автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование прибора для экспресс-диагностики лифтов в процессе их эксплуатации

На правах рукописи

ГОРОЖЕЕВ Максим Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРА ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ЛИФТОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.11.14 — Технология приборостроения

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005541921

Работа выполнена на кафедре «Технологии производства приборов и информационных систем управления летательных аппаратов» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ).

Научный руководитель: Суминов Вячеслав Михайлович,

доктор технических наук,

Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор

Официальные оппоненты: Чиркин Михаил Викторович,

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой электронных приборов ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Кулабухов Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, главный конструктор ОАО Московский научно-производственный комплекс «Авионика» имени О.В. Успенского

Ведущая организация: ОАО «Второй Московский приборостроительный завод»

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: 109240, г. Москва, Берниковская набережная, д. 14, строение 2, ауд. 602.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Автореферат разослан » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лифты являются наиболее массовым средством транспортирования людей и грузов и представляют собой сложные механо-электрические системы, управляемые в процессе эксплуатации различными категориями людей: взрослыми, детьми, инвалидами. В этой связи одним из важнейших показателей лифтов являются надежность и безопасность их работы.

Однако в настоящее время проблемы обеспечения надежности и безопасности лифтов значительно опережают темпы их технического переоснащения и модернизации. Так на 1 января 2004 г. в стране эксплуатировалось 433923 лифта, а в 2012 г. количество лифтов превысило значение 500 тысяч. В то же время средний процент лифтов выработавших срок службы изменился с 35 до 40% и продолжает расти в связи с тем, что нормативный срок службы согласно техническому регламенту составляет 25 лет, а наиболее массовый ввод их в эксплуатацию пришелся на 80-е годы прошлого века.

Одним из важнейших направлений в области эксплуатации и обслуживания лифтового хозяйства, в условиях его постоянного увеличения, стала безразборная диагностика состояния лифтов по кинематическим и динамическим характеристикам движущихся внутри шахт кабин с помощью инерциального метода измерения.

Техническая диагностика лифтов в процессе их эксплуатации с использованием инерциальных измерительных систем позволяет: полнее использовать межремонтный ресурс подсистем, агрегатов и узлов лифтов, устранить необоснованную разборку механизмов, сократить простой лифтов из-за технических неисправностей за счет прогнозирования и предупреждения отказов, снизить трудоемкость ремонта и технического обслуживания лифтов путем сокращения разборочно-сборочных работ и своевременного качественного выполнения регулировочных операций, уменьшить требования к квалификации оператора, проводящего процедуру контроля.

Контроль основных параметров технического состояния подсистем лифтов в эксплуатационных условиях инерциальным, безразборным методом позволит установить закономерности их изменений в зависимости от срока эксплуатации и с достаточной точностью прогнозировать их остаточный ресурс. Это обуславливает экономическую эффективность метода и способствует повышению эксплуатационной надежности и безопасности лифтов.

Исходя из вышеизложенного, поставленная задача разработки прибора для диагностики лифтов (ПДЛ), реализующего методику безразборного контроля механизмов путем измерения кинематических параметров движения, является актуальной.

Степень разработанности темы. На сегодняшний день разработан ряд устройств, производящих измерение кинематических параметров лифтов, как с использованием инерциального метода, так и без него. Тем не менее, существующие приборы для диагностики лифтов имеют серьезные недостатки - недостаточный диапазон измеряемых параметров, высокая погрешность измерений и др. Комплексных исследований по выявлению дефектов механизмов и узлов лифтов по параметрам их движения не проводилось, однако, существуют эмпирические исследования характеристик износа отдельных элементов, представленные в работах Волкова Д.П., Чутчикова П.И., Ионова A.A., Архангельского Г.Г., Федосеева В Н., Яновски JI. и др.

Объект исследования. Прибор, используемый для экспресс-диагностики состояния узлов и механизмов лифтов методом инерциального измерения кинематических параметров движения подвижных систем.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка, исследование и оценка технологических возможностей нового измерительного прибора для контроля состояния механизмов и узлов лифтов.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Провести обзор и сравнительный анализ методов и средств контроля состояния механизмов и узлов лифта, а также нормативных значений кинематических параметров движения подъемно-транспортных систем.

2. Построить математическую модель, описывающую отклонения выходных параметров движения кабины лифта от нормативных значений в зависимости от изменения состояния структурных элементов подвижной системы.

3. Выработать принцип построения диагностического прибора на основе выбора оптимальных структурных единиц.

4. Провести анализ возможных источников погрешностей измерений прибора и оценить их величину.

5. Разработать алгоритм работы программного обеспечения прибора, обеспечивающего обработку измеренных параметров движения.

6. Разработать и создать прибор для контроля состояния механизмов и узлов лифта по кинематическим характеристикам подвижной системы.

7. Осуществить апробацию прибора путем проведения экспериментальных исследований, подтверждающих заявленные технические характеристики и возможность оценки состояния структурных элементов.

8. Установить эмпирически наличие корреляционной зависимости между конкретным дефектом отдельного узла и изменением вида выходного сигнала.

Научная новизна работы:

• Впервые предложена новая методология анализа состояния элементов конструкции подъемных систем по кинематическим параметрам движения.

• Разработана математическая модель изменения кинематических характеристик кабины лифта, которая позволяет обосновать выбор оптимального интервала времени, при котором требуется проводить регламентные ремонтные работы.

• Проведены комплексные экспериментальные исследования, выявившие взаимосвязь определенного характера выходного сигнала и процессов эксплуатационного износа конкретных структурных узлов.

• Разработана методика получения эмпирико-статистических данных и дальнейшего анализа полученной информации с целью выявления тенденций возникновения отказов основных механизмов.

• Выработаны научно-обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению, калибровке и штатной эксплуатации прибора для диагностики лифтов.

• Выполнена аппаратная реализация кинематической диагностики состояния узлов подвижной системы на основе микромеханических сенсоров.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическую значимость работы составляют:

• математическая модель изменения кинематики движения кабины лифта под воздействием износа структурных элементов;

функциональная схема диагностического прибора и обоснование выбора его

компонентов;

алгоритм проведения экспериментальных исследований состояния элементов контролируемого объекта;

выявленная корреляционная взаимосвязь между износом конкретного узла и возникновением характерных изменений показаний выходных сигналов.

Практическую значимость работы составляют:

решение проблем диагностики состояния структурных элементов лифтов и кинематических параметров движущейся кабины безразборным методом измерения без временного вывода объекта из эксплуатации с упрощением процедуры контрольных операций;

• создание основанного на инерциальном методе измерения прибора для диагностики лифтов по таким параметрам, как ускорение, скорость, перемещение, значения которых меняются под воздействием износа структурных единиц;

алгоритмы и программное обеспечение системы получения и обработки

информации;

результаты экспериментальной оценки технологических возможностей

прибора.

Методология и методы исследования. Для достижения намеченной цели и решения поставленных задач были использованы методы: структурного и математического анализа, математического моделирования, теории принятия решений, теории измерений и измерительных преобразователей, вероятностно-статистической обработки результатов и оценивания параметров, разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Научно-обоснованная методология определения и принципы диагностики состояния механизмов лифта при его эксплуатации по измеренным инерциальным методом кинематическим параметрам кабины в процессе движения.

2. Математическая модель изменения кинематики движения кабины лифта в процессе эксплуатационного износа элементов подъемной системы.

3. Расчетно-аналитический метод определения передаточных коэффициентов влияния параметров состояния узлов и механизмов лифта на выходные сигналы.

4. Принцип построения инерциальных измерительных преобразователей кинематики движения с учетом нормативных требований к определяемым параметрам.

5. Опытный образец прибора для диагностики лифтов и прогнозирования параметров состояния структурных составляющих.

6. Результаты экспериментальной апробации и оценки технологических возможностей диагностического прибора, регламентированных требованиями к данному классу измерителей.

7. Комплекс алгоритмов получения и обработки информации прибора и программное обеспечение, предназначенное для пост-обработки данных на ПК и записи в микроконтроллер прибора.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена: результатами апробации разработанного диагностического прибора, применением современных методов анализа и синтеза, экспериментальными данными и соответствием полученной информации известным проверенным результатам, построением адекватной математической модели.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

• Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения». Москва, МАТИ, 2010-2013 гг.

• 6-ой международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, РГРТУ, 2013 г.

• Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии». Москва, МАТИ, 2010, 2012 гг.

• XV Международной научной конференции, посвященной памяти академика М.Ф. Решетнева. Красноярск, СибГАУ, 2011 г.

• 1 Форуме Союзного государства ВУЗов инженерно-технологического профиля. Белоруссия, Минск, БНТУ-МАТИ, 2012 г.

• Всероссийской научно-технической конференции «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами», Москва-Раменское, ГНЦ РФ ФГУП «ГосНИИАС», 2012 г.

Конкурсе инновационных проектов на тему: «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике». Королев, ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2012 г.

• Международном форуме «Технологии в машиностроении». Жуковский, 2012 г.

• Экспозиции «ВН и АТТМ» Международного авиационно-космического салона МАКС-2013. Жуковский, 2013 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 16 печатных трудах, в том числе в трех статьях рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и приложений. Материал изложен на 236 страницах иллюстрированных 74 рисунками, графиками и 35 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи работы и основные положения, выносимые на защиту. Определен объект исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проводится анализ состояния вопроса исследования, в ходе которого делается вывод о необходимости разработки нового прибора, призванного решить проблемы контроля параметров качества лифтов, обеспечения своевременного технического обслуживания подъемных машин, ускорения и упрощения процедуры диагностики.

Отмечена важность данной проблематики, которая подтверждается постоянным увеличением общего количества лифтов и ростом доли подъемников, требующих ремонта, модернизации или вывода из эксплуатации (рисунок 1). Приведена классификация и технические характеристики лифтов, номенклатура продукции отечественных производителей подъемного оборудования.

В разделе представлен обзор стандартов и нормативных актов, действующих в России, который позволил установить значения предельно-допустимых характеристик эксплуатационных режимов лифтов.

б) Состояние лифтового парка в Москве на 2012г.

Состояние лифтового парка в Санкт-Петербурге на 2012 г.

- общее количество лифтов

- количество пассажирских лифтов

- количество специальных лифтов

- количество лифтов, требующих модернизации или замены

Состояние лифтового парка в России на 2012г.

боа.......................................................................-................................

500 тыс

Рисунок 1 - Статистическая информация о состоянии лифтового парка в России

Проведенный анализ существующих приборов для контроля состояния отдельных узлов и лифтов в целом позволил выявить недостатки используемого оборудования такие, как малые диапазоны измеряемых характеристик, большие инструментальные погрешности, сложность процедуры диагностики, высокая стоимость.

На основании анализа установлено, что методология создания диагностического оборудования, функционирующего на безразборном инерциальном методе измерения, является актуальной, после чего проведена постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели формирования выходных кинематических параметров движения кабины лифта в зависимости от изменения состояния структурных элементов подъемной системы. В разделе обосновывается необходимость включения технологических и конструктивных факторов в начальные выходные характеристики подъемной системы, переход от физических параметров состояния узлов и механизмов к вероятностно-статистическим. Также в главе определены передаточные функции и усредненные значения коэффициентов влияния математической модели.

Выходные параметры кабины лифта, характеризующие качество системы в целом, формируются еще на этапе сборки и монтажа за счет действия комплекса конструктивно-технологических факторов, при этом соответствие подъемной системы требованиям нормативных документов подтверждается приемо-сдаточными испытаниями. Во время эксплуатации лифта внешние возмущающие факторы приводят к изменению его выходных характеристик, значения которых получают при измерении. Поэтому, чтобы спрогнозировать отказ лифта, необходимо учитывать влияние совокупности всех факторов, как сформированных в процессе монтажа при вводе в эксплуатацию (начальные условия), так и при его эксплуатации.

Таким образом, лифт можно представить в виде преобразующей системы, входными параметрами которой служат действующие конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы, оказывающие влияние на перемещение кабины в шахте, а выходными - кинематические параметры при ее перемещении.

Задача моделирования зависимости выходных амплитудно-частотных характеристик лифта от входных параметров относится к динамическим статистическим задачам и была решена в линейном приближении.

Изначально на основании принципа суперпозиции выходные параметры лифта были представлены в виде линейной комбинации уравнений формирующих факторов и их коэффициентов влияния, описанных в следующем матричном виде:

"1 "ко

«2 = "2.0 +

и, "/.0

Ьи Ь\1

Ьг\ Ь21

К Ьп

Ьг„

х1

У, ¿11 ¿12 • • К

Уг + ¿2, й1г . ■ ¿21 22

Ут 4, ап • ч

где щ...и/ - текущие значения выходных параметров лифта; и1.„...и/.0 - постоянные составляющие выходных параметров, определяющие точку функции, в окрестностях которой осуществляется линеаризация; х,, уь г, - соответственно, эксплуатационные, конструктивные и технологические факторы; Ьл, с,), - коэффициенты влияния соответствующих факторов, постоянные для данного участка линеаризации.

На основании математического описания процесса формирования выходных параметров движения в общем виде, была произведена его оптимизация. Конструктивные и технологические факторы, оказывающие на выходные сигналы постоянное по своему значению влияние, были включены в начальные составляющие кинематических параметров, и был осуществлен переход к реальным параметрам движения. Также был составлен

перечень структурных элементов лифта, износ или дефекты которых оказывают влияние на выходной сигнал. Математическое описание было представлено в следующем виде:

/=1

■V{t)=V0{t) + ±b2l.Xcxml(s)y (1)

1=1

S(t) = S00) + Zb3rXcocm,(s), i=l

где A(t), V(t), S(t) - выходные параметры, соответственно, ускорение, скорость, перемещение; Ao(t), Vo(t), So(t) - постоянные составляющие выходного сигнала (идеализированные функции ускорения, скорости, перемещения); Хсост ¡(s) - функция состояния i-oro элемента лифта (при ¡=1 - электродвигатель; 2- редуктор; 3- тормозное устройство; 4- канатоведущий шкив; 5- тяговые канаты, 6- двери шахты; 7- двери кабины; 8- рельсовые направляющие; 9- роликовые башмаки; 10- буфер; 11-ограничитель скорости; 12 - ловители); t - время измерения; s - параметр, характеризующий время от начала эксплуатации лифта или узла; b/i - коэффициент влияния эксплуатационных факторов (bfi=wrg/i); wi - весовой коэффициент; g,; - передаточная функция.

Постоянные составляющие выходного сигнала могут быть определены из идеализированных диаграмм движения и характеристик лифта, заявленных производителем

Рисунок 2 - Идеализированная диаграмма движения лифта

Ввиду того, что функции состояния элементов лифта должны представлять собой комплексные показатели качества узлов и механизмов, а выделить для этого конкретную физическую величину не представляется возможным, то такой характеристикой была выбрана функция вероятности возникновения неустранимого отказа, которая подчиняется нормальному закону распределения:

l + erf

V^1

(2)

где ц - математическое ожидание срока службы элемента; ст - стандартное отклонение распределения срока службы; егДх) - функция ошибок (функция Лапласа), формула вычисления которой представлена ниже;

= [е'^сЫ/ (3)

ыя Ъ

Обоснованность выбора нормального распределения определяется не только наличием большого количества (больше 10) погрешностей, но и соответствием теоретических выводов и практических измерений, рисунок 3.

а) б)

Рисунок 3 - Диаграммы теоретической (а) и экспериментальной (б) функций распределения

отказов канатов лифта

Усредненные значения параметров математической модели представлены в таблицах 1 и 2. В первой приведены значения параметров функции состояния, во второй формулы передаточных функций и весовые коэффициенты, характеризующий частоту отказов того или иного узла.

Таблица 1 - Статистические характеристики функции состояния

Наименование узла Характеристики распределения

Математическое ожидание Стандартное отклонение

Электродвигатель 10 5.6

Редуктор 9,2 3,8

Тормозное устройство 10 3.1

Канатоведущий шкив 5 2,3

Тяговые канаты 9 3,4

Двери шахты 20 8,2

Двери кабины 10 4,2

Рельсовые направляющие 35 14

Роликовые башмаки 5 2,6

Буфер 25 10,5

Ограничитель скорости 10 4,0

Ловители 11,6 5,3

Определение состояния конкретного узла лифта, таким образом, сводится к решению обратной задачи по усредненным значениям параметров, входящих в математическую модель.

В разделе рассматривается процедура получения идеализированных начальных характеристик движения кабины лифта. Для этого в программном пакете Ог^тРго была произведена аппроксимация экспериментальных данных при помощи модели Чеслера-Крама (4) и логарифмически нормальной модели (5). Выбор именно этих аппроксимирующих функций основан на их близости к теоретическим диаграммам движения и значительной

вариативности, что важно, если необходимо провести приближение кинематических характеристик лифта, находящегося длительное время в эксплуатации.

е С*2*£і) + В ■ (і - 0,5 • (1 - 1апЬ(/с2 • (х - хс2)))]

У = Уо + А ■

(4)

где А - высота пика; кг - скорость изменения гиперболического тангенса; хС2 - положение средней точки гиперболического тангенса; хс| - положение максимума пика гауссовской составляющей; XV - полуширина пика; В - амплитуда экспоненциальной составляющей; кз -скорость затухания экспоненциальной составляющей; Хсз - точка начала действия экспоненциальной составляющей; у0 - смещение выходного сигнала; х - входной параметр (время); у - выходная характеристика (ускорение).

А 'КГ (5)

У - Уо + ~7==--е 2"2 - ( ;

V 2л ■ V/ ■ х

где А - площадь, ограниченная кривой логнормальной функции; Хс — среднее значение; \¥ — стандартное отклонение распределения; уо - смещение выходного сигнала; х - входной параметр; у - выходная характеристика.

Результаты аппроксимации ускорения кабины лифта при разгоне представлены на рисунке 4

■ экспериментальная кривая

г

\

б)

Рисунок 4 - Графическое отображение аппроксимации экспериментальных данных функцией Чеслера-Крама при разгоне лифта а — не учитывается начальный пик; б — учитывается начальный пик

Построенная математическая модель позволяет решить задачу оценки текущего состояния механизмов лифта и производить рациональный выбор интервала между регламентными ремонтными работами.

В третьей главе приводятся результаты разработки диагностического прибора.

Для успешной аппаратной реализации прибора для контроля лифтов потребовалось подробно рассмотреть технические требования, предъявляемые к ПДЛ: диапазоны измерений контролируемых величин, эргономичность, надежность, малые габариты и масса, устойчивость к внешним воздействующим факторам.

В разделе был осуществлен выбор оптимальных структурных элементов, основывающийся на критериях точности, достаточности функциональных возможностей и показателей качества, невысокой стоимости.

Поскольку точность измерений зависит от характеристик чувствительного элемента, то особое внимание было уделено именно его выбору. Моделью, которая удовлетворяла поставленной задаче, являлся трехосный микромеханический акселерометр (ММА) ADXL 330 фирмы Analog Devices.

Как видно из представленных диаграмм характеристик ММА (рисунки 5 и 6), погрешности и нелинейности параметров ЧЭ должны быть алгоритмически скомпенсированы.

-30 -20 -10

10 20 30 40 50 60 70 ТЕМПЕРАТУРА. °С

Рисунок 5 - Изменение крутизны выходной

характеристики от температуры при напряжении питания ЗВ для 8 экземпляров акселерометров

1.42 1.44 1.46 1.43 1.50 1.52 1.54 1.56 1.50 ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ, В

Рисунок 6 - Плотность распределения выходного напряжения с канала 2 при нормальных условиях и напряжении питания ЗВ

Итоги выбора структурных компонентов прибора и их основные параметры приведены в таблице 3, а внешний вид прибора на рисунке 7.

Рисунок 7 - Общий вид прибора для контроля лифтов 13

Таблица 3 - Перечень комплектующих, использованных в приборе

Наименование Назначение Производитель Технические характеристики

BOS 500 34500000 Корпус BOPLA 120x60x27 мм

PC 1602LRS-KNH-B-Y4 Жидкокристаллический дисплей POWHRT1P 53x20x8,6 мм

FT50012D70345012 Клавиатура гибкая мембранная BOPLA 40x40x12 мм

ADXL330KCP Трехосный акселерометр Analog Devices Диапазон^; 1В Точность-0.01 g

LPC2106FHN48 Микропроцессор Philips 60 МГц, р-32, 256 Кбайт, ОЗУ-64 Кбайт

LPC2138FBD64 Микропроцессор Philips 60 МГц, р-32, 512 Кбайт, ОЗУ-64Кбайт

AD7687BRM АЦП Analog Devices 16 разрядный

K9F1G08UOA-PIBO Флеш-память Samsung 1 Гбит

ADM101SART Драйвер RS-232 Analog Devices 115 кбит/с

CP 102 Драйвер USB Laboratories 400 кбит/с

AD7814ART Термодатчик Analog Devices (-55+125)°С±2°С

ADR423ARM Стабилизатор напряжения Analog Devices 5 В ± 10-6

Camelion NH-9V250BP1 Аккумуляторная батарея Camelion 9 V

Veribor BO 602.12 Пневматический прижим Bohle 0120 мм, груз до 60 кг, масса 0,7 кг

Важной процедурой, призванной минимизировать погрешности измерений прибора, является калибровка. Методика ее проведения подробно излагается в диссертационной работе.

Итогом проведения калибровки является получение калибровочных коэффициентов, вносимых в память микропроцессоров прибора и используемых для вычисления действующих на кабину лифта ускорений.

После изготовления опытной партии прибора были оценены их технические характеристики, которые составили: • диапазон измеряемых скоростей движения лифта:

- в номинальных режимах ..................................................................0±10м/с

- при испытаниях на ударную прочность ................................................0±20м/с

• диапазон измеряемых ускорений:

- в номинальных режимах ..................................................................0±3м/с2

- при испытаниях на ударную прочность .............................................0±30м/с2

• диапазон измеряемых динамических усилий .......................................0± 35000Н

• диапазон измеряемых поперечных смещений..........................................0± 50 мм

• погрешность измерений ...........................................................................5%

• потребляемая мощность .....................................................................<3,0 Вт

Четвертая глава подробно рассматривает алгоритмы, реализованные в программно-математическом обеспечении (ПМО) прибора, включающем технологическое, приемосдаточное и штатное ПМО. Структура программно-математического обеспечения представлена на рисунке 8. Технологическое ПМО и ПМО приемо-сдаточных испытаний относятся к автоматизированным рабочим местам и записываются в их персональные компьютеры.

ПМО штатной работы прибора разделяется по своему функциональному назначению и по аппаратной платформе, на которую проводится инсталляция, и включает:

• рабочую программу, записанную в микропроцессоры прибора, с помощью которой осуществляется управление работой прибора, сбор и оперативная обработка информации о параметрах движения лифта, представление этой информации на дисплее прибора и запись в Р^И-память;

• программу постобработки результатов измерений прибора и представления полученной информации в виде, удобном для ее анализа - таблиц, графиков. Эта программа записывается в персональный компьютер стационарного рабочего места или переносной ПК (ноутбук) оператора, а ее исходной информацией являются результаты измерений, записанные в Р1аз11-памяти прибора.

Рисунок 8 - Состав программно-математического обеспечения прибора

Рабочая программа содержит код, требуемый для расчета линейных ускорений и параметров движения кабины лифта. Перечень основных выполняемых программой действий включает: цифровую фильтрацию сигналов, вычисление температуры окружающей среды и в соответствии с ней коррекцию масштабных коэффициентов и нулевых сигналов, уточнение значений ускорений, определение нулевого уровня сигнала, запись углов выставки, вычисление и вывод на экран максимальных скорости и ускорения.

Программа постобработки решает комплекс различных задач: осуществляет работу с базами данных, полученными в ходе измерения, компенсирует погрешности сигнала, связанные с первоначальной выставкой прибора и отклонениями кабины от горизонтали при движении, вычисляет скорость и перемещение путем однократного и двукратного интегрирования ускорения по времени, а также визуализирует экспериментальные данные благодаря построению графических диаграмм кинематических параметров.

Разделение функциональной нагруженности ПМО штатной работы требует нести существенную вычислительную нагрузку микроконтроллеры прибора, например,

производить цифровую фильтрацию сигналов благодаря приближенному интегрированию по правилу Уэддла (рисунок 9).

На основании разработанных в диссертационной работе алгоритмов составлены управляющие программы, устанавливаемые на диагностический прибор и на персональный компьютер АРМ оператора.

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма цифровой фильтрации данных и%.у.г(По), ит(п0) - напряжения, пропорциональные ускорению и температуре; п„ - частота опроса датчиков; 5(0 - интегральная сумма; 1 - счетчик тактов

В пятой главе проводится исследование причин образования доминирующих погрешностей ПДЛ и оценка его точности.

Анализ показал, что главным источником погрешностей измерений является чувствительный элемент (акселерометр), неточности показаний которого обусловлены следующими факторами: нескомпенсированностью нулевого сигнала, температурной зависимостью нулевого сигнала, температурной зависимостью крутизны выходной характеристики, зависимостью от нестабильности напряжения питания, наличием перекрестных связей между осями чувствительности акселерометра. Дана оценка величине суммарной погрешности измерений акселерометра, составляющая 3,75%.

Была оценена суммарная погрешность измерений ПДЛ, складывающаяся из погрешностей акселерометра, выставки прибора и отклонений кабины лифта в пространстве из-за зазоров в направляющих. Она составила 4,2%, при допустимом значении 5%.

Шестая глава является отражением экспериментальной апробации и оценки технологических возможностей прибора.

Для экспериментальных исследований и внедрения прибора была изготовлена опытная партия из четырех экземпляров. Для проведения апробации ПДЛ в экспериментальных исследованиях была разработана методика, призванная максимально повысить вероятностно-статистическую достоверность данных и снизить погрешности, определяемые начальными условиями.

Основным требованием при проведении эксперимента является соблюдение диапазона допустимых угловых отклонений измерительных осей ±0,5° во время жесткого крепления устройства к полу, потолку или стенкам кабины лифта (рисунок 10).

Достоверность данных, представленных в диссертационной работе, достигается также за счет требования к числу повторений эксперимента (5-10 раз), что исключает случайные погрешности измерений. Для исключения из полезного сигнала постоянных составляющих, обусловленных температурным дрейфом нуля, вариацией величины ускорения свободного падения на различных широтах и др., в приборе предусмотрен алгоритм «обнуления», функционирующий за счет проведения измерения до начала движения кабины (входной сигнал отсутствует) и вычитания этих значений из итогового измерения.

Для выявления типовых дефектов были произведены исследования 50 пассажирских лифтов одного типа, имеющих различный ресурс работы, степень износа узлов, эксплуатирующихся в многоэтажных строениях (12-16 этажей) в различных климатических условиях (Москва, Санкт-Петербург). Для получения наиболее полной оценки было проведено по десять циклов измерений каждого конкретного подъемника. В ходе

Лверь лифта

Кабнна лифта

Прибор

Рисунок 10 - Крепление прибора к потолку кабины лифта

проведенных исследований прибора были подтверждены его технические характеристики и возможности по диагностике дефектов, возникающих в различных узлах и механизмах лифтов.

Результаты анализа типовых проявлений износа структурных элементов лифтов представлены в диссертационной работе. Установлено, что превышение ускорением значения 2 м/с2 при остановке кабины свидетельствует об износе накладок тормоза лифта, что было подтверждено в ходе ремонтно-профилактических работ (рисунок 11). Отклонение номинальной скорости от нормативных значений стало следствием повреждения обмоток статора электродвигателя (рисунок 12). Возникновение локального пика ускорения при движении лифта обусловлено смещением головок направляющих в месте стыка, что проявляется в небольшом «толчке» при соприкосновении роликов башмаков со «ступенькой» рельсов (рисунок 13).

ГП'ЗШ................Линейные ускорения

Г д> □ I » * ■,

А

Пиковое ускорен

йе во зремя торможения

1

7

Ь(и)

10 11 12 13

¡0.1362 ¡137495

Рисунок 11 - Графическое отображение ускорения при превышении допустимых значений

Линейные скорости, {¡и/сек.)

Л5Ш (и- • 0.2-........

.....I

Г* V* Г Уу I? V*

и -г 0-'

ш

: Гсек)

10: 11 !2

Рисунок 12 - Графическое отображение скорости при недопустимых отклонениях значений |Ш7 Линейные ускорения, (м / сек. в кв.)

Г А» Щ ^

рй я]

1» 11 12: 13£;

|01Э56 . 13 5887

Рисунок 13 - Графическое отображение ускорения при прохождении стыка направляющих

Данные примеры демонстрируют достоверные результаты контроля подъемно-транспортных устройств при использовании прибора для диагностики лифтов.

Экспериментальная апробация прибора, также позволила сопоставить графики, являющиеся отражением кинематических параметров лифтов, с реально диагностированными отклонениями в работе узлов и механизмов и выявить их взаимосвязь (рисунок 14). В целом возникновение во время эксплуатации типовых неисправностей происходит по идентичным сценариям развития, что дает возможность зафиксировать и систематизировать группы повторяющихся дефектов лифтов.

Исходя из апробации ПДЛ, были выявлены его технологические преимущества, связанные с выявлением тенденций к выходу из строя лифтов на ранних этапах возникновения дефектов, значительным продлением срока их эксплуатации, определением остаточного ресурса подъемных устройств, сокращением расходов на обслуживание и обеспечением их безопасного функционирования. Прибор для диагностики лифтов успешно прошел ведомственные испытания и получил положительные отзывы специалистов.

В седьмой главе проводится оценка перспективных возможностей использования ПДЛ в различных отраслях промышленности. Помимо лифтов прибор может контролировать состояние: эскалаторов, траволаторов, фуникулеров, дорожного покрытия, платформ для маломобильных групп граждан, шахтных, автомобильных и строительных подъемников. Технические характеристики ПДЛ соответствуют требованиям к проведению диагностики указанных подъемно-транспортных систем, представленных в таблице 4, что значительно расширяет область его применения и придает ему статус универсального устройства.

В заключении подведены основные итоги (выводы) диссертационной работы.

В приложениях приведены конструкции узлов лифтов, их основные технические характеристики в виде таблиц, перечень методов оценки соответствия параметров подъемных устройств, текст программы постобработки для корректировки измеренных параметров движения и вывода их в графическом виде, диаграммы кинематических характеристик, полученные в ходе апробации прибора.

Лифт

Консгрукгивные

Лоосдк.«

Тяговой каиа» Ридукюр Знектродвшате

Тормозное устройство

«I...................

_1]

Пвобсй 1>эак<-и>ч!

Кмисаыамм!««*! МехйсЯкаОе

| Эликтро-магии I паи и управлении

; ОтрЗмичитепь Эне«рОМ0ХЗМИчеСКО8 ! ; скорости ре те

:■•! Направляющие -

Износ элементов и формы отказов |

; Трансформаторы I

-] Люйсй ../>>.»/";

• JOK.-cne.OT

: М««Ду ЯМ/рйи к <фм«Л ■

Форма проявления износа конструктивных элементов в процессе эксплуатации

Среднестатистическое число отказов узлов лифта в % от общего числа отказов

Лебедка - 5.9%

Кабина и автоматический Электромагнитная системе Двер*-«ахты •■ 32 1% Прочие уэпы (огрзнкчитепь скорости,

привод дверей - 32.1% управления - 29.1% ' ' иатяжное устройство, противовес; -0.8%

Рисунок 14-Связь износа конструктивных элементов с кинематическими характеристиками

Таблица 4 - Нормативные значения параметров движения различных видов транспорта

Вид транспорта Нормативные значения кинематических параметров

Поэтажные и тоннельные эскалаторы (метрополитен)и траволаторы Номинальная скорость <0,5-0,75 м/с. Ремонтная скорость <0,04 м/с. Отклонение скорости незагруженного полотна — не более 5%. Отключение при превышении скорости не более чем на 20%. Ускорение полотна эскалатора при пуске <0,6 м/с2; при разгоне -0,75 м/с2. Замедление не более 0,6 м/с2 (спуск); 1,0 м/с2 (подъем).

Шахтные подъемники Точность остановки кабины (с рельсовыми путями 15 мм, без-50 мм). Для вертикальных подъемов ускорение не более 0,75 м/с2. Скорость равномерного движения сосуда не более 0,5 м/с. Ускорение при пуске и остановке не более 0,3 м/с2.

Автомобильные подъемники Максимальная скорость опускания и подъема не более 0,1 м/с. Отклонения высоты подъема стоек или плунжеров не более 10%.

Фуникулеры и канатные дороги Номинальная скорость вагонов не более 3 м/с (линии с разъездом); не более 5 м/с (линии без разъездов); 0,5 м/с в пределах посадочных площадок. Превышение скорости не более 20%. Ускорение при пуске (остановке) не более 0,5 м/с2. Буферы в пунктах остановки должны обеспечивать торможение с ускорением 9,81 м/с2. Ускорение при аварийном торможении не более 5 м/с2.

Подъемные платформы для инвалидов Точность остановки платформы в пределах ±15 мм. Номинальная скорость платформы не более 0,15 м/с; на прямолинейных участках длиной более 15 м - не более 0,3 м/с.

Строительные подъемники Ускорение кабины в режиме эксплуатации не больше 4 м/с2. Скорость кабины при ревизии не более 0,4 м/с. Ограничитель скорости должен срабатывать при скорости кабины больше номинальной в диапазоне от 15% и до 40%. Замедление кабины для ловителей (посадке на буфер) не более 25 м/с2. Допускается превышение этих величин на время <0,04 с. Среднее замедление кабины не более 10 м/с2.

Контроль дорожного покрытия Повреждения покрытия не более 0,3; 1,5 или 2,5 м2 на 1000 м2, для группы дорог А, Б, В; в весенний период не более 1,5; 3,5; 7,0 м2. Предельные размеры отдельных просадок, выбоин и т.п. не должны превышать по длине 150 мм, ширине - 600 мм и глубине - 50 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в рамках диссертационной работы исследований получены следующие основные результаты:

1. Дана оценка состояния лифтового парка страны. Показано, что в настоящее время в эксплуатации находится более 500 тысяч лифтов разного назначения, при этом 35-40% лифтов выработали свой ресурс и требуют модернизации или замены.

2. Показано, что диагностическое оборудование для оценки работоспособности лифтов не соответствует в большинстве случаев критериям обеспечения надежности и безопасности лифтов и требует разработки новой концепции по созданию диагностических приборов, работающих на новой элементной базе при использовании микромеханической,

электронной, вычислительной техники. В свете данной концепции должна обеспечиваться диагностика лифтов в рабочем режиме без разбора подъемно-транспортных устройств при невысоких требованиях к квалификации оператора.

3. Сформулирован теоретический подход и разработана научно-обоснованная методика по созданию прибора на базе инерциальной системы, что обеспечит повышение надежности и безопасности лифтов, устранит необоснованный разбор механизмов, снизит трудоемкость ремонта, технического обслуживания и выполнения регламентных операций над лифтом, что значительно продлит его ресурс.

4. Создана математическая модель формирования выходного кинематического сигнала кабины лифта, позволившая установить, что: изменение состояния структурных элементов подъемно-транспортной системы влияет на характеристики ее движения; формирование дефектов узлов лифта происходит преимущественно на этапе эксплуатации и подчиняется нормальному закону распределения; отклонения состояния структурных единиц лифта, возникшие на этапе изготовления и монтажа, не могут быть исключены и должны учитываться в эталонном выходном сигнале.

5. Разработана математическая модель позволившая: решить задачу оценки текущего состояния и процента износа механизмов и узлов лифта, прогнозировать остаточный ресурс устройств и производить оптимальный выбор времени проведения регламентных ремонтных работ; заложить теоретические основы методологии диагностики подъемно-транспортных систем.

6. Разработаны алгоритмы, которые определяют функциональную нагруженность и содержание кода программно-математического обеспечения. На базе данных алгоритмов осуществлена реализация ПМО в виде программы - приложения Win32, написанного на алгоритмическом языке С++ в интегрированной среде разработки Microsoft Visual Studio.

7. Осуществлен выбор элементной базы разрабатываемого устройства, исходя из требований точности, величины шумовой составляющей, нелинейности выходных характеристик, потребляемого напряжения и др., на основе которого произведена опытная партия приборов для экспресс-диагностики лифтов.

8. Произведена оценка суммарной погрешности прибора, составившая 4,2%, при допустимом значении 5%.

9. Разработана методика проведения диагностики состояния лифтов, рекомендации которой основываются на требованиях к достоверности, статистической значимости и максимального снижения систематических и случайных погрешностей измерений.

10. В соответствии с разработанной методикой произведена экспериментальная апробация прибора, подтвердившая результаты математического моделирования и заявленные технические характеристики.

П. Осуществлен анализ перспективных направлений использования разработанного прибора для диагностики качества функционирования транспортного оборудования в различных отраслях промышленности, продемонстрировавший широкие возможности по его применению.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

I. Журналы из списка ВАК

1. Суминов, В. М. Автономный прибор для контроля и диагностики подъемно-транспортного оборудования [Текст] / В. М. Суминов, В. И. Акилин, В. И. Галкин, М. Ю. Горожеев // Технология машиностроения - М., 2013. - № 3 (129). - С. 48-52.

2. Горожеев, М. IO. Параметрическая идентификация погрешностей измерительной системы по текущему состоянию чувствительного элемента [Текст] / М. Ю. Горожеев // Приборы. - М. : ООО «Подольская периодика», 2013. -№ 6. - С. 48-51.

3. Суминов, В. М. Автономный прибор для экспресс-контроля качества пассажирских лифтов жилых и административных зданий [Текст] / В. М. Суминов, В. И. Акилин, В. И. Галкин, А. В. Молчанов, М. Ю. Горожеев II Приборы. - М. : ООО «Подольская периодика», 2010.-№ 5.-С. 7-11.

II. Прочие работы

4. Горожеев, М, Ю. Инерциальное определение состояния конструктивных элементов лифтов [Текст] / М. Ю. Горожеев // Тезисы докладов 6-й международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика»/ Рязан. гос. радиотехн. университет. - Рязань: ООО «Политех», 2013. — С. 197-199.

5. Суминов, В. М. Разработка микромеханической измерительной системы [Текст] / В. М. Суминов, М. Ю. Горожеев // Информационно-измерительные и управляющие системы военной техники : материалы 111 Всероссийской научно-технической конференции. — Владимир : Издательство РАРАН, 2012. - С. 191-193.

6. Горожеев, М. Ю. Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях [Текст] / М. Ю. Горожеев // Мир измерений. — М. : ООО «РИА Стандарты и качество», 2010. - № 10. - С. 14-17.

7. Суминов, В. М. Разработка микромеханической измерительной системы [Текст] / В. М. Суминов, М. Ю. Горожеев // Новые материалы и технологии - НМТ-2012 : материалы Всероссийской научно-технической конференции / МАТИ. — М. : МАТИ, 2012. - С. 227-229.

8. Суминов, В. М. Разработка прибора для диагностики подъемно-транспортного оборудования [Текст] : в 3 т. / В. М. Суминов, М. Ю. Горожеев // Новые материалы и технологии - НМТ-2010 : материалы Всероссийской научно-технической конференции : / МАТИ. - М. : ИЦ МАТИ, 2010. - Т. 2. - С. 102.

9. Суминов, В. М. Разработка прибора для экспресс-контроля качества подъемно-транспортного оборудования [Текст] / В. М. Суминов, В. И. Акилин, М. Ю. Горожеев II Молодежные идеи и проекты : материалы встречи молодых ученых I форума Союзного государства ВУЗов инженерно-технологического профиля. - Минск, 2012. - С. 11-12.

10. Суминов, В. М. Автономный прибор для экспресс-контроля кинематических параметров подвижных объектов [Текст] / В. М. Суминов, В. И. Акилин, М. Ю. Горожеев, В. И. Галкин II Навигация, наведение и управление летательными аппаратами : тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. - М. ООО Издательство «Научтехлитиздат», 2012. - С. 259-261.

11. Суминов, В. М. Автономный прибор для экспресс-контроля качества подъемно-транспортных устройств зданий и сооружений [Текст] : в 2 ч. / В. М. Суминов, И. В. Суминов, В. И. Акилин, М. Ю. Горожеев // Решетневские чтения : материалы XV междунар.

науч. конф., посвящ. памяти генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск : ИП Буймова М. В., 2011. - Ч. 2. - С. 588-589.

12. Горожеев, М. Ю. Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях [Текст] / М. Ю. Горожеев // Промышленный Казахстан. - Алматы. : ТОО ИК «Бизнес Медиа», 2012. - № 8(80). - С. 26-27.

13. Горожеев, М. Ю. Идентификация погрешностей навигационных приборов [Текст] : в 9 т./ М. Ю. Горожеев // XXXIX гагаринские чтения : научные труды международной молодежной научной конференции / МАТИ. - М. : МАТИ, 2013. - Т. 3. - С. 72-73.

14. Горожеев, М. Ю. Методика диагностики технического состояния подъемно-транспортного оборудования [Текст] : в 8 т. / М. Ю. Горожеев // XXXVIII гагаринские чтения : научные труды международной молодежной научной конференции / МАТИ. — М. : МАТИ, 2012.-Т. З.-С. 50.

15. Горожеев, М. Ю. Автономный прибор для экспресс-контроля подъемно-транспортного оборудования [Текст] : в 8 т. / М. Ю. Горожеев // XXXVII гагаринские чтения : научные труды международной молодежной научной конференции / МАТИ. - М. : МАТИ, 2011.-Т. З.-С. 67.

16. Горожеев, М. Ю. Разработка автономного прибора для экспресс-контроля лифтов жилых и административных зданий [Текст] : в 8 т. / М. Ю. Горожеев // XXXVI гагаринские чтения : научные труды международной молодежной научной конференции / МАТИ. - М. : МАТИ, 2010.-Т. З.-С. 72-73.

Подписано в печать: 19.11.2013 г. Тираж: 100 экз. Заказ № 90 Объем: 1 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Аспект» г. Москва, ул. Земляной вал, д. 48 8(495)917-21-00, www.aspekt.ru

МИНИСТРЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского»

На правах рукописи

04201451605

Горожеев Максим Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРА ДЛЯ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ЛИФТОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.11.14 — Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.М. Суминов

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

1. Состояние вопроса и постановка задачи...................................................13

1.1. Классификация лифтовых подъемно-транспортных систем и их технические характеристики..................................................................................13

1.2. Основные требования к лифтовым подъемно-транспортным системам и диагностика их работоспособности.......................................................................23

1.3. Состояние лифтового парка в России...........................................................41

1.4. Постановка задачи исследования..................................................................47

2. Разработка математической модели формирования кинематических параметров движения кабины лифта................................................................49

2.1. Модель изменения выходных параметров в зависимости от состояния узлов лифта.............................................................................................................49

2.2. Определение начальных выходных характеристик.....................................62

2.3. Выводы...........................................................................................................69

3. Обоснование концепции разработки прибора для экспресс-диагностики лифтов (ПДЛ).................................................................................71

3.1. Основные технические требования к прибору ПДЛ....................................71

3.2. Выбор конструктивных элементов прибора в зависимости от их технических характеристик....................................................................................73

3.2.1. Выбор чувствительного элемента прибора............................................73

3.2.2. Выбор устройств блока индикации и управления (БИУ) прибора.......79

3.2.3. Выбор АЦП..............................................................................................81

3.2.4. Выбор микропроцессора прибора...........................................................82

3.2.5. Выбор корпуса прибора..........................................................................83

3.2.6. Выбор механизма крепления прибора в процессе эксплуатации.........84

3.2.7. Конструкция прибора..............................................................................85

3.3. Принцип действия прибора...........................................................................87

3.4. Разработка методики калибровки прибора..................................................91

3.5. Алгоритм работы прибора.............................................................................97

3.6. Выводы...........................................................................................................99

4. Программно-математическое обеспечение............................................100

4.1. Требования к программному обеспечению прибора.................................100

4.2. Разработка программы проведения измерений..........................................104

4.3. Разработка программы постобработки результатов измерений...............121

4.4. Выводы.........................................................................................................129

5. Исследование причин образования доминирующих погрешностей ПДЛ и оценка точности прибора.....................................................................130

5.1. Исследование причин образования основных погрешностей...................130

5.1.1. Определение конструктивно-технологических погрешностей прибора, обусловленных чувствительным элементом прибора.....................................130

5.1.2. Погрешность выставки прибора в кабине лифта.................................133

5.1.3. Погрешность, обусловленная зазорами в направляющих лифта........134

5.1.4. Суммарная погрешность прибора.........................................................135

5.2. Выводы.........................................................................................................136

6. Экспериментальная оценка состояния лифтов в соответствии с эксплуатационными требованиями на базе прибора ПДЛ.......................137

6.1. Разработка методики проведения эксперимента.......................................137

6.2. Прогнозирование остаточного ресурса лифтов, исходя из их технического состояния...............................................................................................................141

6.3. Выводы.........................................................................................................156

7. Оценка перспективных возможностей использования прибора ПДЛ

в различных отраслях промышленности.......................................................157

7.1. Диагностика транспортных систем различного назначения.....................157

7.2. Выводы.........................................................................................................163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................180

Приложение А..........................................................................................................181

Приложение Б...........................................................................................................182

Приложение В..........................................................................................................187

Приложение Г...........................................................................................................198

Приложение Д..........................................................................................................228

ВВЕДЕНИЕ

Лифты являются наиболее массовым средством транспортирования людей и грузов и представляют собой сложные механо-электрические системы, управляемые в процессе эксплуатации различными категориями людей: взрослыми, детьми, инвалидами. В этой связи одним из важнейших показателей лифтов являются надежность и безопасность их работы.

Однако в настоящее время проблемы обеспечения надежности и безопасности лифтов значительно опережают темпы их технического переоснащения и модернизации. Так на 1 января 2004 г. в стране эксплуатировалось 433923 лифта [73], а в 2012 г. количество лифтов превысило значение 500 тысяч. В то же время средний процент лифтов выработавших срок службы изменился с 35 до 40% [74] и продолжает расти в связи с тем, что нормативный срок службы согласно техническому регламенту составляет 25 лет, а наиболее массовый ввод их в эксплуатацию пришелся на 80-е годы прошлого века.

Рост количества лифтов, выработавших свой ресурс, вызван тем, что в реальных условиях эксплуатации лифтов они подвергаются воздействию статических, динамических, циклических нагрузок, температурных перепадов, различным по степени агрессивности коррозийных сред, а совокупность этих и других факторов приводит к изменению геометрических характеристик элементов подъемно-транспортных систем лифтов. Кроме того, в данных элементах конструкций почти всегда присутствуют дефекты, полученные при изготовлении, эксплуатации, монтаже лифтов, что способствует появлению локальных зон износа или деформации, наиболее опасные из которых могут привести к разрушению узлов системы. Учесть все эти факторы расчетными методами не представляется возможным из-за неопределенностей в исходных данных, упрощения расчетных схем, выбора метода расчета и т.д.

Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что одним из важнейших направлений в области эксплуатации и обслуживания лифтового хозяйства, в условиях его постоянного увеличения, стала безразборная

диагностика состояния лифтов по кинематическим и динамическим характеристикам движущихся внутри шахт кабин с помощью инерциального метода измерения.

Техническая диагностика лифтов в процессе их эксплуатации с использованием инерциальных измерительных систем позволяет: полнее использовать межремонтный ресурс подсистем, агрегатов и узлов лифтов, устранить необоснованную разборку механизмов, сократить простой лифтов из-за технических неисправностей за счет прогнозирования и предупреждения отказов, снизить трудоемкость ремонта и технического обслуживания лифтов путем сокращения разборочно-сборочных работ и своевременного качественного выполнения регулировочных операций, уменьшить требования к квалификации оператора, проводящего процедуру контроля.

Контроль основных параметров технического состояния подсистем лифтов в эксплуатационных условиях инерциальным, безразборным методом позволит установить закономерности их изменений в зависимости от срока эксплуатации и с достаточной точностью прогнозировать их остаточный ресурс. Это обуславливает экономическую эффективность метода и способствует повышению эксплуатационной надежности и безопасности лифтов.

Исходя из вышеизложенного, поставленная задача разработки прибора для экспресс-диагностики лифтов, реализующего методику безразборного контроля механизмов путем измерения кинематических параметров движения, является актуальной.

Степень разработанности темы. На сегодняшний день разработан ряд устройств, производящих измерение кинематических параметров лифтов, как с использованием инерциального метода, так и без него. Тем не менее, существующие приборы для диагностики лифтов имеют серьезные недостатки -недостаточный диапазон измеряемых параметров, высокая погрешность измерений и др. Комплексных исследований по выявлению дефектов механизмов и узлов лифтов по параметрам их движения не проводилось, однако, существуют эмпирические исследования характеристик износа отдельных элементов.

представленные в работах Волкова Д.П., Чутчикова П.И., Ионова A.A., Архангельского Г.Г., Федосеева В.Н., Яновски J1. и др.

Объект исследования. Прибор, используемый для экспресс-диагностики состояния узлов и механизмов лифтов методом инерциального измерения кинематических параметров движения подвижных систем.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка, исследование и оценка технологических возможностей нового измерительного прибора для контроля состояния механизмов и узлов лифтов.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1.Провести обзор и сравнительный анализ методов и средств контроля состояния механизмов и узлов лифта, а также кинематических параметров движения.

2.Построить математическую модель, описывающую отклонения выходных параметров движения кабины лифта от нормативных значений в зависимости от изменения состояния структурных элементов подвижной системы.

3.Выработать принцип построения диагностического прибора на основе выбора оптимальных структурных единиц.

4.Провести анализ возможных .источников погрешностей измерений прибора и оценить их величину.

5. Разработать алгоритм работы программного обеспечения прибора, обеспечивающего обработку измеренных параметров движения.

6.Разработать и создать прибор для контроля состояния механизмов и узлов лифта по кинематическим характеристикам подвижной системы.

7.Осуществить апробацию прибора путем проведения экспериментапьных исследований, подтверждающих заявленные технические характеристики и возможность оценки состояния структурных элементов.

8.Установить эмпирически наличие взаимосвязи между конкретным дефектом отдельного узла и изменением вида выходного сигнала.

Научная новизна работы:

• Впервые предложена новая методология проведения анализа состояния элементов конструкции подъемных систем по кинематическим параметрам движения.

• Разработана математическая модель изменения кинематических характеристик кабины лифта, которая позволила обосновать выбор оптимального интервала времени, при котором требуется проводить регламентные ремонтные работы.

• Проведены комплексные экспериментальные исследования, выявившие взаимосвязь определенного характера выходного сигнала и процессов эксплуатационного износа конкретных структурных узлов.

• Разработана методика получения эмпирико-статистических данных и дальнейшего анализа полученной информации с целью выявления тенденций возникновения отказов основных механизмов.

• Выработаны научно-обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению, калибровке и штатной эксплуатации прибора для диагностики лифтов.

• Выполнена аппаратная реализация кинематической диагностики состояния узлов подвижной системы на основе микромеханических сенсоров.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическую значимость работы составляют:

• математическая модель изменения кинематики движения кабины лифта под воздействием износа структурных элементов;

• функциональная схема диагностического прибора и обоснование выбора его компонентов;

• алгоритм проведения экспериментальных исследований состояния элементов контролируемого объекта:

• выявленная корреляционная взаимосвязь между износом конкретного узла и возникновением характерных изменений показаний выходных сигналов.

Практическую значимость работы составляют:

• решение проблем диагностики состояния структурных элементов лифтов и кинематических параметров движущейся кабины безразборным методом измерения без временного вывода объекта из эксплуатации с упрощением процедуры контрольных операций;

• создание основанного на инерциальном методе измерения прибора для диагностики лифтов по таким параметрам, как ускорение, скорость, перемещение, значения которых меняются под воздействием износа структурных единиц;

• алгоритмы и программное обеспечение системы получения и обработки информации;

• результаты экспериментальной оценки технологических возможностей прибора.

Методология и методы исследования. Для достижения намеченной цели и решения поставленных задач были использованы методы: структурного и математического анализа, математического моделирования, теории принятия решений, теории измерений и измерительных преобразователей, вероятностно-статистической обработки результатов и оценивания параметров, разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения.

Положения, выносимые на защиту:

1 .Научно-обоснованная методология определения и принципы диагностики состояния механизмов лифта при его эксплуатации по измеренным инерциальным методом кинематическим параметрам кабины в процессе движения.

2.Математическая модель изменения кинематики движения кабины лифта в процессе эксплуатационного износа элементов подъемной системы.

3.Расчетно-аналитический метод определения передаточных коэффициентов влияния параметров состояния узлов и механизмов лифта на выходные сигналы.

4.Принцип построения инерциальных измерительных преобразователей кинематики движения с учетом нормативных требований к определяемым параметрам.

5.Опытный образец прибора для диагностики лифтов и прогнозирования параметров состояния структурных составляющих.

6.Результаты экспериментальной апробации и оценки технологических возможностей диагностического прибора, регламентированных требованиями к данному классу измерителей.

7.Комплекс алгоритмов получения и обработки информации прибора и программное обеспечение, предназначенное для пост-обработки данных на ПК и записи в микроконтроллер прибора.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена: результатами апробации разработанного диагностического прибора, применением современных методов анализа и синтеза, экспериментальными данными и соответствием полученной информации известным проверенным результатам, построением адекватной математической модели.

Основные результаты исследований докладывались на

• Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения». Москва, МАТИ, 2010-2013 гг.

• 6-ой международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, РГРТУ, 2013 г.

— • Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии». Москва, МАТИ, 2010, 2012 гг.

• XV Международной научной конференции, посвященной памяти академика М.Ф. Решетнева. Красноярск, СибГАУ, 2011 г.

• I Форуме Союзного государства ВУЗов инженерно-технологического профиля. Белоруссия, Минск, БНТУ-МАТИ, 2012 г.

• Всероссийской научно-технической конференции «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами», Москва-Раменское, ГНЦ РФ ФГУП «ГосНИИАС», 2012 г.

• Конкурсе инновационных проектов на тему: «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике». Королев, ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина», 2012 г.

• Международном форуме «Технологии в машиностроении». Жуковский, 2012 г.

• Экспозиции «ВН и АТТМ» Международного авиационно-космического салона МАКС-2013. Жуковский, 2013 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 16 печатных трудах, в том числе в трех статьях рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и приложений. Материал изложен на 236 страницах иллюстрированных 74 рисунками, графиками и 35 таблицами.

Содержание диссертации. Работа состоит из 7 глав. Во введении кратко рассмотрены ак