一種空載狀態(tài)測試電梯平衡系數(shù)的方法

摘 要：文章通過分析電梯制造中最關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)“平衡系數(shù)”的傳統(tǒng)常規(guī)載荷測試方法的局限與不足，通過平衡系數(shù)力學(xué)公式推導(dǎo)，并利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，提出了一種新型的空載檢測方法，大大降低了檢測成本，縮短檢測時間，提高了檢測的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：電梯平衡系數(shù)；空載測試；傳感器；經(jīng)濟

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，電梯的數(shù)量呈現(xiàn)“井噴式”的發(fā)展，截至2015年底，我國電梯總量超過400萬臺。目前我國電梯保有量、年產(chǎn)量、年增長量均為世界第一。電梯作為一種公共的交通工具得到了越來越廣泛的運用，被人們稱為“回家的最后一公里路”。因此電梯安全受到大眾的廣泛關(guān)注。平衡系數(shù)作為電梯設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，在國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定，也是電梯檢測中的必檢項目。平衡系數(shù)的意義是什么？對電梯有什么影響？回答這個問題我們就必須從曳引式電梯的原理講起。曳引式電梯是提升繩靠主機的驅(qū)動輪繩槽的摩擦力驅(qū)動的電梯。從力學(xué)的角度，要使重物在空中保持靜止?fàn)顟B(tài)，必須有一拉力與物體的重力相平衡，這時物體處于靜止或勻速運動狀態(tài)，稱為力的平衡。此系統(tǒng)稱為平衡系統(tǒng)。

電梯的對重就是設(shè)置來平衡這個拉力的裝置。轎廂的載荷是隨機變化的，可能是空載到滿載范圍內(nèi)的任意值，因此我們只能選擇一個恰當(dāng)?shù)膶χ刂亓縼砥胶?。這個對重重量與轎廂重量的差值和電梯額定載荷之比就是我們所說的“平衡系數(shù)”。平衡系數(shù)的取值不當(dāng)?shù)脑?，不僅會增加電梯的能耗，還會影響電梯的曳引能力，造成電梯的“沖頂”或“蹲底”事故。許多的事故都是由于隨意改變電梯的平衡系數(shù)造成的，如近年來多次發(fā)生的電梯轎廂過度裝修，其引發(fā)的事故往往產(chǎn)生重大的社會影響，引起了人們對電梯使用安全的恐慌。不僅在電梯驗收時需要測試平衡系數(shù)，在電梯安全普查時也常常需要對在用電梯進行平衡系數(shù)的測試。而目前廣泛采用的載荷狀態(tài)下的電流測試方法，需要搬運大量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼進行測試，耗費大量的人力物力，并占用大量的測試時間，對在用電梯的使用，造成了極大的不便。并且在測試的效果上并不能做到非常準(zhǔn)確，常常存在的一些誤差。因此文章在此提出了一種新型的空載檢測方法，研究其原理與可行性，希望與同行一共討論，使之完善并推廣到實際的檢測工作中去。

2 傳統(tǒng)載荷檢測方法的局限與不足

現(xiàn)行電梯檢驗規(guī)程的常規(guī)檢測方法是：轎廂分別裝載0、30%、40%、50%、60%、100%、110%的額定載荷，使電梯按照額定速度上下行駛，同時記錄轎廂上下運行至與對重框同一水平線時的電流值，并據(jù)此繪制出電流-載荷曲線圖，通過上，下行運行曲線的交點來確定電梯的平衡系數(shù)。該方法已經(jīng)在全國范圍內(nèi)推廣實行了多年，按照平衡系數(shù)的定義：當(dāng)電梯的轎廂與載荷的重量與對重側(cè)的對重重量相等時，轎廂內(nèi)的載荷與轎廂的額定載荷的比值就是該電梯的平衡系數(shù)。電動機的輸出功率與輸出力矩的關(guān)系為：

根據(jù)以上公式，在電動機轉(zhuǎn)速一定的情況下，輸出功率和輸出力矩成正比。當(dāng)載有檢規(guī)要求的載荷的轎廂向上或向下運行至與對重處于同一水平線的瞬間，電動機的定子電壓波動不大，電動機的輸出功率相同。排除空氣阻力等影響因素的理想情況下，根據(jù)異步電動機的工作特性，電動機的定子電流和輸出功率之間基本是接近于線性關(guān)系的。我們的常規(guī)載荷測試方法就是根據(jù)此原理，通過記錄檢規(guī)規(guī)定的幾種載荷運行情況下的電流數(shù)據(jù)，并將其繪制成電流-載荷曲線圖。根據(jù)繪制出的曲線圖找出其上下行時的交點，此交點就是該電梯的平衡系數(shù)。

但是這種常規(guī)的檢測方法存在著一些不可避免的誤差，受到多種因素的制約，無法精確的得出真實的平衡系數(shù)，只能將其大致的限定在一個范圍內(nèi)。但是根據(jù)平衡系數(shù)的定義，其不是一個大致的范圍，而是一個定量的數(shù)值。而在平常的檢驗工作中，大部分的的檢驗員都忽略了這個情況，而是按照檢規(guī)的要求只是確認(rèn)電梯的平衡系數(shù)在40%～50%的范圍內(nèi)即認(rèn)為符合要求。顯然用常規(guī)的這種載荷檢測方法是不可能確定一個精確的數(shù)值的。它受到以下多種因素的影響制約：

（1）現(xiàn)實的檢測中，檢驗員根據(jù)事先標(biāo)注的記號來確定何時轎廂與對重處于同一水平線，同時記錄當(dāng)時的電流數(shù)值。這時就存在著諸如電梯快速行時檢測人員肉眼觀察，人腦反應(yīng)速度等人身體因素方面的誤差。

（2）空氣阻力，鋼絲繩與曳引輪槽之間摩擦阻力等外界因素的影響。

（3）檢測條件的制約，如檢測所用的砝碼重量是否標(biāo)準(zhǔn)，檢測時電壓的波動等。

（4）繪制電流-載荷曲線圖時，用曲線相連時，必然會產(chǎn)生誤差，直接影響檢測結(jié)果的精確性。

綜上所述，常規(guī)的檢測方法存在著不可避免的誤差，影響了檢測結(jié)果的精確性和權(quán)威性。

更讓人頭疼的是這種檢測方法占據(jù)了大量的檢測時間和人力資源，耗時費力。更有甚者，由于雇傭的砝碼搬運工人不專業(yè)，亂丟亂放砝碼，導(dǎo)致轎廂的損壞和砝碼堆放位置不均勻，造成之后的載荷制動試驗時轎廂嚴(yán)重傾斜，損壞電梯，引起檢驗單位與電梯業(yè)主的糾紛，影響檢驗工作的順利進行，造成業(yè)主的經(jīng)濟損失。為此電梯界一直呼吁一種新型的平衡系數(shù)檢測方法的出現(xiàn)，替代常規(guī)的檢測方法，使檢測的過程更加便捷、準(zhǔn)確。

3 新型空載測試方法的原理與研究

根據(jù)以上公式，我們只需知道轎廂重量（W）和對重重量（P）即可求出電梯的平衡系數(shù)（K）。而電梯轎廂的重量和對重的重量是可以通過精確的力傳感器來準(zhǔn)確獲得的。力的測量方法可以歸納為利用力的靜力效應(yīng)和動力效應(yīng)兩種。這里我們可以利用靜力效應(yīng)來測量力，再通過力學(xué)公式，將測得的力轉(zhuǎn)化為所需要求得的重量。基本的原理是：力的靜力效應(yīng)使物體產(chǎn)生變形，通過測定物體的變形量或用與內(nèi)部應(yīng)力相對應(yīng)參量的物理效應(yīng)來確定力值。我們可以選擇采用靜態(tài)電阻應(yīng)變測試儀來測量鋼絲繩對轎廂和對重的拉力，進而確定轎廂和對重的重量。

具體的測量原理是：將傳感器夾持在電梯的鋼絲繩上，使其中的一段鋼絲繩產(chǎn)生彎曲變形，電橋?qū)⒈粶y應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電壓輸出，再經(jīng)過放大、相敏檢波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，最后顯示被測應(yīng)變數(shù)值。電橋原理如圖1所示：

如圖2所示：將傳感器夾持在電梯的鋼絲繩上，迫使其中一段鋼絲繩產(chǎn)生彎曲變形，在此過程中產(chǎn)生位移信號S及壓緊信號P。這里，位移信號S由設(shè)計的定位原件確定。壓緊信號P則由設(shè)計的力傳感器測定。經(jīng)過研究表明：鋼絲繩的張力T與產(chǎn)生位移信號S及壓緊信號P之間存在著一定的關(guān)系，利用此關(guān)系建立鋼絲繩張力的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過推導(dǎo)得到以下公式：

式中：T為鋼絲繩張力；P為傳感器壓緊信號；S為傳感器位移距離；l為傳感器標(biāo)距；K=，其中EI為鋼絲繩抗彎強度。通過上式計算得知：當(dāng)S與l一定時，P與T成正比例線性關(guān)系。根據(jù)此結(jié)論，確定適當(dāng)?shù)腟和l值，再通過測量P值即可得到鋼絲繩所受拉力T，從而確定轎廂和對重的重量。

如圖3所示，由此傳感器測得的張力信息傳入數(shù)據(jù)采集裝置，之后通過數(shù)據(jù)的采樣、分析，再傳給計算機。利用計算機強大的分析處理能力，采用數(shù)據(jù)融合、模式識別、模糊處理以及計算機圖形學(xué)等技術(shù)進行數(shù)據(jù)的綜合處理，求出最終的平衡系數(shù)。

4 結(jié)束語

空載測試電梯平衡系數(shù)的新型測試方法是對現(xiàn)有測試方法的有力補充和拓展，相比現(xiàn)行的常規(guī)載荷檢測方法，空載測試電梯平衡系數(shù)法不僅可以節(jié)約大量的人力物力和時間，在測得結(jié)果的準(zhǔn)確度上也有了很大的提高，排除了一系列影響測試結(jié)果的干擾因素，值得我們在今后的檢驗工作中尤其是對在用電梯的安全監(jiān)察工作中大力推廣，有利于減少繁重的工作量，大大緩解現(xiàn)實中人機配比嚴(yán)重不足的狀況，促進電梯安全管理工作的發(fā)展，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

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