基于样本熵的电梯制动器制动性能检测方法研究

鲍超超 郝家琦 唐 波 史利鹏 钟浩盛

（1.舟山市特种设备检测研究院 舟山 316021）

（2.中国计量大学 计量测试工程学院 杭州 310018）

在日常生活中，电梯是高层建筑中必不可少的通行工具，作为固定式升降设备在生活与生产中扮演着非常重要的角色[1]。由于电梯使用的普遍性，确保其安全可靠的运行是一件具有重要意义的事情。随着电梯使用年限的增加，制动衬片会因为磨损导致制动性能下降，制动器会因为制动力不足从而发生冲顶、溜梯等安全事故[2]。为了保障电梯乘客的生命财产安全，开展电梯制动器制动性能检测方法的研究，及时对制动器的故障进行识别是具有重要现实意义的。

目前对于制动器制动性能的检测分为基于经验知识与基于数据驱动2种[3]。第1种检测方法主要为维保人员定期对电梯的制动性能进行巡检，其依照标准GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中第5.9.2.2.2.1条中对电梯的制动器的规定：“当轿厢载有125%额定载重量并以额定速度向下运行时，制动器自身能使驱动主机停止运转。”[4]但是在实际的检测过程中，这种方法存在测得的数据精度低、实验操作复杂的问题，并且需要大量的维保员进行人工检测，定期巡检也无法实时掌握电梯制动器的运行状态。

第2种检测方法可以分为直接与间接2种。直接方法是对制动器的运行参数进行检测实现制动器的制动性能的检测。赵结昂等人[5]对制动器的故障机理进行分析并通过建立故障树的方法得到了影响制动器制动性能的相关指标，通过运行参数评价制动器的制动性能。但是这种方法目前只能应用于型式试验，为现实中正在使用的电梯安装大量的传感器是一件不切实际的事情。

间接方法是指通过运行参数之外的参数来侧面评价制动器的制动性能。吴演哲[6]基于制动衬片的摩擦系数与温度有着直接的关系，通过温度监测的方法实现对制动器制动性能的检测，但是在现实的电梯机房中，温度检测的结果由于外界温度的变化存在不稳定性且成本高昂不宜于维护。通过振动信号进行状态监测与故障诊断拥有精度高、不受环境影响、操作简单等优点，因此被广泛应用于机械故障监测中[7]。然而振动监测在电梯制动器性能检测领域还没有被应用。

综上所述，本文通过对常见的电梯鼓式制动器的工作原理分析并建立运动学方程，通过对制动器制动臂的振动加速度的信号进行检测，然后结合样本熵提取制动器振动特征，最终实现对制动器制动性能的检测。

1 制动器的工作原理与运动学分析

1.1 电梯制动器的工作原理

电梯制动器一般安装于电梯曳引机内，制动器的制动轮与曳引机的曳引轮刚性连接。通过控制制动轮的抱闸与松闸动作，便可以控制曳引轮的启动与停止，进而控制电梯的运行状态。电梯鼓式制动器的结构如图1所示。

图1 电梯制动器的结构图

其主要由压缩弹簧、调节螺母、制动衬片、制动轮、制动臂组成。当电梯启动时，制动臂打开，释放电梯运动。当电梯停止时，压缩弹簧提供制动力使得制动轮停止转动。

1.2 电梯制动器的运动学分析

电梯制动器在实际的工作环境中，制动轮与两侧的制动衬片都会因为摩擦发生振动。根据实际工况，不仅需要考虑两侧的制动衬片在弹簧力的作用下产生的不同的刚度阻尼关系，同时也要考虑两侧的制动衬片与制动轮之间的刚度阻尼特性。除了刚度与阻尼等制动器本身的结构特性，压缩弹簧产生的制动力、制动初速度等外部的激励也是引发制动系统振动的因素。因此，需要综合考虑两侧的制动衬片的运动状态与制动衬片和制动轮之间的刚度阻尼耦合状态，在建立模型之前，根据制动器实际工作状态制定出假设[8]：

1）假设制动衬片与制动盘的材料有着相同的力学特性，且材料内部在各个点上都有相同的性质。

2）忽略制动器在制动过程中由于现实因素产生的刚度系数、阻尼系数、摩擦因数的变化。

3）假设制动盘在制动过程中，无偏移翻转现象的发生。

通过对鼓式制动器实际工作原理的分析，以振动理论为基础，将鼓式制动器简化为如图2所示的六自由度动力学模型。

图2 电梯制动器的运动学模型

六自由度分别为左、右制动衬片沿x水平方向的自由度x1、x3和制动轮沿着x轴水平方向的自由度x2，左、右制动衬片沿y竖直方向的自由度y1、y3和制动轮沿着y轴竖直方向的自由度y2。

设f1， f2分别为左、右制动衬片与制动轮之间的摩擦系数，根据图2电梯制动器简化力学模型，考虑鼓式制动器实际工作与左右结构对称的情况，令 f1=f2=f，m1=m3=m，c1=c3=c，k1=k3=k，c12=c23=c4，k12=k23=k4，可以建立制动盘与摩擦片的六自由度动力学方程，见式（1）：

M——系统的等效质量；

C——系统的等效阻尼系数；

K——系统的等效刚度系数；

F——系统的激励源。

鼓式制动器的振动主要是由系统的不稳定引起的，假设制动系统本身结构特性不变，制动力的变化会导致制动系统中的激励力变化，激励力的变化最终导致振动系统的振动响应改变。

在鼓式制动器的系统中，激励力主要为制动衬片在制动臂的作用下摩擦制动轮产生的制动力，这个制动力的大小与电梯制动器的制动性能息息相关，也就是说鼓式制动器在制动力的影响下，其振动信号会发生变化，这样就为通过振动监测实现电梯制动性能检测奠定了理论基础，接下来本文通过对实测数据的实验分析，验证这种方法的可行性。

2 实验分析

2.1 实验设置

本文采用舜宇公司的LV-FS01激光多普勒测振仪对制动器的振动加速度进行测量。测试驱动主机的型号为YJF-180，搭配的制动器型号为PXZD450／2.5-T2。将激光测振仪的激光头对准鼓式制动器的制动臂，采集被测制动臂的振动信息，设置采样频率为6 250，采样时间为20 s。

采集到的信号如图3所示，从图中可以清晰地看出制动器的工作流程存在制动器开闸、曳引机模式切换、制动器抱闸3个时间点，并将整个运行流程按时间排序依次划分为4个阶段，即启动阶段、加速阶段、匀速阶段、减速阶段。

图3 电梯制动器振动信号

2.2 电梯制动器实测数据分析

根据鼓式制动器的工作原理，电梯制动器制动力的大小与其压缩弹簧的压缩量有着直接的关系，可以通过改变压缩弹簧的压缩量人为改变制动力的大小，其值呈正相关性。

通过拧紧顶杆螺栓的螺母改变压缩弹簧的压缩量，用游标卡尺测量顶杆螺栓的顶部到制动臂的距离用以表示压缩弹簧压缩量，从3.1 cm开始以0.05 cm为跨度减少压缩弹簧的压缩量。

根据实验现象可知，当顶杆螺栓到制动臂的距离为3.1 cm时，电磁装置无法克服压缩弹簧的弹簧力使得制动臂张开，此时在曳引机运行时可以听到明显的摩擦声，证明制动器发生了带闸运行的故障；当标尺度数为3.5 cm时，制动器处于制动力不足的状态，制动衬片无法使得制动轮在规定时间内停止。

经过对实验数据的对比分析，本文从电梯运行的减速阶段选取0.5 s来对不同制动力下的电梯振动信号进行对比。如图4所示为电梯制动器在不同制动力下减速阶段的振动信号时域图。

图4 不同制动力下制动器振动信号时域图

从图4中可以看出，随着标尺度数的增大，电梯制动器的制动力逐渐减小，体现在时域图上就是制动臂摩擦制动轮造成的振动幅值在减小。证明制动力的大小对制动器的振动状态有明显的影响，可以作为检测电梯制动器制动性能的指标。

但是在电梯制动器的实际工作环境中，振动信号包含大量的冲击成分，其呈现非稳态非周期的特点，导致时域分析无法准确地对振动状态进行描述，所以需要寻找一个能表示振动信号特征的度量单位。

3 基于样本熵的电梯制动性能检测

3.1 样本熵的原理

“熵”作为泛指某些系统状态的一种度量单位，在轴承、齿轮箱、电机等机械设备的故障诊断中作为故障特征提取的特征向量取得了很好的效果[9]。

为了实现不同制动力下的电梯制动器振动特征提取的准确性，本文引入“熵”理论，使用样本熵揭示制动器振动信号在时频域的不同尺度特征，实现对制动器工作状态的准确描述。

样本熵[10]是通过度量信号中产生新模式的概率大小来衡量时间序列的复杂性，新模式产生的概率越大，序列的复杂性就越大。

一般地，对于由N个数据组成的时间序列{x(n)}=x(1)，x(2)，…，x(N)，样本熵的计算方法如下：

1）由原始信号构建m维向量，见式（9）：

2）定义向量Xm(i)与Xm( j )之间的距离见式（10）：

3）对于给定的Xm(i)，统计Xm(i)与Xm( j )之间距离小于等于相识容限r的j(1≤j≤N-m，j≠i)的数目，并记作Bm。

4）增 加 维 数 到m+1，计 算 Xm+1(i)与Xm+1( j )(1≤j≤N-m，j≠i)距离小于等于r的个数，记为Am。

5）这样B(m)(r)是2个序列在r下匹配m个点的概率，而A(m)(r)是2个序列在r下匹配m+1个点的概率。样本熵定义见式（11）：

3.2 电梯制动性能检测

根据样本熵理论，样本熵在面对非稳态非周期的电梯制动器振动信号时可以作为反映信号复杂度的指标，通过计算不同工况下的样本熵，可以作为制动器故障诊断的依据。计算图4中标尺度数从3.1 cm至3.5 cm变化时各个跨度振动信号的样本熵，结果如图5所示。

图5 压缩弹簧标尺度数与样本熵的关系

从图4和图5中可以看出随着标尺度数的增大，制动器的制动力也在逐渐减小，此时通过振动信号计算所得的样本熵在增大，其增长趋势符合制动器的工作机理。

根据1.2节对鼓式制动器的运动学分析，制动器的振动状态与制动器的制动力有关，制动力的大小会改变制动器的振动信号，振动信号的改变对应着样本熵的变化。结合2.2节中的具体实验现象可以得知，标尺度数为3.2～3.35 cm时，制动器的工作状态为正常；大于3.35 cm时，制动器的制动力不足；小于3.20 cm时，制动器的制动力过大，发生了带闸运行。从图5中可以看出，对于此鼓式制动器，当样本熵为1.8～2时，制动器正常运行；当样本熵小于1.8或大于2时，制动器的制动性能不满足正常运行的指标。

综上所述，使用样本熵可以建立制动器的振动信号与制动器制动性能之间的关系，样本熵的大小与制动器的制动力之间呈反比关系，过大与过小的样本熵都表示电梯的制动性能不满足正常运行的指标。所以可以通过对电梯制动器振动信号的检测，并使用样本熵来提取减速阶段的振动特征从而实现对电梯制动器的制动性能检测。

4 结束语

对电梯制动器制动性能的检测是防止电梯冲顶、溜梯等事故的发生，保护乘客生命财产安全的重要一环。鼓式制动器作为目前保有量最高、发展时间最长、使用时间最久的电梯制动器类型，随着使用年限的增加，其安全隐患问题越来越受到行业关注。

本文针对传统电梯制动器制动力矩检测方法存在数据精度低、检测操作复杂且易受环境影响的问题，提出了一种基于样本熵的电梯制动器制动性能检测方法，该方法通过采集电梯制动器的振动信号，并计算样本熵作为振动信号的特征值，最终实现对制动性能的检测。

通过对电梯制动器的实测数据的分析，不同工况下电梯制动器的振动信号对应的样本熵与制动力存在联系，制动力越小，样本熵越大，并且在样本熵满足1.8～2时，电梯制动器处于正常工况。证明该方法可以有效地对电梯制动器制动性能进行检测，为开发电梯制动器制动性能检测新方法拓展了思路。