防爆電梯制動器緊急制停溫升現場監測方法探究

文/歐陽惠卿 薛季愛 江 浩

在石油、化工、制藥等產業快速發展的今天，電梯廣泛地被應用于含爆炸性混合氣體的工作場所中，故工作于此類場所的電梯必須具有防爆性能。防爆電梯在緊急制停時制動器產生的溫升屬于危險點燃源，歐盟EN 13463潛在性爆炸環境中的非電氣設備系列標準1～4中明確提出了要控制該類危險溫升。因此必須對此危險溫升進行現場監控，并采取有效的溫升控制措施。針對目前制動器溫升現場測量和監控手段的不足，通過對比現有幾種實時測溫方法，本文提出適合防爆電梯制動器緊急制停時溫升的測量和監控手段，為進一步揭示制動器的防爆特性、為防爆電梯的安全檢驗、為防爆電梯相關標準和技術規范的制定，提供良好的實驗方法和數據分析基礎。

一、防爆電梯制動器工作的基本原理和特性

1.曳引機與制動器

曳引式防爆電梯基本采用蝸輪蝸桿副作為減速裝置，制動器安裝在電動機與減速器之間。早期的防爆電梯大都使用單速或雙速曳引機，無論是正常制停還是緊急制停，制動輪與閘瓦之間會產生滑動摩擦。為了防爆，制動器通常被封閉在隔爆箱內。目前，防爆電梯基本采用變頻控制，正常制停屬于零速抱閘，制動器幾乎無摩擦熱產生，因此，制動器都暴露在工作環境中。但在突然斷電等情況下的緊急制動中，將產生高負荷的機械摩擦，導致制動器產生劇烈溫升，由此成為爆炸性氣體的危險點燃源。為此，對該類沒有安裝在隔爆箱內的制動器緊急制動時的溫升規律我們展開了研究。

2.制動器的工作原理

電梯普遍采用機－電摩擦型常閉式制動器，電梯不運行時制動器在制動彈簧的作用下閉合，電梯運行時依靠電磁力使制動器松閘，因此又稱電磁制動器。

如圖1為一種典型的電梯用鼓式制動器，其主要組成部分包括：制動輪、制動閘瓦、制動電磁鐵、制動連桿和制動彈簧等。制動力矩是由制動彈簧產生的，可以通過調整制動彈簧的伸縮量來調整制動力矩。

圖1 一種典型的電梯用鼓式制動器

二、防爆電梯制動器制停溫升監測方法

1.實驗方法的比較和選擇

由于電梯制停時間通常都比較短，而在整個制動過程中所產生的熱量主要又是被制動輪吸收，且制動輪與外界環境的換熱過程是伴隨著摩擦熱的產生過程同時發生的，因此對其溫升的測定必須在運動過程中進行，即測量手段必須能夠滿足實時測量的要求。

① 熱電偶技術

采用熱電偶作為測溫元件的測溫裝置，其數據傳輸無論采用有線還是無線，都屬接觸式測溫方式，具有測溫準確、易于檢定的優點。

②紅外測溫技術

與接觸式測溫方式對應的是非接觸式測溫方式。當前的紅外熱像探測技術已經具備了快速響應能力，能夠以視頻輸出圖像，并具有了較高的溫度靈敏度和空間分辨率，近年來得到迅速普及。

相對于熱電偶，無論是紅外線點溫計，還是紅外線熱像儀，都存在著測量值易受被測物體表面輻照率和環境透射率等因素的影響，但是可以通過輻照系數修正等手段來減少測量值與實際值間的相對差值。

因結構和空間布局的限制，性能優異的紅外熱像儀更適宜進行制動器的溫升測量。

2.實驗對象

為了使測量的數據可靠并具有代表性，本文選用兩臺典型的曳引機作為實驗對象，其主要參數如表1所示。

表1 實驗樣梯曳引機的參數

3.參數設計

本實驗的主要目的是研究電梯在緊急制停情況下，制動器的溫升是否能滿足防爆要求，并且對實驗原理和方案的有效性進行驗證。通過調節電梯的速度和額定載重量，在實驗對象上進行了8組試驗，具體實驗參數見表2。表2中所選定的實驗工況均參照GB 7588－2003《電梯制造與安裝安全規范》，假設防爆電梯處于最不利的工況下，該工況下的制動器溫升狀況就更能反映其防爆安全容量。

本實驗采用“便攜式紅外熱像儀+便攜計算機控制”。用于實驗的紅外熱像儀除了必須保證光譜響應范圍和足夠快的采樣頻率外，還應具備盡可能高的空間分辨率，能夠滿足實驗現場的振動等環境適應性要求。除硬件平臺外，配套的軟件也必須要有豐富的數據后處理功能。

表2 進行驗證性實驗時所選取的參數

經過多方比較，本實驗采用某德國公司的高精度紅外熱像儀，該儀器采用了當今最新非制冷型焦平面探測技術的熱像儀，其光學分辨率達到640×480像素，解析度最高可達25μm，在正確設置被測物體輻射率、環境透射率參數后，設定量程內±1.5 K的精度能夠滿足本實驗的精度要求；其50幀/s的測量速率及連續錄制帶測量數據的動態紅外影像功能也基本滿足實驗的實時性要求；根據不同視場角需求更換鏡頭的功能解決了實驗空間受限等環境制約問題；操作抗震性能適應實驗過程中的振動；其各項參數均可滿足實驗要求；與該儀器配套的軟件，除了可以完成熱像儀的在線操控、數據采集、紅外熱圖瀏覽、圖庫管理和分析外，還可以進行區域或點的溫度-時間趨勢、線溫趨勢圖、直方圖、逐點或區域輻照率修正、測量模式修正工具等功能，可以方便地對紅外數據進行深入、精確分析和評估。該儀器的主要參數見表3。

三、監測過程與結果

首先，確定環境溫度和濕度是否符合實驗儀器設備要求。然后測試前電梯在空載情況下進行數次試運行，直至穩定為止；采取措施保證測試過程中被測電梯獨立操作，不受干擾。

調整并固定好紅外熱像儀位置，以閘瓦和制動器接觸面（沿制動旋轉離去閘瓦端方向）為目標進行對焦，必要時更換鏡頭以保證視窗和景深。首先斷開超載保護裝置，并調整轎廂砝碼的加載量至設定值。如采用砝碼加載比較困難，可采用其他加載形式。轎廂行至頂層端站平層位置，確保轎廂內沒有乘客，啟動電梯從頂層端站向底層端站下行，待轎廂行至井道中部（電梯達到額定速度后），開啟紅外熱像儀實時數據采集，并在延時2 s后啟動緊急制停操作。需要注意的是待完全停止后繼續記錄熱像圖2 s～3 s后停止。

表3 所選用的紅外熱像儀主要參數

1.監測數據采集

為獲得盡可能好的測量效果，正式開始前我們分別嘗試了各種視場角度和焦距，對比不同視場度和焦段下的采樣效果。

在電梯緊急制動時，整個制動器的最高溫可能位于制動輪與閘瓦摩擦接觸面，但此接觸不與周圍爆炸性環境接觸，所以在防爆時只需考慮暴露于外界空氣的高溫點。制動器在緊急制停時可能存在兩個與外界空氣接觸的最高溫度點：一個點位于制動閘瓦的外露表面，另一個位于制動輪由制動閘瓦旋出的外表面。實際上，閘瓦摩擦片導熱性能很差且吸收熱量少，制動時產生的大部分熱量被制動輪吸收。因此，制動輪溫升較快，制動器與外界空氣接觸的最高溫升點位于制動輪由制動閘瓦旋出的外表面（如圖2所示），實驗結果也驗證了該推斷。所以本實驗中所有的熱圖像都是以仰視角度測量制動輪旋出制動閘瓦部分表面溫度。

圖2 制動器旋轉方向與暴露高溫表面位置

本實驗按照表2的實驗參數，先后共測量了10組有效的紅外線熱圖像數據，每組數據都進行了重復測試，單次采集時間持續10 s（500幀），熱圖像采集時的焦距主要為30 mm鏡頭，在個別拍攝角度較差的情況下為50 mm鏡頭。

為評價采集數據的可重復性，實驗過程中對熱像儀所采集熱圖的一致性進行了現場分析比較，數據的可重復性較好。

2.監測結果分析

圖3 最高溫度區域熱圖像示例

圖4 每幀最高溫度點的時間序列曲線

從圖3這幅熱圖像中可以看到，該實驗梯的最高溫度區域出現在制動閘瓦外側邊緣的制動輪上。在選定的測量區域內IRBIS?3軟件可以自動捕捉最高溫度點，通過序列回放可在熱圖像區直觀地跟蹤溫度變化過程，圖4所示為額定速度為1 m/s、載荷為1 250 kg規格的實驗樣梯，以超載125%向下運行工況時的緊急制停驗證性實驗熱圖像序列中的截圖，最高溫度出現在第83幀，溫度值為49.13℃。

根據上述實驗方案和表2設計的實驗參數，我們進行了多組實驗，得到了8組有效的溫升對比數據，所測得的溫度值均在設定的量程范圍（－40℃～100℃）內，而制動輪的輻射率經初始環境溫度下的比對測量可認為接近1.0，且透射率因實驗梯機房內空氣環境無異常也認為接近1.0，本實驗采樣的紅外熱像儀所測溫度數據的誤差值不大于±2℃，處于可接受的誤差范圍內。

四、結語

針對防爆電梯制動器緊急制動情況下，溫升測量和監控手段缺乏的問題，本文選用紅外熱像儀作為測量手段，根據現場情況設計了實驗方案，并且在一臺具有典型性的防爆電梯上進行了8組實驗，實驗結果表明，本文提出的測量方法可以作為制動器緊急溫升現場監控的有效方案，同時，可以進一步被應用于防爆電梯制動器緊急制停溫升的實驗研究。希望本方法能夠為今后進一步揭示制動器的防爆性能和特點、設計參數優化，為防爆電梯的安全檢驗，為防爆電梯相關標準和技術規范的制定，提供良好的實驗方法和數據分析基礎。