مطالعه بر روی مشکلات مکانیکی در آسانسور های کششی با استفاده از آنالیز ارتعاشات

با گسترش روز افزون استفاده از آسانسور در ساختمان های بلند مرتبه یکی از پر اهمیت ترین مباحث در صنعت آسانسور، امنیت و کیفیت در حرکت آسانسور می باشد. امروزه برای نگهداری آسانسور و بهبود در کیفیت حرکت آن روش های متعددی ایجاد شده است. در این مقاله از نوعی شتاب سنج سه محوره برای اندازه گیری لرزش داخل کابین آسانسور در یک ساختمان هشت طبقه استفاده شده است و برای اندازه گیری صدای داخل کابین آسانسور نیز از یک میکروفن خازنی استفاده شده است. در ابتدا لرزش داخل کابین با توجه به استاندارد ISO18738 (استاندارد اندازه گیری کیفیت حرکت آسانسور) اندازه گیری شده است و سپس اجزای دوار ماشین توسط نمودار FFT حاصل از نمودار شتاب سنج مورد تحلیل قرار گرفته است.

جهت اعتبار سنجی نتایج اقدام به اندازه گیری لرزش بر روی گیربکس شده است که نتایج انطباق مناسبی با داده های حاصل از اندازه گیری در داخل کابین آسانسور دارد. در ادامه سطح فشار صدای داخل کابین و روی موتور اندازه گیری شده است و با اندازه گیری های لرزش کابین مقایسه شده است. نتایج نشان دهنده انطباق موفقیت آمیز این روش برای شناسایی عیب در گیربکس موتور آسانسور می باشد و کارآیی این روش در شناسایی مشکلات مربوط به تجهیزات دوار در آسانسور های کششی را نشان می دهد.

مقدمه

ظهور ساختمان های بلند مرتبه در شهر های بزرگ نیاز به آسانسور با سرعت بالاتر برای دسترسی سریعتر به تمامی طبقات را بوجود آورده است. همچنین امروزه آسانسور وسیله ای راحت و ایمن در ساختمان های مدرن شناخته می شود، به صورتیکه امن ترین وسیله حمل و نقل عمومی نام گرفته است.

کیفیت حرکت در آسانسور های کششی یکی از پارامتر های تاثیر گذار در صنعت آسانسور می باشد. در سال 1999 استاندارد ISO18738 تدوین شد که در این استاندارد نحوه اندازه گیری لرزش و صدای داخل کابین ارائه شده است. این استاندارد اقتباسی از سه استاندارد ISO8041، ISO2631 و IEC651 می باشد. سیستم محرک آسانسور یکی از کلیدی ترین اجزا در نصب آسانسور می باشد که انرژی حرکتی را توسط سیم بکسل به سیستم کابین – وزنه تعادل منتقل می کند در این زمینه مطالعات متعددی صورت گرفته است. در سال 2007 کیمورا تحقیقاتی بر روی نحوه لرزش سیم بکسل در آسانسور انجام داد ]1[. در سال 2008 فلورس بررسی بر روی مشکلات موثر بر روی کیفیت حرکت آسانسور انجام داد ]2[، در سال 2010 نیز ژانگ این تحقیقات را بر روی لرزش افقی بر روی کابین آسانسور متمرکز کرد ]3[ و اَرست لرزش عمودی آسانسور کششی با استفاده از شبیه سازی دینامیکی برررسی کرد ]4[. این مطالعات نشان می دهد ایرادات در موتور و تجهیزات انتقال قدرت می تواند در کابین آسانسور تشدید شود اما ردیابی علت اصلی ارتعاش در سیستم آسانسور بسیار پیچیده می باشد. از این رهگذر با پیشرفت تکنولوژی، نرم افزار و سخت افزار های متعددی قدم در عرصه صنعت گذاشته اند که وظیفه آن ها نمونه برداری، پایش و نمایش داده ها می باشد بر همین اساس تحقیقات گسترده ای بر روی روش های جدید برای شناسایی عیوب و بهبود در کیفیت حرکت آسانسور انجام شده است.

در این تحقیق برای بررسی ارتعاش در موتور گیربکس آسانسور کششی از سنسور شتاب سنج و اندازه گیری صدا استفاده شده است. مطالعات بسیاری جهت پایش و آنالیز داده ها برای پیشگویی و شناسایی عیوب مربوط به گیربکس در ماشین آلات صنعتی انجام شده است، از آن جمله روش آنالیز جریان موتور القایی MCSA ]5[، آنالیز روغن و صدای گیربکس ]6[، استفاده از سنسور های شتاب سنج برای شناسایی مشکلات مکانیکی در گیربکس ]7 [می باشد.

در این مقاله ابتدا توضیح مختصری در مورد نحوه اندازه گیری و استاندارد موجود برای اندازه گیری کیفیت حرکت آسانسور داده شده است سپس به بررسی یک دستگاه آسانسور با عیب در قسمت گیربکس پرداخته شده و نمودار های لرزش کابین مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است و در ادامه برای اعتبار سنجی این نتایج، اندازه گیری بر روی گیربکس انجام شده است. در انتها اندازه گیری های سطح صدا از داخل کابین و روی گیربکس با نتایج حاصل از لرزش مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفته است.

استاندارد کیفیت حرکت آسانسور ISO 18738

در سال های اخیر برای ایجاد تفسیر مشخص و واحد در مورد کیفیت حرکت آسانسور و تهیه مستندات معتبر برای اندازه گیری، شرکت های معتبر در صنعت آسانسور استاندارد ISO18738 را بنا نهادند که در آن اصطلاحات فنی، تجهیزات مورد نیاز، روش کار، تجزیه و تحلیل و تفسیر اطلاعات در این مورد ارائه شده است.

ابزار اندازه گیری در این مقاله طبق استاندارد ISO18738 شتاب سنج با حداقل دقت 1 با واحدmilli g  می باشد، اندازه واحد milli g برابر 001/0 شتاب حاصل از نیروی گرانش زمین می باشد. لازم به ذکر است که نحوه اندازه گیری پیک تا پیک نمودار لرزش در این استاندارد آورده شده است. طبق این استاندارد اندازه گیری ها از فیلتری عبور می کند که وابسته به میزان حساسیت افراد به لرزش می باشد (طبق استاندارد هایISO2631  و ISO8041) و همچنین طبق استاندارد IEC651 سطح فشار صدا همراه با فیلتر وزن A اندازه گیری می شود. شتاب سنج مورد استفاده در این مقاله دارای سه محور X، Y و Z با دقت micro g 360  می باشد و پهنای باند Hz 0 تا Hz 160 را پشتیبانی می کند و دارای سرعت نمونه برداری SPS 512 می باشد. میکروفن مورد استفاده در این مقاله از نوع خازنی با پاسخگویی سریع و دقت dB 1 می باشد که محدوه dB 30 تا dB 90 را انداز گیری می کند. نحوه قرار دهی ابزار اندازه گیری در کابین آسانسور در شکل 1 آورده شده است.

شرایط آزمون تجربی

یک نمونه از چیدمان آسانسور کششی در شکل 2 نشان داده شده است. آزمایش انجام شده بر روی یک سیستم آسانسور 8 نفره بوده که طول مسیر حرکت آن حداکثر 28 متر می باشد. مشخصات موتور و آسانسور ساختمان مورد نظر در جدول 1 آورده شده است. نوع موتور مورد استفاده در آسانسور این ساختمان آسنکرون می باشد که از گیربکس حلزونی استفاده کرده است و روغن گیربکس از نوع مصنوعی EZL502 (ESSO) می باشد.

این آزمایش در دو سرعت m/s 1 و m/s 8/0 در دو مسیر رفت و برگشت انجام شده که لرزش داخل کابین و صدای داخل کابین مطابق استاندارد ISO18738 اندازه گیری شده است. همچنین لرزش و صدای گیربکس نیز با نصب سنسور بر روی گیربکس در تمامی موارد بالا اندازه گیری شده است.

شکل 2: نمای شماتیک از نحوه نصب آسانسور کششی

جدول 1 مشخصات آسانسور و موتور مورد آزمایش

عنوان	مقادیر
سرعت کابین و سیم بکسل	(m/s) 1
وزن کابین و 1 نفر داخل کابین	Kg880
وزن وزنه تعادل	Kg1100
قدرت موتور	KW 2/9
فرکانس نامی موتور	Hz50
نسبت گیربکس	60/1
سرعت چرخش محور اصلی موتور	RPM1425
قطر پولی موتور	m 6/0

همچنین در این آزمایش، موتور توسط اینورتر همراه با اندازه گیری سرعت چرخشی محور موتور توسط انکودر به صورت VVVF راه اندازی شده است. داده های خروجی از سنسور شتاب سنج و میکروفن خازنی توسط نرم افزار شرکت Physical Measurement Technologies تحلیل شده است.]8 [

نتایج اندازه گیری لرزش و تحلیل نمودار هایFFT

در آزمایش تجربی هشت اندازه گیری توسط شتاب سنج در داخل کابین و روی گیربکس در دو سرعت متفاوت 1 m/s و 8/0 m/s انجام شده است که سرعت چرخشی موتور به ترتیب RPM 1425 وRPM 1140 بوده است و اندازه گیری ها در سه محورX،Y  وZ  می باشد. با توجه به نحوه حرکت کابین و نوع بارگذاری بر روی سیستم آسانسور برای تشخیص عیوب در محور Z، تجهیزات محرکه در چاه آسانسور و سیم بکسل را مورد اندازه گیری قرار می دهیم ]4[ (لرزش در محور عمود به کف کابین مطابق شکل 1) و در مورد لرزش های مربوط به محور Y و  Xتجهیزات مرتبط با ریل آسانسور، کفشک های کابین، وزنه تعادل و سیم بکسل را مورد بازبینی قرار می دهیم.] 1، 2 و 3[

در شکل 3 لرزش کابین در سه محور مختصات و سرعت کابین در حرکت به سمت بالا نسبت به محور Z نمایش داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است محوری که دامنه ارتعاش بزرگتری دارد ، محور Z می باشد که در این مقاله به بررسی این محور می پردازیم و با توجه به ناچیز بودن لرزش در محور های X و Y از آنها صرف نظر می کنیم.

داده های مربوط به اندازه گیری در سرعت m/s 1 و m/s 8/0 در جدول 2 ارائه شده است، لازم به ذکر است تمامی اندازه گیری ها در سرعت نامی موتور می باشد. با توجه به جدول 2، لرزش داخل کابین در مسیر به سمت بالا بیشتر از مسیر به سمت پایین می باشد. دلیل آن کم شدن طول سیم بکسل و در نهایت کم شدن فاصله کابین با مرکز ارتعاش می باشد همچنین اندازه این مقادیر با کاهش سرعت، کاهش یافته است. از طرف دیگر میزان لرزش بر روی گیربکس در دو مسیر رفت وبرگشت عکس رفتار داخل کابین می باشد. دلیل آن گشتاور مثبت موتور در مسیر کابین به سمت پایین می باشد. این مسئله نشان می دهد حتی با وجود کاهش لرزش گیربکس در مسیر حرکت کابین به سمت بالا، بدلیل نزدیک شدن کابین به منبع لرزش و کاهش اثر سیم بکسل بر روی لرزش ]1[، لرزش داخل کابین افزایش پیدا می کند.

 شکل 3 نمودار لرزش کابین در سه محور Z، Y و X به ترتیب از پایین به بالا- نمودار بالا نمودار سرعت کابین در محور Z. (سرعت m/s 1)

جدول 2 مقادیر حاصل ازنتایج آزمایشات تجربی از سنسور شتاب سنج

جهت حرکت کابین	موقعیت اندازه گیری	واحد	مقادیر در سرعت 1 m/s	مقادیر در سرعت 8/0 m/s
بالا	حداکثر پیک تو پیک لرزش در محور Z کابین	milli g	6/19	2/17
	حداکثر پیک تو پیک لرزش در محور Z گیربکس	milli g	6/10	9
پایین	حداکثر پیک تو پیک لرزش در محور Z کابین	milli g	1/17	16
	حداکثر پیک تو پیک لرزش در محور Z گیربکس	milli g	2/12	2/10

در این مقاله با توجه به اندازه گیری ها که در سرعت ثابت (سرعت نامی موتور) انجام شده و تغییرات بسیار ناچیز دمایی و بار که در سیستم وجود دارد می توان نوع سیستم را حالت ایستا در نظر گرفت که در این حالت می توان از نمودار های FFT لرزش در محور Z برای شناسایی عیوب استفاده کرد.]7[

در شکل 4 نمودار FFT حاصل از لرزش داخل کابین در دو سرعت نشان داده شده است. همانطور که در سرعت m/s 1 مشاهده می شود، پیک لرزش در مقدار فرکانس ثابت Hz 75/23 می باشد که این مقدار در تمامی طول حرکت ثابت می باشد. همچنین با کاهش سرعت به میزان 20%،  فرکانس پیک به مقدار ثابت در حدود Hz 19 کاهش پیدا می کند. این فرکانس مربوط به فرکانس چرخدنده گیربکس (GMF) می باشد در این نوع گیربکس فرکانس پینیون و مش (GMF) یکسان می باشد.

شکل 4 نمودار FFT حاصل از لرزش در محور Z در حرکت کابین به سمت بالا بر اساس مقدار لرزش (milli g) نمودار بالا سرعت m/s 1 – نمودار پایین سرعت m/s 8/0

در شکل 5 نمودار FFT حاصل از لرزش گیربکس نشان داده شده است. در سیستم آسانسور با توجه به سرعت پایین موتور و نوع تبدیل گیربکس، فرکانس طبیعی گیربکس با فرکانس چرخشی موتور برابر است. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است در اطراف فرکانس هارمونیک اول (Hz 75/23) باند جانبی دیده می شود که نشان دهنده آسیب دندانه های چرخدنده حلزونی در گیربکس     می باشد. ]7 [اما دلیل افزایش ارتعاش داخلی کابین در این فرکانس، تحریک یکی از فرکانس های طبیعی کابین- ریل می باشد که توسط فرکانس (Hz 75/23) تحریک شده و سبب تشدید لرزش داخل کابین شده است. ]3 [

در ادامه با کاهش سرعت موتور به RPM 1140 ، فرکانس منبع لرزش هم به مقدار در حدود Hz 19 روی گیربکس کاهش یافته است (شکل 4). با کاهش سرعت، فرکانس تماس دندانه های گیربکس نیز کاهش یافته است که فرکانس اندازه گیری شده روی گیربکس مشابه فرکانس داخل کابین می باشد.

شکل 5 نمودار FFT از لرزش محوری در گیربکس موتور در سرعت m/s 1

 

نتایج اندازه گیری صدا و تحلیل نمودار های FFT

برای مقایسه نتایج بدست آمده، آزمایشات مشابهی توسط اندازه گیری صدا داخل کابین و گیربکس انجام شده است. نتایج حاصل در جدول 3 و شکل 6 ارائه شده است.

جدول 3 مقادیر حاصل ازنتایج آزمایشات تجربی از اندازه گیری سطح صدا

جهت حرکت کابین	موقعیت اندازه گیری	واحد	مقادیر در سرعت 1 m/s	مقادیر در سرعت 8/0 m/s
بالا	حداکثر صدای گیربکس موتور	dB(A)	8/78	2/77
	حداکثر صدای داخل کابین	dB(A)	51	50
پایین	حداکثر صدای گیربکس موتور	dB(A)	79	5/77
	حداکثر صدای داخل کابین	dB(A)	2/49	47

شکل 6 نمودار بالا صدای داخل کابین به زمان – نمودار پایین صدای گیربکس موتور به زمان (حرکت به سمت پایین)

شکل 6 نمودار بالا صدای داخل کابین به زمان – نمودار پایین صدای گیربکس موتور به زمان (حرکت به سمت پایین)

شکل 7 نمودار FFT از تغییرات صدای داخل کابین نمودار بالا سرعت سرعت m/s 1 – نمودار پایین سرعت m/s 8/0

همانطور که اندازه گیری ها نشان می دهد، رفتار سطح صدای داخل کابین مشابه با لرزش کابین ( در محور Z) در حرکت به سمت بالا و پایین می باشد (جدول 3) به صورتیکه با دور شدن کابین آسانسور از منبع لرزش (گیربکس) صدای داخل کابین نیز کاهش پیدا می کند. همچنین در این آزمایش نمودار FFT حاصل از سطح فشار صدای داخل کابین، فرکانس مشابه 75/23 Hzرا نشان می دهد که با مقادیر بدست آمده از لرزش کابین همخوانی دارد. با کاهش سرعت کابین به 8/0 m/s مقدار کاهش پیک فرکانس به میزان  20% مشاهده می شود و همچنین دامنه نوسان نیز به میزان قابل توجهی ( در حدود %15( کاهش پیدا کرده است. (شکل 7)

نتیجه گیری

با بررسی انجام داده شده در این مقاله نشان داده شد، در اندازه گیری داخل کابین که بر اساس استاندارد ISO18738 (که در محدوده فرکانس و لرزش وابسته به میزان حساسیت افراد می باشد) انجام شده است، می توان از نمودار خروجی تبدیل فوریه (FFT)، که یکی از روش های اولیه و ساده در پایش تجهیزات دوار است، جهت تشخیص عیب در گیربکس موتور در یک سیستم آسانسور استفاده کرد. همچنین جهت اعتبار سنجی نتایج حاصل از لرزش کابین، اندازه گیری بر روی گیربکس به صورت مجزا انجام شد که نتایج مشابه ای حاصل شد. با توجه به پیچیدگی های موجود در عیوب آسانسور های کششی، از این روش می توان در تشخیص و شناسایی دیگر اجزای دوار موجود در آسانسور کششی نیز کمک گرفت.

در این مقاله از اندازه گیری سطح فشار صدا در کابین و موتور گیربکس برای شناسایی عیب در سیستم استفاده شد که انطباق مناسبی با نتایج حاصل از اندازه گیری لرزش داخل کابین داشت