автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Методы повышения надежности лифтов и подъемников

На правах рукописи

"Л-Л-^"''

ФЕДЯЕВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЛИФТОВ И ПОДЪЕМНИКОВ

Специальность 05.02.02 - «Машиноведение, системы приводов и детали

машин»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

§чтг:ц

005544269

Томск 2013

005544269

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ананин Владимир Григорьевич,

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины», декан механико-технологического факультета, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск

Крауиньш Петр Янович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Автоматизация и роботизация машиностроения» ФБГОУ ВПО НИ «Томский политехнический университет», г. Томск Степанов Михаил Алексеевич кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой «Механическое оборудование, детали машин и технология металлов» ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», г. Москва

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения», г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.03 в ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу г. Томск, пл. Соляная 2, корпус 2, ауд. 303.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета: 634003, г. Томск, пл. Соляная 2, корп. 1, e-mail: klopotovaa@tsuab.ru.

Автореферат разослан: «_»_2013 года

Учёный секретарь диссертационного совета д-р физ.-мат. наук, профессор

А.А. Клопотов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лифты и подъемники являются одним из самых распространенных видов транспорта, предназначенного для безопасного и комфортного перемещения людей и грузов.

За последние годы существенно расширилась номенклатура лифтов и подъемников (далее по тексту лифтов), имеющих различные конструктивные исполнения, усовершенствованные системы безопасности, современные системы управления и мониторинга, и эксплуатирующихся в различных условиях.

В процессе эксплуатации лифтов происходит снижение уровня их надежности, обусловленное влиянием различных механических, физических, химических и других факторов.

К методам, повышающим надежность лифтов, относятся: мониторинг технического состояния лифтов на основе контроля параметров движения лифтов, включая штатные, нештатные и аварийные режимы торможения; совершенствование инженерных решений, связанных с конструкциями лифтов и их систем безопасности. Своевременное обнаружение отклонений характеристик движения лифтов от номинальных значений приведет к уменьшению вероятности отказов лифтов, существенному снижению числа аварий, их сложности и критичности.

Процессы движения лифтов характеризуются временными зависимостями перемещения, скорости и ускорения, а также определяющими их силами, препятствующими или способствующими перемещению. Отсюда следует, что контроль технического состояния невозможен без математических моделей процессов движения лифтов, включая все виды торможения, связывающих изменение параметров процессов торможения и измеряемые физические величины: перемещение; скорость; ускорение; коэффициент трения; сила нормального давления в тормозной паре. Имеющиеся в настоящее время математические модели не в полной мере устраивают потребителя, так как не учитывают ряд физических факторов. Следует заметить, что разработка новых и совершенствование известных способов оценки параметров движения позволит повысить достоверность информации о техническом состоянии лифтов.

Для всех существующих типов лифтов предусматриваются ограничения на максимальные значения скорости движения, ускорения, перемещения, времени торможения. Контролируемые в настоящее время параметры недостаточно характеризуют текущее техническое состояние лифтов. Для повышения достоверности оценок технического состояния необходимо дополнение существующих информативных параметров новыми, для которых должны быть разработаны соответствующие алгоритмы обработки информации.

Существенный вклад в повышение надежности лифтов и подъемников внесли кафедры «Механическое оборудование, детали машин и технология металлов» и «Строительные и подъемно-транспортные ма-

шины» МГСУ, ВНИИНМА НИО-117, ПКБ Карачаровского механического завода и Щербинского лифтостроительного завода и др. Имеющиеся в литературных источниках данные позволяют сделать вывод о том, что для обеспечения потребительских характеристик лифтов (безопасности, надежности, комфортности), соответствующих современным требованиям, необходима разработка новых и совершенствование известных конструкций лифтов, их систем управления и безопасности.

Следовательно, тема диссертационных исследований является актуальной. Актуальность работы подтверждается тем, что она выполнена в рамках тематического плана научно-исследовательских работ Томского государственного архитектурно-строительного университета по заданию Министерства образования и науки Российской Федерации (НИР № 01.2012.52782).

Объект исследования - лифты и подъемники.

Предмет исследования - методы повышения надежности лифтов и подъемников.

Целью работы является повышение надежности лифтов и подъемников за счет: качественной оценки текущего технического состояния лифтов на основе усовершенствованных математических моделей процессов аварийного торможения лифтов; новых методов оценки параметров движения лифтов; алгоритмов обработки экспериментальной информации; новых инженерных решений в области систем безопасности лифтов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Усовершенствовать математическую модель процесса экстренного торможения лифтов и подъёмников с учетом зависимости коэффициента трения соприкасающихся поверхностей от скорости и временной зависимости силы нормального давления в тормозной паре - ловитель -направляющая от времени.

2. Разработать алгоритмы оценки параметров торможения лифтов и подъемников по экспериментальному временному распределению ускорения.

3. Усовершенствовать математическую модель процесса аварийного торможения лифтов введением в неё упругого элемента.

4. Доказать возможность оценки относительных перемещений лифтов на основе анализа потока фотоизображений с высокой точностью.

5. Разработать инженерные решения в области систем безопасности лифтов.

Методология и методы исследования. При проведении исследований применялись методы решения дифференциальных уравнений, методы теоретической механики, методы статистического моделирования, статистические методы обработки экспериментальных данных.

Научная новизна заключается:

1. В усовершенствовании многопараметрической математической модели процесса аварийного торможения лифтов, основанном на учете зависимости коэффициента трения соприкасающихся поверхностей тор-

мозной пары от скорости и зависимости силы нормального давления в тормозной паре от времени.

2. В совершенствовании математической модели аварийного торможения лифта с посадкой на ловители, учитывающем наличие упругого элемента.

3. В разработке алгоритмов оценки параметров штатного торможения лифтов (продолжительности переходных процессов, продолжительности интервала равнозамедленного движения, максимального ускорения, уровней флуктуаций ускорения) для временного распределения ускорения лифта для режима с ограничением по ускорению.

4. В доказательстве возможности оценки относительного перемещения лифтов на основе анализа потока фотоизображений оптического маяка с погрешностью 1-2 мм в диапазоне от 0 до 4 метров.

5. В разработке новых инженерных решений в области систем безопасности лифтов.

Практическая ценность работы заключается в математических соотношениях параметров, связующих параметры торможения (скорость, перемещение, ускорение) и характеристик систем аварийного торможения, в доказательстве возможности оценки относительных перемещений лифтов по анализу временного потока фотоизображений оптического маяка, что позволяет осуществлять мониторинг лифтового оборудования без дополнительного вмешательства в конструкцию, в разработке систем безопасности лифтов, ловителей, ограничителей скорости (патенты РФ 110364, 2010119975, 102000, 85154, 127053, 132430), позволяющих повысить безопасность и надежность лифтов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теоретических положениях, с соблюдением основных принципов математического моделирования, проверкой адекватности построенных моделей, совпадением расчетных данных, полученных предложенными методами, с собственными экспериментальными данными и данными других авторов, измерением физических величин с погрешностью не превышающей 0,5 %.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований используются ООО «Союзлифтмонтаж» г. Томск и AHO ИКЦ «Котлонадзор» при обследовании лифтов и подъемников различных типов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются при чтении курсов лекций «Лифты и подъемники», «Нераз-рушающие методы испытаний», а так же при проведении практических и лабораторных работ студентами на механико-технологическом факультете в ФГБОУ ВПО «ТГАСУ» (направления подготовки: 190100 - Наземные транспортно-технологические комплексы; 270800 - Строительство).

Личный вклад автора. Автору принадлежит поиск путей решения задач, поставленных научным руководителем, разработка математических моделей процессов торможения лифтов, планирование и проведение экспериментов, интерпретация и обобщение результатов расчетов, натурных и численных экспериментов.

Все основные результаты в работе получены впервые и являются оригинальными.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Многопараметрическая математическая модель процесса аварийного торможения лифтов и подъёмников, учитывающая зависимость коэффициента трения соприкасающихся поверхностей тормозной пары от скорости и зависимость силы нормального давления в тормозной паре от времени.

2. Математическая модель процесса аварийного торможения лифтов с учётом упругого элемента.

3. Алгоритмы оценки параметров торможения лифтов по временному распределению ускорения лифта для режима с ограничением по ускорению.

4. Доказательство возможности оценки параметров торможения лифтов и подъёмников на основе анализа потока фотоизображений.

5. Инженерные решения на основе систем безопасности аварийного торможения лифтов и подъемников.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на международных конференциях студентов и молодых ученых. «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, ТПУ, 2011, 2013 г.г.); на международных научно-технических конференциях «Интер-строймех» - 2009, 2011-2013 г.г., на семинарах кафедр: строительных и дорожных машин ТГАСУ (2013 г.); строительных и подъемно-транспортных машин МГСУ (2013 г.).

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 1 «Теория и методы исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения, способы управления этими процессами», пункту 3 «Теория и методы обеспечения надежности объектов машиностроения», пункту 4 «Методы исследования и оценки технического состояния объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерного моделирования» паспорта специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин», технические науки.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 15 печатных работах, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По теме диссертации получено 5 патентов на полезные модели и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 113 страниц машинописного текста состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованных источников из 100 наименований, 20 рисунков, 13 таблиц и 8 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены объект и предмет исследований, сформулированы цель работы, задачи исследований, представлены научная новизна и основные научные положения, защищаемые автором. Подтвервден личный вклад автора, практическая значимость работы и реализация результатов работы при обследовании лифтов и подъемников. Даны сведения об апробации работы и публикациях автора. В заключительной части введения кратко освещено содержание каждого раздела работы.

В первой главе произведен анализ физических и технических факторов, влияющих на надежность лифтов и подъемников. Лифт представляет собой сложную техническую систему, включающую в себя механические, электрические и электронные подсистемы (рисунок 1).

Рисунок 1. Структурная схема лифтов: 1 -электродвигатель; 2 - редуктор;

3 - тормоз; 4 - канатоведущей шкив; 5 - канат; 6 - кабина;

7 - датчик ограничителя скорости (ОС); 8 - ловитель; 9 - противовес;

10 - башмаки; 11 - направляющие

Наибольшие нагружения элементы лифта испытывают при разгоне и торможении, особенно при экстренном и аварийном торможении. В результате длительной эксплуатации лифтов происходит понижение их надежности, обусловленное ухудшением их технического состояния, которое характеризуется, в том числе, и отклонениями параметров движения от номинальных значений.

Методам повышения надежности лифтов в целом и математическим моделям торможения лифтов, методам испытания лифтов, методам оценки технического состояния лифтов в частности посвящены работы Архангельского Г.Г., Йофе Е.Я., Волкова Д.П., Траубе Е.С., Лютфи Ш., Емельянова Р.Т., Овчиниковой Ю.С. и др.

Диапазон изменения параметров движения лифтов регламентируются нормативной и проектно-конструкторской документацией. Анализ технического состояния лифтов невозможен без измерения временных зависимостей параметров торможения лифтов, в свою очередь, сопоставление измеряемых физических величин с оцениваемыми параметрами торможения лифтов, как динамически изменяющихся сложных систем, невозможен без совершенствования соответствующих математических моделей.

Существующие математические модели не в полной мере описывают процесс торможения, особенно в режимах нештатного и аварийного торможения, так как не учитывают наличие упругой связи; тормозное усилие считается постоянным; не учитывается зависимость коэффициента трения в тормозной паре (ловитель - направляющая) от скорости.

Многие существующие методы измерения параметров движения (торможения) лифтов и приборы, их реализующие, требуют обязательного вмешательства в конструкцию лифта, тем самым применение этих приборов приводят к дополнительным работам и затратам и к возможному ухудшению надежности лифтов.

Существующие системы безопасности не всегда обеспечивают необходимые уровни безопасности и надежности, особенно это характерно для экстремальных условий эксплуатации, например, при пожаре; путь торможения не для всех типов лифтов и систем безопасности регулируется в зависимости от загрузки кабины; не для всех типов лифтов и систем безопасности происходит мгновенное срабатывание ловителей, что обусловлено наличием длинных кинематических связей.

Повышение надежности лифтов будет достигнуто за счет качественной оценки их технического состояния на основе разрабатываемых математических моделей процесса аварийного торможения, алгоритмов обработки измеряемых временных зависимостей, применения новых способов оценки параметров движения лифтов, разработки новых и совершенствовании известных систем безопасности лифтов.

Вторая глава посвящена разработке двух математических моделей процесса торможения лифтов. Первая математическая модель учитывает зависимость коэффициента трения соприкасающихся поверхностей от скорости и зависимость силы нормального давления от времени. Модель позволяет исследовать временные функции перемещения лифта, скорости и ускорения для различных наборов параметров, определяющих процесс торможения. Вторая математическая модель процесса аварийного торможения лифта дополнительно учитывает наличие упругой связи.

В работе1 приводится дифференциальное уравнение, описывающее торможение лифтов для постоянных значений коэффициента трения и силы нормального давления. Усовершенствование указанной математической модели основано на учете зависимости коэффициента трения элементов тормозной пары от скорости и временной зависимости силы нормального давления. Соответствующее дифференциальное уравнение имеет вид

/гес'(0-1И8 + ц(ОД(0 = 0 (1)

1 Иоффе Е.Я. Сертификация лифтов / Е.Я. Иоффе, В.Р. Глумов. - М.: Стройиздат, 1994.-248 с.

где т - масса кабины, кг; /?(/) - сила нормального давления на тормозную колодку в момент времени г, кН; ц(/) - текущее значение коэффициента трения между элементами тормозной пары (клином и колодкой); g -ускорение свободного падения.

Для оценки зависимости коэффициента трения соприкасающихся деталей от скорости в диссертации предлагается использовать аппроксимацию

й(*'(0) = , * (2) а(*(0-Х) +Р

где а, %, Р, У - некоторые параметры, определяемые экспериментальным путём. Коэффициент % характеризует положение максимума на зависимости коэффициент у близок к коэффициенту трения для больших скоростей, а коэффициенты а и |3 определяют скорость изменения коэффициента трения.

Сила нормального давления К(1) зависит от геометрических факторов и от усилия, передающегося на тормозные колодки. В процессе плавного торможения значение силы нормального давления постепенно возрастает до некоторой постоянной величины. Одним из возможных описаний зависимости /?(/) является функция

ЖО^О-О. (3)

где /?тач - максимальное значение силы нормального давления ловителей на направляющие при торможении; г) - параметр, характеризующий скорость нарастания силы нормального давления от времени (находится экспериментальным путем).

Математическая модель торможения лифта описывается формулами (1) - (3) и начальными условиями

х(0) = 0,х'(0) = К0 (4)

Разработанная математическая модель процесса торможения лифтов и подъемников (1) - (4) позволяет определить временные зависимости перемещения, скорости, ускорения, силы торможения, исходя из теоретических или экспериментальных данных зависимостей коэффициента трения от скорости движения лифта и подъемника, временной зависимости силы нормального давления.

Для демонстрации были рассчитаны временные распределения параметров процесса торможения для значений параметров а = 25, Р = 5, у = 0,46, % = 0,6, л = ]4, Д™ = 9,8кН, т = 450 кг. На рисунке 2 приведены зависимости х(/), х'(0 и х"(1).

1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

О 0,5 1 1,5

а) с

в) /, с

Рисунок 2. Временные распределения параметров процесса торможения: а) - перемещение; б) - скорость; в) - ускорение

Зависимость перемещения от времени описывается возрастающей функцией с насыщением. Временное распределение скорости описывается одномодальной функцией. Наличие максимума связано с тем, что зависимость силы нормального давления возрастает от нуля до значения Ятах. Движение лифта прекращается, если значение скорости близко к нулю. Ускорение с возрастанием времени вначале убывает, достигая области отрицательных ускорений, а затем возрастает до нуля.

Дополнительной характеристикой технического состояния ловителей является временная зависимость силы торможения, которая рассчитывается с помощью математической модели по следующей

формуле Гт^)=т(g-x"(/)). На рисунке 3 приведена зависимость силы торможения от времени. Эта зависимость является одномодальной.

t, с

Рисунок 3. Временная зависимость тормозной силы

Дальнейшее совершенствование математической модели связано с учетом упругой связи процессов торможения лифтов, обусловленной ловителем. В математическую модель (1)-(4) вводится дополнительный элемент mx"(t) - mg + \i(t)R(t) + k{t)x{t) = 0 , (5)

где k(t) - текущее значение некоторого коэффициента к . Уравнение (5) выведено в предположении, что величина сжатия упругого элемента y(t) пропорциональна величине перемещения лифта в процессе торможения -y(t) = cx(t). Упругие свойства тормозной пары будет характеризовать

коэффициент К = к/с .В первом приближении можно считать k{t) = const.

Модель позволяет исследовать зависимости перемещения, скорости и ускорения лифта или подъемника от времени для различных наборов параметров, определяющих процесс торможения.

Введение упругого элемента в математическую модель процесса торможения лифтов может привести к разбиению всего периода торможения на два и более этапа В конце первого этапа скорость лифта равняется нулю, но упругий элемент преобразует часть кинетической энергии движущего лифта в потенциальную энергию упругого элемента. Если равнодействующая побуждающих и сдерживающих движение сил направлена вверх, то на втором этапе часть энергии, запасенной упругим элементом, трансформируется последовательно в кинетическую энергию лифта и в потенциальную энергию лифта, поднятого на некоторую высоту, а оставшаяся часть энергии затрачивается на данном этапе на работу силы торможения. Возможен вариант, в котором лифт поднимается выше исходной точки, и упругий элемент с этого момента начинает сжиматься (растягиваться) в другом направлении. В конце второго этапа скорость лифта равна нулю. Если остаточная энергия системы больше нуля и равнодействующая побуждающих и сдерживающих движение сил направлена вниз, то наступает третий этап, в котором лифт движется вниз. Возможно наличие еще нескольких этапов.

Для иллюстрации работоспособности предлагаемой модели были рассчитаны временные распределения перемещения, скорости и ускорения лифта на этапе торможения для значений параметров

а = 25-^у, р = 7, у = 0,46, х = 0,6—, л = 14, Ятах=4кН, /я = 450 кг, м с

кН

к = 30—. Значение коэффициента к получено в результате обработки м

кинематических параметров лифта схожей массы при посадке на ловители с имитацией обрыва тяговых канатов1. На рисунке 4 приведены зависимости х(0 , х'{1) и х"(0 .

I I I м I I I I I I I I I I 111 I I м 11 11 I м I I

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

а)

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

б) и с

~I I I I I I I I I I I I Г

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

ч и с в)

Рисунок 4. Временные распределения параметров процесса торможения: а) - перемещение; б) - скорость; в) - ускорение

Для рассматриваемого случая наблюдается одна смена направления движения лифта. Общее время торможения не превысило 0,6 с. Максимальное значение перемещения лифта с момента торможения составило 0,258 м, а общее перемещение лифта - 0,17 м.

В третьей главе описаны приборы и способы оценки характеристик параметров движения лифтов, а так же требования, предъявляемые к ним по параметрам точности и быстродействию.

В настоящее время для определения параметров движения лифта применяются различные датчики (акселерометры). Альтернативным способом, повышающим достоверность оценки параметров движения, является метод, связанный с измерением относительных перемещений лифта на основе анализа потока фотоизображений оптического маяка (рисунок 5).

*.............. — ................* А 1 --ч

^ \ \ \ \ Г - / / / / / * 1 /

/

J

1

Рисунок 5. Геометрическая схема формирования изображения оптического маяка: 1 - оптический маяк, 2 - источник света; 3 - фотокамера; 4 - фотоматрица

Измеряемой физической величиной в рассматриваемом случае является площадь изображения контрастной части маяка SK в момент времени t. По зависимости S^t) для соответствующего момента времени t оцениваются параметры: расстояние — F(t), скорость объекта — V(t), ускорение объекта — a(t). Из элементарных геометрических соображений выводится соотношение, связывающее S^t) площадь изображения контрастной части маяка с площадью контрастной части маяка S

sm-s^. (в)

Так как значения геометрических величин /, S известны и неизменны, то из (6) получим выражение для оценки расстояния F

F(t) = f I—. (7)

Фотокамера формирует кадр за интервал A t, поэтому мы будем иметь дело с дискретизацией непрерывной функции F(t), F,=F(tï), i= 1,..., N0

F, = f S (8)

Из набора значений F„ i= 1,..., N0 можно оценить текущие значения скорости V,= V(tj) и ускорения a,=a{tï)

F - F,. FM - 2F, + F,,

у,= Л/ .«/=—--— ■ (9)

At д t2

В исследуемом методе по измеренной площади некоторого плоского объекта (оптического маяка), связанного с перемещающимся объектом, оцениваются параметры торможения лифта. Для реализации анализируемого оптического метода необходима быстродействующая фотокамера, которая закреплена на неподвижной части лифтовой шахты. На нижней части лифтовой кабины расположен оптический маяк. Оптический маяк представляет собой плоскую симметричную фигуру, например, квадрат. Для наибольшего оптического контраста целесообразно центральную часть маяка покрасить белой матовой краской, а граничную полосу чёрной (темной) матовой краской. Для получения качественного изображения маяк должен подсвечиваться источником светового излучения, причём он должен быть связан с перемещающимся объектом.

Предложенный алгоритм обработки цифровых полутоновых изображений, учитывающий диапазон изменения между уровнями «черного» и «белого» для искусственного освещения (светодиодная лампа), оказывается достаточным для измерения расстояний от 1-го до 4-х метров с погрешностью 2 мм, что сравнимо с точностью измерения расстояний из указанного выше диапазона с помощью лазерных измерителей длины.

Разработаны алгоритмы обработки временных распределений ускорений, получаемых с помощью акселерометра, которые позволяют оценить с высокой точностью параметры (длительности переходных процессов, длительность установившегося режима, флуктуации ускорений и т.д.), характеризующие процесс торможения лифтов в режиме ограничения по ускорению и могут применяться на разных приводах в зависимости от управления.

На рисунке б приведена типовая зависимость ускорения от времени при торможении лифта с ограничителем ускорения2. На этой диаграмме выделяются три интервала. Первый - переходный, исчисляется от начала торможения до установившегося режима торможения с примерно постоянным значением ускорения, длительность - , второй - установившийся с постоянным ускорением, длительность /2, третий - переходный длительностью /3 от установившегося режима к остановке лифта. Дополнительными информативными параметрами являются: среднее значение и уровень флуктуаций ускорения а1 в установившемся периоде торможения; уровни флуктуаций а2 и <т3 в процессе равномерного движения и остановки лифта. Все информативные параметры в совокупности могут быть использованы для оценки технического состояния лифта, что позволит уменьшить вероятность критических отказов.

41

м/с

О -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6

0

1, 1 *

Ах л/ г АЛ ^

AVV "4 М - )

1 /

\ /

\ /

л WA N.i АЛа J

yW

t, с

Рисунок 6. Типовая временная диаграмма ускорений при торможении лифта с ограничением по ускорению

2 Красовский A.A., Антонов А.Ю. Определение положения лифта и параметров движения методами инерциальной навигации / Лифт. — 2010. — № 8. - С. 23-28.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке адекватности предлагаемых математических моделей.

Для оценки точности аппроксимации (2) была проведена обработка результатов серии экспериментальных зависимостей3 ¡х(7) в тормозной паре. Параметры аппроксимации а,%,р,у находились методом наименьших квадратов.

Для иллюстрации на рисунке 7 приведена зависимость коэффициента трения от скорости3.

Значения коэффициентов аппроксимации а,х,(3,у и значение относительной среднеквадратической погрешности аппроксимации 8 сведены в таблицу 1.

|1 0,7 0,6 0,5 0,4

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

V, м/с

Рисунок 7. Зависимость коэффициента трения от скорости: «—» - аппроксимация; I - экспериментальная зависимость

Таблица 1

_Значение параметров аппроксимации__

№ Материал а X Р 7 6,%

1 ТИИР-300, р=0,ЗМПа 11,656 0,624 3,948 0,408 0,04

2 ТИИР-300, р=0,5МПа 31,852 0,053 14,409 0,431 0,03

3 ТИИР-303, р=0,5МПа 7,703 -0,598 -0,099 0,343 0,05

Погрешность аппроксимации не превышает 0,05 %, что свидетельствует о возможности использования зависимости (2) в математических моделях торможения лифта для описания возрастающих, убывающих и одномодальных зависимостей коэффициента трения ц от скорости V .

з

Богданович П.Н., Галай Э.И. Оценка трибологических характеристик композиционных материалов для тормозных колодок при малых скоростях скольжения / Вестник ВНИИЖТ. - 2005. -№ 2. - С. 27-30.

Одной из важнейших характеристик ловителя, помимо коэффициента трения, является, величина силы нормального давления в тормозной паре «ловитель — направляющая». Для установления реальной картины процесса движения лифта с экстренным торможением был проведен ряд экспериментов по оценки зависимостей силы нормального давления #(/).

Исследования проводились на лифте грузоподъёмностью 400 кг с номинальной скоростью движения 1м/с. Лифт был установлен в 14-и этажном жилом доме. Исходя из целей эксперимента, на верхней балке рамы кабины, был установлен датчик ускорения. Датчики усилий устанавливались на упругий элемент ловителя и на балку кабины лифта, схема расположения датчиков приведена на рисунке 8.

Рисунок 8. Размещение датчиков на исследуемых элементах лифта: 1 — датчик ускорения; 2 — датчик усилия

Программа эксперимента предусматривала многократные (пятикратные) посадки пустой и загруженной кабины лифта на ловители в штатном режиме, то есть, без превышения номинальной скорости. Получены зависимости силы нормального давления ловителей на направляющие при торможении от времени, графики полученных зависимостей приведены на рисунке 9.

Процесс временного изменения силы нормального давления можно разделить на два периода - переходный и установившийся. Переходный период связан с перемещениями ролика. Для доказательства возможности оценки силы нормального давления по сигналам, снимаемым с первого и второго датчиков, определены выборочные коэффициенты корреляции сигналов. Погрешность составила не более 11 %. Эти расхождения обусловлены в основном нелинейностями в районе малых и больших значений В таблице 2 приведены коэффициенты корреляции и коэффициенты линейной регрессии сигнала с датчика в ловителе ^ и сигнала с датчика на балке ^ кабины лифта — = аР + Ь.

Г, 100 Н 80 60 40 20 0

0 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,175

с

Рисунок 9. Зависимости силы нормального давления ^(г) в ловителе: 1 - загрузка кабины лифта т = 100 кг; 2 - загрузка кабины лифта т = 150 кг; 3 - загрузка кабины лифта т = 200 кг

Таблица 2

Коэффициенты корреляции и коэффициенты линейной регрессии сигнала с датчика в ловителе и сигнала с датчика на балке кабины лифта_

№ Масса загрузки кабины т, кг Коэффициент корреляции, г а 6, кгс Погрешность, %

1 0 -0,989±0,010 -9,44±0,05 4,2±0,02 10,90

2 50 -0,990±0,005 -9,43±0,04 5,9±0,02 10,87

3 100 -0,989±0,006 -9,15±0,06 6,0±0,03 10,25

4 150 -0,994±0,001 -8,12±0,04 14,0±0,07 8,72

5 200 -0,966±0,002 -8,45±0,05 10,0±0,04 8,65

6 250 -0,957±0,010 -7,98±0,03 13,0±0,06 8,10

Анализ экспериментальных данных по оценки силы нормального давления в ловителях показал хорошее согласие сигнала с датчиков, расположенных на раме кабины и пружине ловителя, коэффициент корреляции не хуже 0,95. Выявлена зависимость силы нормального давления в тормозной паре (пружина ловителя — направляющая) от времени, которая для начального периода представляет собой бимодальную функцию с амплитудой, не зависящей от массы груза в кабине. Это вероятнее всего свидетельствует о взаимном резком столкновении элементов ловителя в начальный момент торможения лифта. Амплитуда указанной функции существенно выше значения силы нормального давления в тормозной паре в установившемся режиме торможения кабины лифта ловителем. Наличие импульсных нагрузок большой амплитуды может существенно повлиять на надежность ловителя.

- Щ /1

1 I ЕЕ—I—ЗЕ—I—I—ЗЕ—ЕЕ—ЗЕ—I—-I-/—I-—

/

Z -L I ± I—-L I -L—£--±-

■ Л7 /3 ЭЕ—5Е—3—-35—S—S—з=-X X-

Процесс эксплуатации лифтов не исчерпывается только аварийными и нештатными ситуациями. Техническое состояние лифтов изменяется и в штатных режимах эксплуатации. Для более полной и достоверной информации о параметрах движения и торможения лифтов, необходимо измерять в цифровом виде скорость движения, ускорение, силу нормального давления и коэффициент трения в ловителе, силу нормального давления и коэффициент трения в тормозной паре тормоза лебёдки.

Для иллюстрации возможностей алгоритмов, которые позволяют оценить параметры движения лифтов с ограничением по ускорению в штатном режиме, были проанализированы результаты экспериментальных исследований2,4-6 при подъеме и спуске кабины. Результаты обработки экспериментальных исследований занесены в таблице 3.

ТаблУ1(а 3

Параметры движения лифтов с ограничением по ускорению

№ n/n Время Уровень флуктуаций ускорения Примечание

'„с t2, с t3,c t, с с,, мм/с2 (72 , мм/с2

1 0,13 0,7 0,27 1,1 0,125 0,19 Движение вниз4, скорость 0,5 м/с

2 0,9 4,1 1,1 6,1 0,03 0,02 Движение вниз, скорость 0,67 м/с

3 0,18 0,71 0,31 1,2 0,15 0,04 Движение вверх5, скорость 1 м/с

4 1,15 7,6 1,33 10,1 0,11 0,10 Движение вниз6, скорость 7,5 м/с

5 0,89 2,12 1,08 4,1 0,15 0,09 Движение вниз6, скорость 2,5 м/с

6 0,7 2,3 0,9 3,9 0,005 0,004 Движение вниз4, скорость 1,7 м/с

7 0,63 1,6 0,76 2,3 0,002 0,005 Движение вверх4, скорость 1,7

Ускорение зависит, помимо всего прочего, от колебания масс кабины и противовеса, вида процесса торможения (штатного, нештатного, аварийного), соотношения длин канатов к противовесу и к кабине, коэффициентов упруго-

4 Владимирский А.А. Методы контроля динамических параметров лифтов. Моделювания та ¡нформацшш технологи. Зб1рник наукових праць. 1нститут проблем моделирования в енергетищ НАН Украши. Вип.Зб.Кшв, 2006 р.-С.98-103.

5 Горожеев М.Ю. «Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях Ria-stk.ru/mi/abetail 29/01/2011.

6 Valjakka, Jukka, Vierinen, Kari, Pitkanen, Jaakko & Vaittinen, Micro Mechanical Ac-celerometers in Physics Laboratory users.metropolia.fi.

ста канатов и упругих элементов ловителей, времени срабатывания колодочного тормоза, времени срабатывания системы безопасности при аварийном режиме торможения, величины износа соприкасающихся поверхностей.

Для проверки математической модели аварийного торможения лифтов рассмотрим случаи, когда происходит посадка на ловители лифта в процессе движения. Срабатывание ловителей может быть вызвано: импульсным воздействием на кабину лифта, не предусмотренным правилами пользования лифтов; непосредственным физическим воздействием на элемент ограничителя скорости, вызывающим его срабатывание; обрывом тяговых канатов.

В настоящее время эксперименты, связанные с обрывом тягового каната или даже его имитацией запрещены на действующих лифтах7.

Нами был проведен ряд экспериментальных работ, связанных с оценкой параметров торможения лифтов при использовании непосредственного воздействия на шкив ограничителя скорости, которое приводит к срабатыванию ловителей кабины лифта. На рисунке 10 и в таблице 4 приведены результаты обработки экспериментальных зависимостей а(/), полученных нами при посадке кабины лифта на скользящие ловители с роликами. Масса груза в кабине лифта варьировалась от 0 до 250 кг.

х,0,20 м

0,15 0,10 0,05 0,00

0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 0,^0 с

Рисунок 10. Зависимость перемещения кабины лифта от времени при посадке на ловители: 1 — эксперимент; 2 — математическое моделирование

Анализ данных, приведенных в таблице 4, свидетельствует о достаточно хорошем согласии результатов экспериментальных и теоретических исследований, расхождение по времени торможения не превышает 8,5 %, а по перемещению не превышает 6 %.

7 Правила устройства и безопасной эксплуатации лифтов. — Екат.: Урал Юр Издат, 2010.- 124 с.

Таблица 4

Время торможения и путь торможения при посадке кабины лифта на

скользящие ловители с роликом с действующим противовесом

№ Масса кабины с грузом, кг Грузоподъемность лифта, кг Vo, м/с Эксперимент1 Эксперимент Математическая модель, (1)-(5)

t, с х, мм t, MC X, мм с X, мм

1 450 450 1 - - 223±5 136±5 0,218 131

2 500 450 1 - - 240±5 137±5 0,234 141

3 550 450 1 - - 256±5 153±5 0,250 149

4 600 450 1 - - 260±5 150±5 0,266 158

5 650 450 1 - - 285±5 173±5 0,281 167

6 1412 320 1,4 0,220 178 - - 0,203 175

7 2600 500 1,4 0,200 140 - - 0,185 146

В пятой главе в рамках диссертационных исследований приведены, различные варианты систем безопасности лифтов, разработанные автором, предназначенные для повышения потребительских характеристик лифтов.

Приведенные в главе инженерные решения оформлены в виде полезных моделей и изобретения. Они позволяют улучшить потребительские характеристики лифтов и подъемников за счёт увеличения тормозного пути, стабильности силы нормального давления, плавности торможения в случае аварийного торможения. Плавность торможения уменьшает динамические воздействия, обусловленные противовесом. Предлагаемые системы безопасности способны улавливать кабину лифта более эффективно как при движении вверх, так и вниз. Повышается надежность и безопасность лифтов, снижается интенсивность износа и уровень вибрации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований получены основные результаты и выводы:

1. Разработана многопараметрическая модель процесса аварийного торможения лифтов и подъемников, которая учитывает зависимость коэффициента трения соприкасающихся поверхностей от скорости и зависимость силы нормального давления от времени.

2. Усовершенствована модель процесса аварийного торможения лифта введением упругой связи, обусловленной ловителем.

3. Доказана возможность измерения параметров процесса торможения лифтов на основе анализе потока фотоизображений оптического маяка. Предлагаемый способ может быть использован для повышения безопасности и долговечности лифтов и подъёмников.

4. Построены алгоритмы оценки параметров процесса торможения лифтов (продолжительностей переходных процессов, продолжительности интервала равнозамедленного движения, ускорения, уровней флуктуаций

ускорения) по временному распределению ускорения лифта для режима с ограничением ускорения.

5. В результате анализа экспериментальных данных по оценки силы нормального давления в ловителях доказано хорошее согласие сигналов с датчиков усилий, расположенных на раме кабины и пружине ловителя.

6. Разработаны инженерные решения, оформленные в виде полезных моделей и изобретений, которые позволяют улучшить безопасность и надежность лифтов и подъемников за счёт увеличения тормозного пути, стабильности силы нормального давления и плавности торможения в случае аварийного торможения.

7. Результаты диссертационной работы используются в процессе дипломного проектирования и при выполнении курсовых проектов по дисциплинам «Лифты и подъемники» и «Неразрушающие методы испытаний» в Томском государственном архитектурно-строительном университете.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых издания, определенных ВАК Минобрнауки РФ:

а) научные статьи

1. Осипов, С.П. Способ определения параметров торможения лифтов и подъёмников на основе анализа потока фотоизображений [Текст] / С.П. Осипов, М.Ю. Попов, Р.В. Федяев, A.A. Косач // Технологии техно-сферной безопасности: интернет-журнал. - Вып. 4 (38). - 2011. - 9 с.-http://agps-2006.narod.ru/ttb/2011-4/12-04-1 l.ttb.pdf.

2. Осипов, С.П. Многопараметрическая математическая модель процесса плавного торможения лифтов [Текст] / С.П. Осипов, М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Механизация строительства. - 2012. - № 2. - С. 24-26.

3. Осипов, С.П. Алгоритмы оценки параметров торможения лифтов [Текст] / С.П. Осипов, М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Подьемно-транспортные дело. - 2012. - № 1. - С. 2-4.

4. Ананин, В.Г. Математическая модель процесса торможения лифтов и подъемников с упругой связью [Текст] / В.Г. Ананин, С.П. Осипов, ,М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Известия вузов. -2012 . - № 7-8. - С. 75-79.

б) авторские свидетельства, патенты и изобретения

5. Патент изобретение № 2444471 РФ, МПК В66В5/04. Система аварийного торможения кабины лифта. Попов М.Ю., Федяев Р.В. (РФ). -№ 2010119975/11; заявл. 18.05.2010; опубл. 10.03.2012.

6. Патент на полезную модель № 110364 РФ, МПК В66В5/04, В66В5/14. Система безопасности лифта. Попов М.Ю., Федяев Р.В. (РФ). -№2011124851/11, 17.06.2011. заявл. 17.06.2011; опубл: 20.11.2011.

7. Патент на полезную модель № 102000 РФ, МПК В66В5/04.Системы аварийного торможения кабины лифта (ВАРИАНТЫ). Попов М.Ю., Федяев Р.В. (РФ). - № 2010134875/11, заявл. 20.08.2010; опубл. 10.02.2011.

8. Патент на полезную модель № 127053 РФ, МПК В66В5/16. Интегрированная система безопасности лифта. Попов М.Ю., Федяев Р.В. (РФ). -№: 2012148686/11, заявл. 15.11.2012; опубл. 20.04.2013.

9. Патент на полезную модель № 132430 РФ, МПК В66В5/00. Устройство для определения параметров движения лифтов и подъемников на основе анализа потока фотоизображений». Осипов С.П., Попов М.Ю., Федяев Р.В., Фатеев Д.Г. (РФ). - №: 2013114261/11 заявл. 29.03.2013; опубл. 20.09.2013.

10. Патент на полезную модель № 85154 РФ, МПК В66В9/00, В66В11/00. ЛИФТ (ВАРИАНТЫ). Попов М.Ю., Федяев Р.В., (РФ). - №: 2009112636/22, заявл. 06.04.2009; опубл. 06.04.2009.

Публикации в журналах и научных сборниках:

П.Попов, М.Ю. Эксплуатационные дефекты лифтов и лифтового оборудования (статья) / М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Интерстроймех-2009: Материалы межд. Науч.-техн.конф. Самара: СГАСУ, 2009 - С. 249-250

12. Попов, М.Ю. Моделирование действия тормозной силы лифтовых ловителей плавного торможения [Текст] / М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Интер-строймех-2011: Материалы межд. Науч.-техн.конф. Могилев, 2011 - С. 180-185

13.Попов, М.Ю. Экспериментальное исследование процесса посадки лифта на ловители плавного торможения [Текст ] / М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Интерстроймех-2012: Материалы межд. науч.-техн. конф. Ижевск, 2012 - С.148-153.

14.0сипов, С.П. Обработка экспериментальных данных процесса посадки лифта на ловители плавного торможения [Текст] / С.П. Осипов, М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Интерстроймех-2013: Материалы межд. науч.-техн. конф. Новочеркасск, 2013 -С.261-265.

15.Попов, М.Ю. Особенности эксплуатации лифтов и лифтового оборудования [Текст] / М.Ю. Попов, Р.В. Федяев // Сборник науч. тр. ЛТИ / ТГАСУ, - Томск: ТГАСУ, 2009 - С. 65-68.

Подписано в печать 15.11.2013 Формат 60x84.

Бумага офсет. Гарнитура Тайме. Уч.— изд. л. 1,26 Тираж 100 экз. Заказ '

Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГАСУ», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Отпечатано, с оригинал-макета автора в ООП ФГБОУ ВПО «ТГАСУ».

634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.