Begründung für die Entwicklung eines Bremsprüfstands

Wie das Beheben eines Unfalls und das Verhindern zukünftiger ähnlicher Unfälle zu einem generischen Bremsmonitor geführt haben.

von Dr. Albert So, Dr. KH Lam und Chung To "Andy" Kong

Dieser Artikel wurde erstmals auf der 2019 vorgestellt Internationales Symposium für Aufzüge und Fahrtreppen in Las Vegas.

Im Mai 2018 ereignete sich in Hongkong ein tödlicher Unfall im Zusammenhang mit dem Ausfall einer Aufzugsbremse. Das Opfer wartete im siebten Stock auf den Aufzug, der vom Erdgeschoss nach oben fuhr. Aufgrund verschiedener Ursachen konnten die beiden Bremsen nicht vollständig stoppen und die Aufzugskabine im Stillstand halten. Als die Türen im siebten Stock geöffnet wurden und das Opfer in die Aufzugskabine einstieg, fuhr diese weiter nach oben. Das Opfer wurde dann zwischen dem Schwellersturz und der Autotürschwelle eingeklemmt.

Das Opfer konnte dem Einklemmen entkommen, fiel dann aber in die Grube und wurde getötet. Aufgrund dieses Unfalls wurde die Bremsanlage aller gleichartigen Modelle der gleichen Marke wie von den Strafverfolgungsbehörden gefordert auf Herz und Nieren geprüft.

Um die Unfallursachen anzugehen und ein Mittel zur Vermeidung ähnlicher Unfälle zu entwickeln, begann die Universität Hongkong mit der Entwicklung eines generischen Bremsmonitors, um den ordnungsgemäßen Betrieb einer Standard-Aufzugsbremse zu gewährleisten und deren Verschlechterungstrend zu verfolgen. Auf der IEES 2019 wurden erstmals das Unfallgeschehen, die Ursachen des Bremsversagens und relevante Klauseln zur Bremsanforderung im Safety Code of Practice von Hongkong eingeführt.

Verschiedene Merkmale der Vorrichtung zur genauen Überwachung der Bremsmagnete, Federn, Bremsarme, Bremsbeläge und der Arbeitsleistung der Bremsen werden diskutiert. Das Design ist generisch genug, um auf die meisten Standardinstallationen in Hongkong anwendbar zu sein. Diese Funktionen wurden speziell entwickelt, um die verschiedenen Unfallursachen zu bekämpfen, die auch häufige Probleme sind, die in den letzten Jahren zu unbeabsichtigten Fahrzeugbewegungen (UCM) geführt haben. Die Elektronik und Informationstechnologie, die verwendet werden soll, um nützliche Rohdaten und verarbeitete Daten zur Unfalluntersuchung in die Cloud hochzuladen, wird auch für den Fall der Fälle beschrieben. Algorithmen zur Verarbeitung von Rohdaten werden ebenfalls hervorgehoben.

Der tödliche Unfall — Gründe für die Entwicklung des Bremsmonitors

Die folgende Beschreibung des Unfalls basiert auf dem Technical Investigation Report on Lift Incident at Paris Court, der vom Electrical & Mechanical Services Department (EMSD) der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong (HKSAR) erstellt wurde.[2] Am Mittag des 11. Mai 2018 ereignete sich ein tödlicher Unfall in einem Wohnhochhaus in Hongkong. Auf einen Etagenruf hin fuhr ein leer stehender Aufzug vom Erdgeschoss in den siebten Stock. Im siebten Stock öffneten sich die Flur- und Kabinentüren, und das Opfer, eine ältere Frau, stieg in den Wagen ein, der sich jedoch bei noch geöffneten Türen weiter nach oben bewegte. Das Opfer wurde zwischen dem Schwellersturz und der Autotürschwelle eingeklemmt. Sie versuchte zu fliehen, fiel aber in die Fahrstuhlgrube und wurde getötet. Schließlich hielt der Aufzug etwa im 12. Stock.

Der Aufzug war ein elektrischer Aufzug mit einer Nenntragfähigkeit von 1000 kg und einer Nenngeschwindigkeit von 1.75 m/s, einer 1:1-Seilanordnung und mit einem Schneckengetriebe. Die Bremse war vom alten Typ; dh eine einzelne Druckfeder. Das Datum der letzten jährlichen Überprüfung des Aufzugs war der 2. März 2018, während die letzte routinemäßige Wartung am 9. Mai 2018 durchgeführt wurde. Eine vollständige Untersuchung und Vor-Ort-Tests wurden von EMSD nach dem Unfall durchgeführt und einige Ergebnisse wurden wie folgt diskutiert.

Basierend auf den Videoaufzeichnungen des Videoüberwachungssystems (CCTV) bewegte sich der Aufzug am selben Morgen vor dem Unfall viermal unbeabsichtigt nach oben. Da keine Verletzung vorlag, erregte das Problem keine Aufmerksamkeit und der Verwaltungsgesellschaft war kein Problem bekannt. Wie bereits erwähnt, fuhr das Opfer, nachdem das Opfer den Aufzug betreten hatte, bei geöffneten Türen weiter nach oben und hielt schließlich im 12. Stock an.

Während der Untersuchung wurde eine Nach-Unfall-Simulation durchgeführt, bei der der Aufzug angewiesen wurde, das gleiche Fahrmuster einzunehmen, wie es von der Videoüberwachung kurz vor dem Unfall aufgezeichnet wurde. Eine Wärmebildkamera wurde verwendet, um die Temperatur des Bremsmagneten und der Bremsbeläge oder Bremsbeläge zu messen. Nach einer halben Stunde begannen die Bremsstößel asynchron und träge mit einer Verzögerung von ca. 1 s zu arbeiten. 70 min nach Beginn der Simulation ließen sich die Bremskolben nicht mehr bewegen, sodass keiner der Bremsarme mehr geöffnet werden konnte. Da die Bremse nicht geöffnet werden konnte, lagen die beiden Bremsbeläge auf der rotierenden Bremstrommel. Dann begann die Temperatur der beiden Auskleidungen auf einen konstanten Wert von etwa 220 °C zu steigen. Dreieinhalb Stunden nach Beginn der Simulation bewegte sich der Aufzug, während die Schachttüren noch geöffnet waren; dh eine Situation von UCM.

Nach der Simulation wurde das Bremssystem demontiert und es wurde festgestellt, dass das Kolbengehäuse längere Zeit nicht geschmiert wurde, da an der Innenfläche getrocknetes Schmiermittel gefunden wurde. An einer Auskleidung war der Kopf einer von 10 Schrauben um ca. 3 mm stark abgenutzt, während eine andere Schraube fehlte. Die Schrauben an der anderen Auskleidung wurden intakt und normal befunden. An der Bremstrommel wurden zwei offensichtliche Kratzer gefunden, die den Positionen der beiden abnormalen Schrauben entsprechen. Später wurde ein Experiment durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten (COF) eines solchen Belags im Vergleich zu dem eines neuen zu messen. Es wurde festgestellt, dass der COF um etwa 40% gesunken ist. Anschließend wurde auch ein Kompressionstest von Bremsbelägen durchgeführt, der ergab, dass die vertikale Kraft zur Aufrechterhaltung einer konstanten Kompression eines Übertemperaturbelags von beispielsweise 0.5 mm viel geringer war als die eines normalen Bremsbelags, etwa 1 bis 5.

Der Bericht kam zu dem Schluss, dass der Unfall durch ein Verklemmen des Bremskolbens verursacht wurde, der im Inneren des Magnetgehäuses nicht richtig geschmiert war. Dies führte zu einem unvollständigen Öffnen der Bremsarme während der Fahrt des Aufzugs, was zu einer Übertemperatursituation bei den Bremsbelägen führte, da diese nicht vollständig von der Bremstrommel getrennt waren. Der ständige Teilkontakt zwischen Bremsbelag und Trommel erzeugte Schwingungen, die die Befestigungsschrauben der Beläge lösten. Da die Schrauben aus der Auskleidung nach außen ragten, wurden Kratzer auf der Trommel erzeugt, wodurch die Kontaktfläche zwischen Auskleidung und Trommel weiter verringert wurde. Infolgedessen reichte die Bremskraft nicht aus, um den Aufzug zu halten, als er im siebten Stock stoppte, um den Etagenruf des Opfers zu beantworten. Da sich während des Unfalls nur ein Passagier in der Kabine befand, war die Gegengewichtsseite viel schwerer und der Aufzug fuhr daher weiter nach oben.

Aufgrund dieses Unfalls schenkte die Behörde der Bremssicherheit viel größere Aufmerksamkeit und war der Ansicht, dass möglicherweise mehr Maßnahmen zur Überwachung der Bremsleistung erforderlich sind. Das Department of Electrical and Electronic Engineering der University of Hong Kong wurde gebeten, sich mit der Entwicklung eines Bremsprüfstands zu befassen, um die Bremsleistung rund um die Uhr zu verfolgen. Bevor wir uns die Entwicklung ansehen, ist es angebracht, zunächst die gesetzlichen Vorschriften zu Bremsen in Hongkong zu überprüfen.

Sicherheitskodex in Hongkong durchgesetzt

Im letzten Jahrhundert hatte Hongkong die britischen Standards (BS) für technische Anforderungen an die Aufzugssicherheit übernommen, BS 2655, dann BS 5655 und schließlich in den 81er Jahren EN 1980. 1993 veröffentlichte EMSD den ersten lokalen Sicherheitscode, Verhaltenskodex für die Planung und den Bau von Aufzügen und Fahrtreppen,^[1]. die in den Jahren 2000 und 2010 überarbeitet wurdeew Europeund Versionen EN 81-20 und -50. Laut gesetzlicher Vorschrift muss eine moderne Aufzugsbremse folgende Leistungen erbringen:

1. Kann die Maschine stoppen, wenn die Kabine mit Nenngeschwindigkeit und 125% Last abwärts fährt.
2. Die durchschnittliche Verzögerung des Fahrzeugs darf 9.81 m/s2 nicht überschreiten und mindestens 1.96 m/s2 betragen.
3. Jeder der beiden Bremssätze kann unabhängig arbeiten.
4. Jeder Satz kann den Aufzug unabhängig bei Nenngeschwindigkeit und 100 % Last nach unten oder bei Nenngeschwindigkeit und 0 % Last nach oben bremsen.
5. Die Bremsung muss ohne zusätzliche Verzögerung nach Öffnen des Bremslösekreises wirksam werden.
6. Das Betätigen einer Überlast- und/oder Überstromschutzeinrichtung für die Bremse muss die gleichzeitige Abschaltung der Maschine einleiten.
7. Die Bremse darf erst dann bestromt werden, wenn der Motor mit Strom versorgt wurde.

Mit Ausnahme der Punkte 6 und 7 muss der Monitor in der Lage sein, relevante Parameter zu überprüfen, um die einwandfreie Funktion der Bremse zu bestätigen.

Zu messende Parameter

Die folgenden Parameter werden kontinuierlich von der Hardwarestruktur überwacht (die im nächsten Abschnitt behandelt wird). Zuerst muss der Gleichstrom des Bremsmagneten gemessen werden, da jede Änderung auf einen Fehler mit dem Magneten hinweisen kann. Sie wird normalerweise mit einem Hall-Effekt-Stromwandler gemessen, da gewöhnliche Stromwandler nicht für Gleichstromkreise geeignet sind.

Zweitens ist die Bewegung jedes Bremsarms zu messen, um zu überprüfen, ob der Betrieb des Bremsarms synchron mit dem Ein/Aus-Zustand des Solenoidstroms ist. Darüber hinaus zeigt die Bewegung jedes Arms auch an, ob sich die auf den Arm wirkende Feder verschlechtert hat. Zwei Beschleunigungsmesser, einer nahe der Oberkante des Arms und einer nahe der Unterseite, werden verwendet, um zu überprüfen, ob sich zwischen Trommel und Arm ein äußeres Hindernis befindet.

Drittens ist die Temperatur des Bremsbelags zu überwachen, denn ein ständiger Teilkontakt zwischen Belag und Trommel während des Betriebs des Motors erhöht sicherlich die Temperatur, wie im Unfallbericht erwähnt. Es kann technisch etwas schwierig sein, die Temperatur des Belags direkt zu messen, aber es ist viel einfacher, den metallischen Teil des Bremsarms zu messen. Es gibt keine Möglichkeit, die Temperatur genau zu messen, obwohl ein Übertemperaturalarm ausreichend sein kann.

Viertens ist ein neuer Bremsbelag ziemlich dick. Wenn sich die Trommel jedoch von Zeit zu Zeit dreht, während der Belag teilweise mit ihr in Kontakt ist, wird die Dicke allmählich verringert, wie bei einer Fahrzeugbremse. Es ist sinnvoll, die Dicke der Auskleidung zu messen, aber die Genauigkeit kann nicht so hoch sein, da es sich nur um eine Reduzierung um einige Millimeter handelt.

Fünftens sind die momentane Position, Geschwindigkeit, Fahrtrichtung, Beschleunigung und Verzögerung der Aufzugskabine zu überwachen, um eine gute Referenz für den Vergleich der Leistung des Aufzugssystems mit anderen überwachten Parametern zu sein.

Sechstens sollen die Beschleunigung und Verzögerung der Aufzugskabine kontinuierlich überwacht werden. Das Abgleichen eines solchen Wertes mit Werten anderer Parameter kann uns mehr Informationen über den Zustand des gesamten Systems geben. Beachten Sie, dass die Hubseile elastisch sind und ein Rutschen zwischen Seilen und Rillen auf der Antriebsscheibe unvermeidbar ist. Es ist sinnvoll, die Bewegung der Aufzugskabine direkt zu messen.

Schließlich sind verschiedene saubere Kontakte zur Anzeige des Status der Aufzugsanlage zu überwachen (wie im nächsten Abschnitt besprochen).

Hardwarestruktur des Bremsmonitors

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Anordnung der Sensoren des Bremswächters im Bereich der Bremse. Wie aus gesehen

Wie in der Abbildung zu sehen ist, handelt es sich um eine alte Bremsenausführung, was sich daran zeigt, dass nur ein unabhängiger Magnet vorhanden ist. Diese Konstruktion ist die gleiche wie die, die bei dem Unfall verwendet wurde. Es ist einfach, einen weiteren Hall-Effekt-Stromtransformator hinzuzufügen, um eine moderne Bremsenkonstruktion mit zwei unabhängigen Magneten zu erreichen. Der Drehzahlmesser ist an einem Ende der Achse des Antriebsmotors angebracht, sodass die Echtzeitgeschwindigkeit und -position der Aufzugskabine rechnerisch geschätzt werden können.

Gemäß den Konstruktionsanforderungen darf der Monitor den normalen Betrieb des Aufzugs nicht beeinträchtigen und keinen Sicherheitsstandard gemäß den gesetzlichen Vorschriften herabsetzen. Vom Wartungsunternehmen sind fünf Relais bereitzustellen, die ein Signal von der Steuerung beziehen. Relais 1 zeigt den Status des Bremsmagneten an; Relais 2 zeigt den Status des Geschwindigkeitsreglers an; Relais 3 zeigt an, dass sich die Aufzugskabine in der niedrigsten Position befindet; Relais 4 zeigt an, ob das Auto steht oder in Bewegung ist; und Relais 5 zeigt die Bewegungsrichtung des Autos an.

Auf dem Fahrzeugdach sind zwei Beschleunigungsmesser angebracht, einer rechts und einer links. Der eingebettete Computer auf dem Autodach kommuniziert weiterhin mit dem Computer im Maschinenraum (Abbildung 1) über ein Wi-Fi-Signal. Die Nutzung von WLAN ist gut genug, denn die maximale Entfernung zwischen Kabinendach und Maschinenraum beträgt nur ein paar hundert Meter und es gibt keine Verstopfung im Schacht zwischen beiden.

Indem wir den genauen Zeitpunkt prüfen, zu dem Strom in die Magnetspule eingespeist oder aus ihr entfernt wird, und den genauen Zeitpunkt, zu dem sich jeder Bremsarm zu bewegen beginnt, können wir feststellen, ob die Bremse rechtzeitig funktioniert. Die Bewegungsdauer des Bremsarms kann uns auch sagen, ob die Feder oder die Magnetspule in Ordnung ist. Es ist zu erwarten, dass der Bremsarm dazu neigt, etwas langsamer zu arbeiten, wenn die Feder ermüdet ist oder es innerhalb der Magnetspule zu einem Kurzschluss kommt. Indem wir die Temperatur des Bremsarms verfolgen, können wir feststellen, ob beim Drehen ein teilweiser Kontakt zwischen dem Bremsbelag und der Bremstrommel besteht. Indem wir den Abstand zwischen einem bestimmten Punkt des Bremsarms und der Oberfläche der Trommel messen, können wir möglicherweise beurteilen, ob die Dicke des Bremsbelags aufgrund von Alterung abgenommen hat und ob das Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetspule und der Feder leicht variiert. Indem wir den Drehzahlmesser prüfen, können wir feststellen, ob sich die Aufzugskabine bewegt. Schließlich können wir mithilfe der beiden Beschleunigungsmesser auf dem Kabinendach den genauen Zeitpunkt prüfen, zu dem sich der Strom im Bremssolenoid ändert und zu dem die Aufzugskabine zu verlangsamen beginnt. So können wir feststellen, ob die Verzögerungsrate der Aufzugskabine den gesetzlichen Anforderungen entspricht. Durch Integration der Daten der beiden Beschleunigungsmesser auf dem Kabinendach können wir die bei einer Notbremsung zurückgelegte Strecke grob schätzen. (Der Drehzahlmesser kann ebenfalls einige Hinweise zu dieser Leistung geben.)

Softwarestruktur des Bremsmonitors

Abbildung 2 zeigt ein elektronisches System mit drei Arduino-Boards, die jeweils über I2C-Ports oder Input/Output (I/O)-Ports mit einigen Sensoren verbunden sind. Diese drei Boards sind mit dem Embedded-PC im Maschinenraum fest verdrahtet, der ständig mit einem anderen Embedded-PC auf dem Fahrzeugdach kommuniziert. Als Betriebssystem wurde Windows 7 verwendet, das bald auf Windows 10 aktualisiert werden sollte. Abbildung 3 zeigt das elektronische System auf dem Autodach.

In ähnlicher Weise wird ein Arduino-Board verwendet, um Signale von den beiden Beschleunigungsmessern abzurufen. Dieses Board ist fest mit dem Embedded-PC auf dem Fahrzeugdach verbunden, der ständig mit dem im Maschinenraum kommuniziert.

Einige vorläufige Rohdaten

Im Maschinenraum können die Vibrationssensoren der Bremsarme als die wichtigsten Geräte des gesamten Systems angesehen werden, da sie den normalen und anormalen Betrieb beider Arme überwachen. Es ist möglich, Probleme mit der Funktion jeder Seite des Bremssystems zu erkennen, indem die Vibrationsprofile überprüft werden. Bild 4 zeigt die Rohdaten von drei Zyklen von „offen-geschlossen“-Operationen der Bremse. Die Abtastrate betrug 200 Hz, was zeigt, dass jeder Vorgang nur etwa 20 Datenpunkte dauerte; dh 20 X (1/200) s = 0.1 s — eine wirklich schnelle Operation. Die gezoomte Ansicht zeigte eine „geschlossene“ Operation des ersten Zyklus. Das Forschungsteam untersucht die Details der Wellenformen, um die aufgedeckten Daten auszuwerten. Auf dem Autodach haben wir folgendes Datenformat aller Sensoren, inklusive des Zeitstempels vom Arduino, der dreiachsigen Schwingungen der beiden Beschleunigungsmesser („L“ für „links“ und „R“ für „rechts“), die IR-Sensor und die vom Hauptcomputer hinzugefügte Echtzeit:
(Zeitstempel, AcXL, AcYL, AcZL, AcXR, AcYR, AcZR,
IR, Echtzeit):
(3205675876, -15536, -244, -4380, -8488, -13280, -3520, 1,
‘2019-09-03 00:16:43.626’).

Fazit

Aufgrund eines kürzlichen tödlichen Unfalls in Hongkong beabsichtigte die Behörde für gesetzliche Vorschriften der HKSAR-Regierung, die Bremsüberwachungsverfahren zu verbessern, um weitere Unfälle zu vermeiden. Um Ausfälle des Bremssystems, die zu ähnlichen Unfällen führten und führen könnten, zu beheben und sogar vorherzusagen, wurde ein Forschungsteam der University of Hong Kong gebildet, um einen Online-Bremsmonitor zu entwickeln, dessen Funktionen und Struktur in diesem Artikel beleuchtet wurden. Einige vorläufige Rohdaten sind ebenfalls enthalten. Dieses Projekt läuft noch, weitere Ergebnisse werden bis zum Symposium vorliegen.

Wissen

Dieses Projekt läuft noch und wird vom EMSD der Regierung der Sonderverwaltungszone Hongkong finanziell unterstützt. Weitere Ergebnisse werden in einer zukünftigen Ausgabe von ELEVATOR WORLD veröffentlicht.

Referenzen

[1] EMSD. Verhaltenskodex für die Planung und den Bau von Aufzügen und Rolltreppen (1993).
[2] EMSD. Technischer Untersuchungsbericht zu einem Aufzugsvorfall am Pariser Gericht im Stadtzentrum von Sheung Shui, New Territories (2018)