监测到的信息，并在处理后生成故障预警信息发送至显示设备。

如图2所示的一种电梯运行安全监测和早期故障预警方法，包括以下步骤：

步骤一、在电梯运行时，通过加速度传感器监测轿厢加速度信息，通过各开关量传感器监测轿厢上行平层触发时间信息和下行平层触发时间信息及轿厢门开或关触发时间信息，采集处理设备采集轿厢加速度信息并经过微积分变换后获得轿厢运动位移、速度和加速度数据，采集处理设备采集上行平层触发时间信息和下行平层触发时间信息及轿厢门开或关触发时间信息，经过处理后获得电梯停梯及平层触发时间数据；

步骤二、根据电梯曳引机的联接方式、传动结构、支撑类型和传动比确定轿厢升降速度分别与驱动系统、传动结构和支撑结构的故障特征频率之间的换算关系；

步骤三、依据步骤一检测获得的加速度数据建立轿厢速度变化曲线，如图3所示，取稳速阶段内的检测数据进行频域分析，分析结果参见图4；

步骤四、将步骤三频域分析对应的轿厢速度数据代入步骤二所述换算关系中获得驱动系统、传动结构和支撑结构的故障特征频率；

步骤五、在步骤三频域分析结果中找出步骤四所述故障特征频率分量的幅值，作为电梯拖动系统评估指标；

步骤六、在电梯停梯时，根据步骤一所述轿厢运动位移数据和电梯停梯及平层触发时间数据计算出停梯和平层触发时间段内轿厢的运动位移，将该运动位移与电梯安装时的预设值进行对比确定停梯平层误差，该误差作为制动性能评估指标；

步骤七、计算各评估指标与电梯设计允许值之间的偏差值，若有评估指标超出电梯设计允许偏差值，则由采集处理设备生成绝对故障预警信息并发送至显示设备进行显示；

步骤八、在下次电梯启动、停梯过程中，重复步骤三至六，获取电梯在新运行状态下的评估指标；

步骤九、统计所有各评估指标在一定周期内的均值和不确定度并确定其变化关系，根据各评估指标均值和不确定度的变化关系，作出相对故障报警，作出相对故障报警信息也由采集处理设备发送至显示设备进行显示。

参见图5，在周期内多获取电梯平层误差，得到电梯平层误差与测量频次的关系，可以统计出制动性能评估指标的均值及其不确定度的变化关系，得出制动性能评估指标变化的趋势，从而计算出该评估指标在何时电梯设计允许值之间的偏差值，以作出及时的相对故障报警，该报警信息也由采集处理设备生成并发送至显示设备中显示，提醒乘梯人员电梯故障问题，避免危险情况的发生。

上述驱动电机的故障特征频率分量包括驱动电机的转频、二倍频和三倍频分量；传动结构故障特征频率分分量包括曳引机的转频、二倍频、三倍频分量和曳引机轴承内圈、外圈、滚珠故障频率分量；支撑结构的故障特征频率分量为保持架故障频率分量，也还可以是驱动系统其他结构的故障特征频率，所谓故障特征频率分量是指驱动系统各个结构在运行状态时的频率，当该频率不在正常范围内，即出现故障特征频率分量的幅值时，可判断某个相应的结构出现了因磨损等因素造成的故障，可能影响电梯安全运行，这时应该及时在采集处理设备中生成故障报警信息，并在显示设备提醒乘梯人员及时撤离。

下面以电机输入轴转速n₁为例，说明轿厢速度与驱动系统、传动结构和支撑结构的故障特征频率之间的换算关系。

设T₁为电机输入轴转速n₁（单位rpm）与曳引机输出轴转速n₂（单位rpm）之间的比值；R为曳引轮绳槽节圆半径，T₂为曳引比，其中：

（1）

轿厢速度V与电机转速n1之间的换算关系如下：

（2）

在监测到轿厢速度V的基础上，根据式（2）可以得到n₁，则其所示轴承特征频率分别为：

内圈旋转频率f1：

（3）

结合式（2）和（3）就能得到轴承内圈旋转频率f1与轿厢速度V的换算关系；

设β为接触角，d为滚珠直径，D为滚珠节圆直径，则保持架旋转频率f₂：

（4）

结合式（2）、（3）和（4）就能得到保持架旋转频率f₂与轿厢速度V的换算关系；

设滚动体（滚珠）的自旋频率f₃：

（5）

设Z为滚珠数目，滚动体通过内圈频率f₄：

（6）

滚动体通过外圈频率f₅：

（7）

设齿轮轴转频为fi，齿数为M，其啮合频率f₆：

（8）

电机转子的K倍频为f_K1：

（9）

结合以上各式，还可以分别得到滚动体（滚珠）的自旋频率f₃、滚动体通过内圈频率f₄、滚动体通过外圈频率f₅、轮轴转频为fi、电机转子的K倍频为f_K1与速度V的换算关系。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。