الأساس المنطقي لتطوير جهاز اختبار الفرامل

كيف أدت معالجة الحوادث ومنع وقوع حوادث مماثلة في المستقبل إلى ظهور جهاز مراقبة الفرامل العام.

بقلم الدكتور ألبرت سو، والدكتور كيه إتش لام، وتشونغ تو "آندي" كونغ

تم تقديم هذه المقالة لأول مرة في عام 2019 الندوة الدولية للمصاعد والسلالم المتحركة في لاس فيغاس.

في مايو 2018، وقع حادث مميت يتعلق بتعطل فرامل المصعد في هونغ كونغ. وانتظرت الضحية في الطابق السابع وصول المصعد الذي كان يصعد من الطابق الأرضي. لأسباب مختلفة، لم تتمكن المكابح من التوقف بشكل كامل وإبقاء عربة المصعد ثابتة. وعندما فُتحت أبواب الطابق السابع ودخلت الضحية إلى عربة المصعد، استمرت في التحرك للأعلى. ثم حوصر الضحية بين عتبة الهبوط وعتبة باب السيارة.

وتمكن الضحية من الفرار من محاصرته لكنه سقط بعد ذلك في الحفرة ولقي حتفه. وبسبب هذا الحادث، تم فحص نظام الفرامل في جميع الطرازات المماثلة من نفس العلامة التجارية بدقة وفقًا لما تقتضيه سلطة إنفاذ التشريعات.

ولمعالجة أسباب الحادث وتطوير وسيلة لمنع وقوع حوادث مماثلة، بدأت جامعة هونغ كونغ في تصميم جهاز مراقبة الفرامل العام لضمان التشغيل السليم لفرامل المصعد القياسية وتتبع اتجاه التدهور. تم تقديم وقوع الحادث وأسباب فشل الفرامل والبنود ذات الصلة المتعلقة بمتطلبات الفرامل في مدونة ممارسات السلامة في هونغ كونغ لأول مرة في IEES لعام 2019.

سيتم مناقشة الميزات المختلفة للجهاز لمراقبة الملفات اللولبية للفرامل والنوابض وأذرع الفرامل ووسادات الفرامل عن كثب وأداء عمل الفرامل. التصميم عام بما يكفي ليتم تطبيقه على معظم التركيبات القياسية في هونغ كونغ. وقد تم تصميم هذه الميزات بشكل خاص لمعالجة الأسباب المختلفة للحوادث، وهي أيضًا مشكلات شائعة أدت إلى حركة غير مقصودة للسيارة (UCM) في السنوات الأخيرة. سيتم أيضًا وصف الإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات التي سيتم استخدامها لتحميل البيانات الأولية والمعالجة المفيدة إلى السحابة للتحقيق في الحوادث، فقط في حالة حدوثها. سيتم أيضًا تسليط الضوء على خوارزميات معالجة البيانات الأولية.

الحادث المميت – الأساس المنطقي لتطوير نظام مراقبة الفرامل

وصف الحادث، على النحو التالي، يستند إلى تقرير التحقيق الفني حول حادث المصعد في محكمة باريس الذي أعدته إدارة الخدمات الكهربائية والميكانيكية (EMSD) التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة (HKSAR).[2] في ظهر يوم 11 مايو 2018، وقع حادث مميت في مبنى سكني شاهق في هونغ كونغ. انتقل مصعد شاغر من الطابق الأرضي إلى الطابق السابع استجابة لنداء الهبوط من هناك. وفي الطابق السابع، فُتح باب الهبوط وأبواب السيارة، ودخلت الضحية، وهي امرأة كبيرة في السن، إلى السيارة، لكنها واصلت صعودها مع بقاء البابين مفتوحين. وكانت الضحية محاصرة بين عتبة الهبوط وعتبة باب السيارة. حاولت الهرب لكنها سقطت في حفرة المصعد وقُتلت. وأخيراً توقف المصعد عند الطابق الثاني عشر تقريباً.

كان المصعد عبارة عن مصعد كهربائي بقدرة مقدرة تبلغ 1000 كجم وسرعة مقدرة تبلغ 1.75 م/ث، وترتيب حبال 1:1 ومع ترس دودي. كانت الفرامل من النوع القديم. على سبيل المثال، ربيع ضغط واحد. تاريخ آخر فحص سنوي للمصعد كان 2 مارس 2018، بينما تم إجراء آخر صيانة روتينية له في 9 مايو 2018. وقد تم إجراء تحقيق كامل واختبار ميداني من قبل EMSD بعد الحادث، وتمت مناقشة بعض النتائج على النحو التالي.

استنادًا إلى لقطات الدائرة التلفزيونية المغلقة (CCTV)، تحرك المصعد للأعلى دون قصد أربع مرات خلال نفس الصباح قبل وقوع الحادث. وبما أنه لم تكن هناك إصابات، فإن المشكلة لم تلفت الانتباه، ولم تكن شركة الإدارة على علم بالمشكلة. كما ذكرنا من قبل، بعد دخول الضحية المصعد، استمر في التحرك للأعلى مع فتح كلا البابين وتوقف أخيرًا عند الطابق الثاني عشر.

أثناء التحقيق، تم إجراء محاكاة ما بعد الحادث حيث تم توجيه المصعد لاعتماد نفس نمط السفر الذي سجلته كاميرا المراقبة قبل وقوع الحادث مباشرة. تم استخدام جهاز تصوير حراري لقياس درجة حرارة الملف اللولبي للفرامل وبطانات أو وسادات الفرامل. بعد انقضاء نصف ساعة، بدأت كباسات المكابح في العمل بشكل غير متزامن وبطيء، مع تأخير لمدة ثانية واحدة تقريبًا. وبعد 1 دقيقة من بدء المحاكاة، فشلت غطاسات المكابح في التحرك، مما يعني أنه لم يعد من الممكن فتح ذراع المكابح بعد الآن. نظرًا لعدم إمكانية فتح الفرامل، كانت بطانات الفرامل تستقر على أسطوانة الفرامل الدوارة. ثم بدأت درجة حرارة البطانة في الارتفاع إلى قيمة ثابتة تبلغ حوالي 70 درجة مئوية. وبعد ثلاث ساعات ونصف من بدء المحاكاة، تحرك المصعد بينما كانت أبواب الهبوط لا تزال مفتوحة؛ أي حالة UCM.

بعد المحاكاة، تم تفكيك نظام الكبح، وتبين أن غلاف المكبس لم يتم تشحيمه لفترة طويلة، حيث تم العثور على مادة تشحيم جافة على السطح الداخلي. على إحدى البطانات، كان رأس برغي واحد، من أصل 10، متآكلًا بشكل خطير بحوالي 3 مم، بينما كان برغي آخر مفقودًا. تم العثور على البراغي الموجودة على البطانة الأخرى سليمة وطبيعية. تم العثور على خدشين واضحين يتوافقان مع مواضع المسمارين غير الطبيعيين على أسطوانة الفرامل. تم إجراء تجربة لاحقًا لقياس معامل الاحتكاك (COF) لهذه البطانة، مقارنة بمعامل الاحتكاك الجديد. وقد وجد أن COF انخفض بنحو 40٪. تم أيضًا إجراء اختبار ضغط لبطانات الفرامل بعد ذلك، وكشف أن القوة العمودية للحفاظ على ضغط ثابت، على سبيل المثال، 0.5 ملم، لبطانة الفرامل التي تعاني من ارتفاع درجة الحرارة، كانت أقل بكثير من قوة بطانة الفرامل العادية، حوالي 1 إلى 5.

وخلص التقرير إلى أن الحادث نتج عن تشويش مكبس الفرامل الذي لم يتم تشحيمه بشكل صحيح داخل مبيت الملف اللولبي. أدى ذلك إلى فتح أذرع الفرامل بشكل غير كامل أثناء تحرك المصعد، مما أدى إلى ارتفاع درجة حرارة بطانات الفرامل، حيث لم يتم فصلها بالكامل عن أسطوانة الفرامل. أنتج الاتصال الجزئي المستمر بين بطانة الفرامل والأسطوانة اهتزازًا أدى إلى فك براغي تثبيت البطانات. عندما تبرز البراغي إلى الخارج من البطانة، يتم إنتاج خدوش على الأسطوانة، مما يؤدي إلى تقليل مساحة التلامس بين البطانة والأسطوانة. ونتيجة لذلك، لم تكن هناك قوة فرملة كافية لتثبيت المصعد عندما توقف في الطابق السابع للرد على نداء هبوط الضحية. نظرًا لوجود راكب واحد فقط داخل السيارة أثناء الحادث، كان جانب الثقل الموازن أثقل بكثير، وبالتالي استمر المصعد في التحرك لأعلى.

وبسبب هذا الحادث، أولت الهيئة اهتمامًا أكبر لسلامة الفرامل ورأت أنه قد يكون من الضروري اتخاذ المزيد من الإجراءات لمراقبة أداء الفرامل. طُلب من قسم الهندسة الكهربائية والإلكترونية بجامعة هونغ كونغ النظر في تطوير جهاز اختبار الفرامل لتتبع أداء الفرامل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. قبل أن ننظر إلى التطوير، من المناسب أولاً مراجعة القوانين القانونية المتعلقة بالفرامل في هونغ كونغ.

قانون السلامة المعمول به في هونغ كونغ

في القرن الماضي، كانت هونغ كونغ تتبنى المعايير البريطانية (BS) بشأن المتطلبات الفنية لسلامة المصاعد، BS 2655، ثم BS 5655، وأخيرًا EN 81 في الثمانينيات. في عام 1980، نشرت EMSD أول قانون للسلامة المحلية، قواعد الممارسة بشأن تصميم وبناء المصاعد والسلالم المتحركة,^[1] والذي تم تنقيحه في عامي 2000 و2010. وفي عام 2018، بدأت EMSD في النظر في الاعتماد الكامل لـ new Europeالإصدارات EN 81-20 و-50. وفقًا للقانون القانوني، يجب أن تعمل فرامل المصعد الحديثة على النحو التالي:

1. القدرة على إيقاف الماكينة عندما تتحرك السيارة لأسفل بالسرعة المقدرة والحمل بنسبة 125%.
2. ألا يزيد متوسط ​​تخلف السيارة عن 9.81 م/ث2 وأن لا يقل عن 1.96 م/ث2.
3. يمكن لكل من مجموعتي الفرامل أن تعمل بشكل مستقل.
4. يمكن لأي مجموعة واحدة أن تقوم بفرامل المصعد بشكل مستقل عند السرعة المقدرة وتحميل 100% للأسفل، أو بالسرعة المقدرة و0% تحميل لأعلى.
5. يجب أن يصبح الكبح فعالاً دون تأخير إضافي بعد فتح دائرة تحرير الفرامل.
6. يجب أن يؤدي تشغيل جهاز حماية التحميل الزائد و/أو التيار الزائد للفرامل إلى إلغاء تنشيط الماكينة بشكل متزامن.
7. لا يجوز تطبيق التيار على الفرامل حتى يتم تشغيل المحرك.

باستثناء البندين 6 و7، يجب أن يكون جهاز المراقبة قادرًا على فحص المعلمات ذات الصلة للتأكد من التشغيل السليم للفرامل.

المعلمات المراد قياسها

تتم مراقبة المعلمات التالية بشكل مستمر بواسطة بنية الأجهزة (والتي سيتم مناقشتها في القسم التالي). أولاً، يجب قياس التيار المستمر للملف اللولبي للفرامل، لأن أي تغيير فيه قد يشير إلى وجود خطأ ما في الملف اللولبي. يتم قياسه عادةً باستخدام محول تيار تأثير هول، لأن محولات التيار العادية لا تنطبق على دوائر التيار المستمر.

ثانيًا، يجب قياس حركة كل ذراع فرامل للتحقق مما إذا كان تشغيل ذراع الفرامل متزامنًا مع حالة التشغيل/الإيقاف لتيار الملف اللولبي. علاوة على ذلك، تشير حركة كل ذراع أيضًا إلى ما إذا كان الزنبرك الذي يعمل على الذراع قد تدهور. يتم استخدام مقياسين للتسارع، أحدهما قريب من أعلى الذراع والآخر قريب من الأسفل، للتحقق مما إذا كان هناك أي عائق خارجي بين الأسطوانة والذراع.

ثالثاً: يجب مراقبة درجة حرارة بطانة الفرامل، لأن التماس الجزئي المستمر بين البطانة والطبلة أثناء تشغيل المحرك يؤدي بالتأكيد إلى ارتفاع درجة الحرارة، كما ورد في تقرير الحادث. قد يكون من الصعب بعض الشيء من الناحية الفنية قياس درجة حرارة البطانة بشكل مباشر، ولكن من الأسهل بكثير قياس الجزء المعدني من ذراع الفرامل. لا توجد وسيلة لقياس درجة الحرارة بدقة، على الرغم من أن إنذار درجة الحرارة الزائدة قد يكون جيدًا بما فيه الكفاية.

رابعا، بطانة الفرامل الجديدة سميكة إلى حد ما. لكن، إذا دارت الأسطوانة من وقت لآخر عندما تكون البطانة على اتصال جزئي بها، فإن سمكها يقل تدريجياً، مثل حالة فرامل السيارة. من المفيد قياس سمك البطانة، لكن الدقة قد لا تكون عالية جدًا، لأننا نتحدث فقط عن تقليل بضعة ملليمترات.

خامسًا، يجب مراقبة الموقع اللحظي والسرعة واتجاه السير والتسارع والتباطؤ لسيارة المصعد كمرجع جيد لمقارنة أداء نظام المصعد مع المعلمات الأخرى قيد المراقبة.

سادسا، يجب مراقبة تسارع وتباطؤ عربة المصعد بشكل مستمر. إن التحقق من هذه القيمة مع قيم المعلمات الأخرى يمكن أن يوفر لنا المزيد من المعلومات حول صحة النظام بأكمله. لاحظ أن حبال الرفع مرنة، ولا يمكن تجنب الانزلاق بين الحبال والأخاديد الموجودة على بكرة المحرك. من المفيد قياس حركة عربة المصعد مباشرة.

أخيرًا، يجب مراقبة العديد من نقاط الاتصال النظيفة للإشارة إلى حالة نظام المصعد (كما هو موضح في القسم التالي).

هيكل الأجهزة لمراقبة الفرامل

يوضح الشكلان 1 و2 موضع أجهزة استشعار شاشة الفرامل بالقرب من الفرامل. كما يرى من

في الصورة، هذه نسخة قديمة من الفرامل، كما يتضح من حقيقة وجود ملف لولبي مستقل واحد فقط. هذا التصميم هو نفسه الذي شارك في الحادث. من السهل إضافة محول تيار تأثير هول آخر للتعامل مع تصميم الفرامل الحديث مع ملفين لولبيين مستقلين. يتم توصيل مقياس سرعة الدوران بطرف واحد من محور محرك القيادة بحيث يتم تقدير السرعة وموضع عربة المصعد في الوقت الفعلي عن طريق الحساب.

وفقًا لمتطلبات التصميم، يجب ألا تتداخل الشاشة مع التشغيل العادي للمصعد، ولا يجب أن تخفض أي معيار للسلامة وفقًا للقانون القانوني. يجب توفير خمسة مرحلات تسحب الإشارة من وحدة التحكم من قبل مقاول الصيانة. يشير التتابع 1 إلى حالة الملف اللولبي للفرامل؛ يشير التتابع 2 إلى حالة منظم السرعة؛ يشير التتابع 3 إلى أن عربة المصعد في أدنى موضع؛ يشير التتابع 4 إلى ما إذا كانت السيارة ثابتة أم متحركة؛ ويشير التتابع 5 إلى اتجاه حركة السيارة.

تم تركيب مقياسين للتسارع في الجزء العلوي من السيارة، أحدهما على اليمين والآخر على اليسار. يستمر الكمبيوتر المدمج في الجزء العلوي من السيارة في الاتصال بالكمبيوتر الموجود داخل غرفة الآلة (الشكل 1) من خلال إشارة Wi-Fi. يعد استخدام شبكة Wi-Fi جيدًا بما فيه الكفاية، لأن الحد الأقصى للمسافة بين سطح السيارة وغرفة الآلة لا يتجاوز بضع مئات من الأمتار، ولا يوجد أي انسداد في العمود بين الاثنين.

من خلال التحقق من الوقت الدقيق لحقن التيار في الملف اللولبي أو إزالته منه، والوقت الدقيق لبدء كل ذراع فرامل في الحركة، نتمكن من معرفة ما إذا كان تشغيل الفرامل في الوقت المحدد. يمكن أن تخبرنا مدة حركة ذراع الفرامل أيضًا ما إذا كان الزنبرك أو الملف اللولبي سليمًا. من المتوقع أنه عندما يكون هناك بعض التعب مع الزنبرك أو وجود بعض الدوائر القصيرة داخل الملف اللولبي، يميل ذراع الفرامل إلى العمل بشكل أبطأ قليلاً. من خلال تتبع درجة حرارة ذراع الفرامل، يمكننا معرفة ما إذا كان هناك اتصال جزئي بين بطانة الفرامل وطبلة الفرامل عند دورانها. من خلال قياس المسافة بين نقطة معينة من ذراع الفرامل من سطح الأسطوانة، قد نتمكن من الحكم على ما إذا كان سمك بطانة الفرامل قد انخفض بسبب الشيخوخة، وما إذا كان توازن القوة بين الملف اللولبي والزنبرك يختلف قليلاً. من خلال التحقق من مقياس سرعة الدوران، يمكننا معرفة ما إذا كانت عربة المصعد تتحرك. أخيرًا، باستخدام مقياسي التسارع الموجودين أعلى السيارة للتحقق من الوقت الدقيق الذي يحدث فيه أي تغيير في التيار في الملف اللولبي للفرامل والوقت الذي تبدأ فيه عربة المصعد في التباطؤ، يمكننا معرفة ما إذا كان معدل تباطؤ عربة المصعد يتوافق مع المتطلبات القانونية. من خلال دمج البيانات من مقياسي التسارع الموجودين أعلى السيارة، يمكننا تقدير المسافة المقطوعة تقريبًا أثناء الكبح في حالات الطوارئ. (يمكن لمقياس سرعة الدوران أيضًا أن يقدم بعض التلميحات حول هذا الأداء.)

هيكل البرنامج لمراقبة الفرامل

يوضح الشكل 2 نظامًا إلكترونيًا يحتوي على ثلاث لوحات Arduino، كل منها متصلة ببعض أجهزة الاستشعار عبر منافذ I2C أو منافذ الإدخال/الإخراج (I/O). يتم توصيل هذه اللوحات الثلاثة بالكمبيوتر المدمج داخل غرفة الآلة، والذي يتصل بشكل مستمر مع كمبيوتر آخر مدمج في الجزء العلوي من السيارة. تم استخدام Windows 7 كنظام تشغيل، ولكن من المخطط ترقيته قريبًا إلى Windows 10. ويوضح الشكل 3 النظام الإلكتروني الموجود أعلى السيارة.

وبالمثل، يتم استخدام لوحة Arduino لاسترداد الإشارات من مقياسي التسارع. يتم توصيل هذه اللوحة بجهاز الكمبيوتر المدمج الموجود في الجزء العلوي من السيارة، والذي يتواصل بشكل مستمر مع الجهاز الموجود داخل غرفة الآلة.

بعض البيانات الأولية الأولية

داخل غرفة الآلة، يمكن اعتبار أجهزة استشعار اهتزاز ذراع الفرامل الأجهزة الرئيسية للنظام بأكمله، حيث أنها تراقب التشغيل الطبيعي وغير الطبيعي لكلا الذراعين. من الممكن اكتشاف المشكلات المتعلقة بتشغيل كل جانب من نظام الفرامل عن طريق فحص ملفات تعريف الاهتزاز. يوضح الشكل 4 البيانات الأولية لثلاث دورات من العمليات "المفتوحة والمغلقة" للفرامل. وكان معدل أخذ العينات 200 هرتز، وكشف أن كل عملية استمرت حوالي 20 نقطة بيانات فقط؛ على سبيل المثال، 20 X (1/200) s = 0.1 s — عملية سريعة جدًا. أظهر العرض المكبر عملية "مغلقة" للدورة الأولى. يبحث فريق البحث في تفاصيل الأشكال الموجية لتقييم البيانات التي يتم الكشف عنها. في الجزء العلوي من السيارة، لدينا تنسيق البيانات التالي لجميع أجهزة الاستشعار، بما في ذلك الطابع الزمني من Arduino، والاهتزازات ثلاثية المحاور لمقياسي التسارع ("L" لـ "يسار" و "R" لـ "يمين")، مستشعر الأشعة تحت الحمراء، والوقت الحقيقي كما أضافه الكمبيوتر الرئيسي:
(Time_Stamp، AcXL، AcYL، AcZL، AcXR، AcYR، AcZR،
الأشعة تحت الحمراء، الوقت الحقيقي):
(3205675876، -15536، -244، -4380، -8488، -13280، -3520، 1،
‘2019-09-03 00:16:43.626’).

خاتمة

نظرًا لوقوع حادث مميت مؤخرًا في هونغ كونغ، تعتزم هيئة اللوائح القانونية لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة تحسين إجراءات مراقبة الفرامل لتجنب وقوع المزيد من الحوادث. لمعالجة وحتى التنبؤ بفشل نظام الكبح الذي أدى إلى حوادث مماثلة ويمكن أن يؤدي إليها، تم تشكيل فريق بحث في جامعة هونغ كونغ لتطوير جهاز مراقبة الفرامل عبر الإنترنت، وقد تم تسليط الضوء على ميزاته وبنيته في هذه المقالة. كما تم تضمين بعض البيانات الأولية الأولية. ولا يزال هذا المشروع مستمرًا، وستتوفر المزيد من النتائج بحلول موعد انعقاد الندوة.

شكر وتقدير

لا يزال هذا المشروع مستمرًا ويحظى بدعم مالي من EMSD التابعة لحكومة منطقة هونج كونج الإدارية الخاصة. وسيتم نشر المزيد من النتائج في إصدار مستقبلي من ELEVATOR WORLD.

مراجع حسابات

[1] إي إم إس دي. قواعد الممارسة بشأن تصميم وبناء المصاعد والسلالم المتحركة (1993).
[2] إي إم إس دي. تقرير التحقيق الفني حول حادثة المصعد في محكمة باريس، مركز مدينة شيونغ شوي، الأقاليم الجديدة (2018)