高速电梯曳引机主轴组件综合性能检测装置设计与分析

江叶峰，苏万斌，易灿灿

(1. 嘉兴市特种设备检验检测院，浙江 嘉兴314050；

2. 武汉科技大学，湖北 武汉 430081)

高速电梯曳引机主要部件包括曳引轮、支架底座组件、主轴组件(包含主轴和轴承等部件)、带绕组定子铁芯、钳式制动器组件、用于在紧急情况下连接并安装盘车装置等。高速主轴作为其核心部件主要采用双支撑简支结构，主轴组件包括内转子和外转子结构两大系列，其结构紧凑，可用于无机房或有机房中[1]。双支撑简支结构永磁同步无齿轮曳引机的工作原理是通过快速电流跟踪变频装置和高精度速度传感器(编码器)的检测、反馈以及控制，以同步转速进行转动；
由具备与直流电机相同的线性、恒定转矩及可调节速度的电动机平稳地直接驱动曳引轮，通过曳引轮与钢丝绳的摩擦来实现电梯轿厢的上下运动[2]。

高速电梯主轴组件长期服役于高速变载工况下，除了正常的主轴本体和轴承的疲劳磨损外，更多情况是因主轴及轴承的磨损、打滑失效引起的摩擦磨损。由于目前常规的主轴均由铸铁制成，主轴在铸造完成至加装后长期在高速复杂工况使用过程中，可能会产生损伤，造成强度下降或产生安全隐患。因此，需要开发一种对高速电梯主轴组件的可靠性进行检测的方法和装置，为高速电梯的安全性提供保障。

高速电梯主轴及轴承失效的明显表现特征就是主轴温度升高、振动加剧。因此，通过对主轴及轴承温升和振动的检测来反映主轴及轴承是否发生失效。根据主轴及轴承的失效模式及表现特征，对其失效的检测有以下几种方法：在主轴及轴承部位设置温度传感器，检测主轴及轴承的温度变化；
用振动传感器检测高速电梯主轴，特别是主轴及轴承部位的振动信号。

通过在主轴及轴承部位安装温度传感器来检测温度的变化，并以此为依据来判断主轴及轴承是否发生失效。主轴及轴承在运转过程中，由于摩擦的原因会发热，并且当主轴及轴承的表面出现磨损或是损伤后，这种摩擦会加剧，因而发热也会增加，主轴及轴承的温度就会升高。而高速电梯主轴的安装特点使得主轴及轴承的温升受其他因素的影响很小，温度传感器测试到的温升就是主轴及轴承由于摩擦产生的温升。所以这种方法适合于对主轴失效的检测。通常主轴及轴承的温度随着主轴及轴承运转开始慢慢上升，1～2h后达到稳定状态。主轴及轴承的正常温度因机器的热容量、散热量、转速及负载的不同而不同[3]。如果润滑或安装部位不合适，则主轴及轴承温度会急骤上升，出现异常高温，这时必须停止运转，并检查主轴及轴承是否已经失效。因此在试验过程中用温度传感器监测温度，无论是量测主轴及轴承本身或其他重要零件的温度，如果是在运转条件不变的情况下，任何的温度改变均可表示主轴及轴承已发生故障或已失效。脂润滑条件下的高速主轴及轴承的温度超过一定值时，也可判定为主轴及轴承已经失效。

通过检测高速电梯主轴，特别是主轴及轴承部位的振动信号，并以此为依据来判断主轴及轴承是否发生失效。实际上，当主轴及轴承的振动甚至整个高速电梯主轴的振动加剧时，可以通过某些振动参数的变化体现出来。因此，采用振动传感器检测高速电梯主轴，特别是主轴及轴承部位的振动信号，再通过后续处理得到相应的振动参数，并以此作为依据来判断主轴及轴承是否发生失效是一种比较适用的检测方法。

主轴在长时间的高速旋转情况下，通过传感器采集主轴及轴承的温度变化信息，并通过显示仪进行显示，同时通过分析单元记录传感器采集的主轴及轴承温度变化信息，然后对记录的温度变化信息进行处理，判断主轴或轴承是否失效。根据温度传感器确定的主轴或轴承的温升超过规定的温升阈值或温度阈值时，即可判定对应的主轴或轴承失效。

通过传感器采集主轴及轴承的振动变化信息，分析单元根据所述振动信号从以下几个指标，判断主轴或轴承是否失效：根据所述振动信号确定波峰因子，若波峰因子超过规定的波峰因子阈值时，则判定所述主轴或轴承失效；
或者根据所述振动信号确定峭度，当峭度超过规定的峭度阈值时判定所述主轴或轴承失效。

由振动信号确定波峰因子具体包括下述步骤：

1)按照下述公式计算反映振动能量大小的有效值[4]：

(1)

2)按照下述公式计算表示振幅最大值的峰值：

(2)

式中：P表示峰值；
n是将采集到的数据进行分段的段数；
xpi是第i段的振动加速度数据的峰值。峰值P是振幅的最大值，对轴承表面损伤类的故障较为敏感，特别对轴承早期的表面剥落损伤检测效果较好。

3)按照下述公式计算波峰因子[6-7]：

C=P/R

式中C表示所述波峰因子。根据上述计算公式可知，波峰因子C是一无量纲参数，对轴承的局部剥落、压痕、凹坑等故障非常敏感，且不受振动信号绝对水平的影响；
在无油润滑的情况下，可用于轴承磨损故障的判断，适合于轴承的失效检测。正常情况下，C≤6。

由振动信号确定峭度的计算公式如下：

(3)

与之相对应的，根据振动信号判断主轴或轴承是否失效可以包括：在波峰因子超过规定的波峰因子阈值时，或者在峭度超过规定的峭度阈值时，判定主轴或轴承失效。波峰因子阈值优选为6，峭度阈值优选为4。

通过前述的有效值R、峰值P、波峰因子C、峭度K等反映振动特性的参数来判断主轴或轴承是否失效的优势在于：由于高速电梯主轴轴承的主要失效模式是磨损或表面损伤，波峰因子C和峭度K对这种形式的失效较为敏感，而且波峰因子C和峭度K是无量纲的参数，不受工况(包括负荷、转速、环境条件等)的变化、不同振动测试位置的影响，所以波峰因子C和峭度K能对高速电梯主轴的早期故障实现准确的诊断[9-10]。此外，通过波峰因子C和峭度K判定高速电梯主轴的轴承是否发生磨损或表面损伤，能够获取统一的、可靠的失效判据。具体而言，当满足波峰因子C>6(波峰因子阈值)和峭度K>4(峭度阈值)中的任何一个条件时，即可判定轴承发生表面损伤或磨损失效。

高速电梯的高速主轴部件是安装在箱体上的。该试验装置的驱动系统是高速电机，经钢丝绳传动后，使主轴高速旋转。为了对主轴部件在高速旋转下进行可靠性试验，可分别对温度、振动、转速3个机械量进行测量与分析，判断主轴部件是否失效。检测装置包括用于支撑高速电梯主轴和轴承的支承装置、用于驱动主轴旋转的驱动装置、用于采集主轴在旋转过程中所产生振动信号的振动传感器、采集在主轴旋转过程中轴承温度信号的温度传感器、用于根据振动信号和温度信号中的至少一者判断主轴或轴承是否失效的分析单元(图1)。

1—箱底；
2—电机座；
3—电机；
4—主动曳引轮；
5—钢丝绳；
6—从动曳引轮；
7—温度传感器；
8—主轴；
9—温度传感器；
10—速度传感器；
11—轴承座；
12—振动传感器；
13—分析单元。

支承装置包括箱底、箱体、电机座、轴承座，箱体和电机座位于箱底上部，轴承座位于箱体的右侧，轴承座和箱体支撑主轴及轴承。

驱动装置包括电机、主动曳引轮、从动曳引轮、主轴和钢丝绳。主动曳引轮与输出轴连接，从动曳引轮与高速电梯的主轴连接，主动曳引轮与从动曳引轮通过钢丝绳连接。位于箱底之上的电机座支撑电机，电机的输出轴连接主动曳引轮，主动曳引轮通过钢丝绳与连接高速电梯主轴的从动曳引轮相连接，从而实现电机带动主轴的旋转。

数据采集模块包括温度传感器、振动传感器和速度传感器。温度、振动和速度传感器能够采集到主轴旋转过程中主轴及轴承的相应信号，可根据采集到的信号获取主轴及轴承的相应参数变化。

数据分析模块：分析单元与振动传感器和温度传感器通信连接，通过分析单元记录通过传感器采集的振动变化信息、温度变化及速度变化信息，然后对记录的温度、振动和速度变化信息进行处理，分析单元根据振动传感器采集的振动信号和温度传感器采集的温度信号中的至少一者判断主轴或轴承是否失效。

高速电梯主轴或轴承性能检测流程如图2所示。主轴高速旋转，通过传感器采集高速电梯主轴及轴承的转速变化信息、振动变化信号、温度变化信息，并通过数据采集处理后由显示仪进行显示。通过驱动高速电梯主轴高速旋转并获取主轴在旋转过程中主轴所产生的振动信号以及轴承的温度信号，从而根据振动信号和温度信号中的至少一者判断高速电梯主轴或轴承是否失效。由此，可以根据主轴或轴承的可靠性采取对应措施以保障高速电梯的安全性。

图2 检测流程图

为了验证高速电梯主轴综合性能测试装置的精度，在这里选取某一永磁同步无齿轮曳引机双支撑简支结构主轴进行测试,额定速度为4m/s，分别测试3个信号采集点：温度值1、温度值2和振动值，速度控制由速度传感器来实现。表1、表2所示为双支撑简支结构主轴在所设计的试验平台上的实测结果，其中实测数据是指主轴在试验时间的高速旋转情况下，通过传感器采集主轴及轴承的温度、振动变化信息，并通过显示仪进行显示，同时通过分析单元记录传感器采集的主轴及轴承温度和振动变化信息。设计值是指该永磁同步无齿轮曳引机双支撑简支结构主轴厂家生产时在相应运转速度下的理论值。

表1 温度实测结果

表2 振动测试结果

在该试验装置中对于几个检测位置的选取如下：温度传感器分别与一对滚动轴承相接触，用以检测轴承的温度信号；
位于轴承座下方的振动传感器，用以检测轴承的振动信号；
位于轴端上方的光电传感器，用以检测转轴的转速信号。传感器分别与相应的显示仪相连接，对高速电梯主轴工作期间的各种信号进行采集、处理。测试对象分别为一根正常主轴和一根故障主轴，并记录相应速度。

正常主轴和故障主轴的温度与振动的设计值都是一样的，温度值的设计上限是65℃，振动值的波峰因子临界值为6，峭度值临界值为4。从正常的无故障主轴测试装置的试验结果来看，高速主轴连续运转之后，高速主轴的温度和振动基本保持在合理的精度范围之内，随着试验时间的增加，轴承处的温度和振动有明显的升高，总体上与速度和时间成正比例关系；
对于存在故障的主轴，从测试结果来看温度和振动参数明显高于正常值，而且随着试验时间的延长温度和振动越来越厉害，尤其是温度值2所测的数据相对温度值1高出很多，基本可以判定在温度值2测点的轴承存在故障。试验结果验证了高速电梯主轴组件综合性能检测方法和失效判据是正确的。

高速电梯主轴作为电梯曳引机的核心部件，主轴组件的轻微失效可能导致曳引机异响或者振动，严重失效可能导致曳引轮移位从而引起曳引轮槽加速磨损、曳引绳滑出曳引轮槽等，对电梯使用形成严重的安全隐患。特别是超高速电梯，一旦发生主轴断裂或者轴承损坏，将直接导致电梯安全事故,后果不堪设想。目前市场上常规的主轴均由铸铁制成，由于在铸造过程中经过大量检测，因此在安装至高速电梯曳引机后往往都不再检测，但主轴在铸造完成并加装后，在长期的高速使用过程中可能会对主轴产生损伤，造成主轴强度下降和安全隐患，因此对其进行综合性能分析及主轴组件的寿命预测有着重要的现实意义。通过检测后，可以根据使用状况及时更换曳引机主轴组件，从而更大程度地消除由于主轴组件失效所导致的安全隐患。