基于定義法的電梯平衡系數絲桿提升檢測裝置的研究

孫學禮 黃國健 劉英杰 何 山 鵬啟鳳 陳 誨 劉文琴

（廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510663）

基于定義法的電梯平衡系數絲桿提升檢測裝置的研究

孫學禮 黃國健 劉英杰 何 山 鵬啟鳳 陳 誨 劉文琴

（廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510663）

電梯平衡系數是曳引式電梯的重要性能指標，關系到電梯的性能及安全。我國現行的法規要求，新裝曳引式電梯、改變了平衡系數的改造梯電梯都要進行平衡系數測試，而現行電梯平衡系數測試方法存在效率低和檢測成本高的問題，本文給出一種基于定義法的電梯平衡系數絲桿提升檢測裝置實現，即利用絲桿提升，依次測出轎廂重量、對重重量，再代入額定載荷、曳引比，求出電梯平衡系數，該方法適用于所有類型的曳引式電梯，測量過程無需載荷，簡單便捷，精度高，可重復性好。本文中涉及的電梯平衡系數檢測設備，已在現場做了大量的實驗，結果穩定可靠。

電梯平衡系數 曳引式電梯 定義法 絲桿

電梯的驅動有曳引驅動、強制驅動、液壓驅動等多種方式，曳引驅動是現代電梯應用最普遍驅動方式。曳引電梯的轎廂與對重通過鋼絲繩分別懸掛于曳引輪的兩側，轎廂與對重裝置的重力使曳引鋼絲繩壓緊在曳引輪的繩槽內。電動機轉動時由于曳引輪的繩槽曳引鋼絲繩的摩擦力，帶動鋼絲繩使轎廂與對重作相對運動，轎廂在井道中沿導軌上下運行。

曳引驅動最理想的情況是曳引輪兩端懸掛物重量相等，但由于轎廂內負載的大小是經常變化的，而對重在電梯安裝調試完畢后已經固定，不能隨時改變，為使電梯的運行基本上接近于理想的平衡狀態，所以，就要選擇一個合適的平衡系數。電梯的平衡系數k定義如下：

式中：

W ——對重重量；

G ——轎廂自重；

Q ——額定載荷重量；

k ——平衡系數。

當平衡系數k的值在0.4～0.5之間，對重能最大限度的平衡轎廂及轎內負載重量?，F行檢規中規定的平衡系數檢測方法是“電流—載荷曲線法”。該方法是一種需要載荷的測試方法，要求轎廂分別承載30%、40%、45%、50%、60%額定載荷，進行沿全程直駛運行，分別記錄轎廂上下行至同一水平面時的電流值，然后做電流—載荷曲線確定平衡系數。該方法已經沿用幾十年，技術成熟，測試結果得到普遍認可；但該方法需要反復搬運砝碼，勞動強度大，作業時間長，且在測量過程中，存在多處易產生誤差環節，如電壓波動、記錄電流的時間點、曲線圖繪制等等，這些環節影響其數值的準確性和可重復性[1-10]。

基于定義法的電梯平衡系數檢測是一種無載的檢測方法，即依次測出轎廂重量、對重重量，再帶入額定載荷、曳引比，求出電梯平衡系數?；诖嗽恚P者設計一種直接稱重空載轎廂、對重重量的平衡系數檢測儀，該儀器利用測量鋼絲繩張力求得轎廂、對重重量，代入平衡系數定義公式中，求得電梯平衡系數[11]。

1 裝置測量原理

電梯在停止狀態下，轎廂側、對重側上端鋼絲繩所受張力即為轎廂、對重重量，定義法即測量出鋼絲繩張力，測量原理如圖1所示：將轎廂、對重停至同一高度，在轎廂（對重）上方選取一段鋼絲繩，固定夾繩裝置1,夾繩裝置2，以夾繩裝置1為支撐，提升夾繩裝置2，使其中間所夾鋼絲繩松弛不受力，該時提升夾繩裝置2的力即為電梯鋼絲繩的張力，也是轎廂（對重）的重量[12-17]。

平衡系數檢測儀操作的位置可在轎頂，也可在機房操作。當機房鋼絲空間足夠時（曳引輪兩端鋼絲繩長≥350mm），將轎廂、對重開至同一高度時，安裝平衡系數檢測儀，分別測出轎廂側重量G1、對重側重量W1，假設從曳引輪處到轎廂、對重處的鋼絲繩重M1、M2，則G1= G+M1，W1=W+M2，由于轎廂、對重停在同一高度，M1=M2，代入平衡系數定義公式得式（1）。

圖1 稱重法實現原理

提升夾繩裝置2的力，可由液壓系統提供，也可由絲桿提供。該方案絲桿選用梯形絲桿，絲桿是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。而梯形螺紋牙根強度高，中性好，相比其他的螺紋更耐磨，且螺紋升角小于5°時具有自鎖功能，結構如圖2所示，驅動螺母力矩如式（2）所示：

式中：

Mq——驅動轉矩；

Mt1——螺紋摩擦力矩；

Mt2——螺旋傳動軸向支撐面摩擦力矩；

Mt3——螺旋傳動徑向軸承摩擦力矩。

圖2 梯形螺紋示意圖

在產品設計中，筆者在支撐面加入推力軸承與深溝球軸承，將螺旋傳動軸向支撐面摩擦力矩Mt2、螺旋傳動徑向軸承摩擦力矩Mt3對系統的影響降到很小，在此將其忽略，故Mq的計算公式可簡化為：

式中：

F ——螺旋傳動的軸向載荷；

λ ——螺紋升角；

ρ′ ——當量摩擦角；

s ——導程；

f ——摩擦因數；

α ——槽型夾角。

根據公式可得，提升1t重物時，所需驅動扭矩約為25000N·mm。

2 部件介紹

平衡系數檢測儀結構如圖3所示，由左右兩側部分組成，單側如圖4所示，重約3.25kg，通過四套螺栓、螺母左右兩側連接成一個整體。單側由上夾塊、下夾塊、內襯塊、T型紋螺桿、T型紋螺母、S型拉力傳感器、連接絲桿等組成。其中內襯塊有多種規格，開有不同直徑和數量的繩槽，分別對應不同的規格及根數的鋼絲繩。連接絲桿的長度可根據鋼絲繩直徑的不同，進行選取，以降低對鋼絲繩段長度的要求，增加在機房操作的可能性。

圖3 平衡系數檢測儀

圖4 平衡系數檢測儀單邊

圖5夾塊夾持面中心位置設有凹槽，圖6內襯塊嵌在夾塊凹槽內，由內襯塊夾持住曳引繩。內襯塊的繩槽規格與曳引繩直徑對應，即不同直徑的鋼絲繩對應不同規格的內襯槽，繩槽最多為8個；內襯塊材料選用高分子材料，在保證鋼絲繩安全的前提下，與鋼絲繩有一定的摩擦系數，摩擦系數≥0.35。

圖5 夾塊

圖6 內襯塊

夾塊分為上下，上下夾塊各有左右兩個，夾塊兩側設有安裝耳，安裝耳上設有安裝通孔，左右夾塊通過螺桿螺母安裝一起，螺桿選用M 16 12.9級規格；上夾塊裝有軸承，用于減少T型螺母轉動時與支撐面的摩擦力；夾塊按提升2t重物設計，材料選用42CrMo。

3 鋼絲繩損毀程度探傷實驗

由于該基于稱重法的平衡系數檢測儀需夾持鋼絲繩，為驗證是否對鋼絲繩造成了損傷，用夾具對鋼絲繩進行夾持，加力到90N·m（在實驗平臺，夾具上的力加到90N·m時，可提升2t砝碼），在夾持位置做標記。爾后使用TCK鋼絲繩損傷定量檢測系統對鋼絲繩進行測試，TCK鋼絲繩損傷定量檢測系統包括弱磁加載儀、鋼絲繩探傷儀。

在加載夾塊前后，分別做兩次探傷，對比其區別。對比結果如圖7、圖8所示：

圖7 夾持前TCK曲線

圖8 加持后曲線

本實驗夾持位置位于2.97至3.2m處，從圖7，圖8中可以看出，夾持幾乎沒有對鋼絲繩造成損傷。

4 檢測儀測試結果及分析

測試對象為日立HGP永磁同步曳引機驅動電梯，額定載荷1000kg，額定速度1m/s，分別按“電流法”和“稱重法”進行測量?！半娏鞣ā钡臏y量位置位于轎廂和機房，如圖9所示，“稱重法”測量位置位于井道，如圖10所示。測試過程中，下夾塊只需向上移動5mm，上下夾塊夾持段的鋼絲繩即松弛，由于T型絲桿的螺距為2mm，即螺母旋轉2.5圈即可，上夾塊所顯出的螺紋由5個變為2.5個。提升過程中，螺母每次旋轉180°，以保證左右兩邊偏差不會造成絲桿的損壞。兩種測試方法獲得的平衡系數測試結果十分接近，“電流法”測量結果為0.389，測試時間35min；“稱重法”測量結果為0.388，測試時間12m in。

測試由日立電梯（中國）有限公司、廣州市輝卓機電工程有限公司相關人員進行了協助和觀摩，“電流法”測試操作人員為4人，“稱重法”測試操作人員2人。

圖9 電流法

圖10 稱重法

通過比對實驗，“稱重法”在測量精度、現場檢測時間與勞動強度等方面的優越性得到了明確、具體的展現。

5 結束語

根據定義法，稱重空載轎廂與對重，代入平衡系數定義公式，原理簡單、直接，沒有過多中間環節、參數設定，減小了誤差產生的可能；檢測過程為無載檢測，無需搬運砝碼；設備單側重3.25kg，總體不超過7kg，兩人即可操作，測量時間10m in左右，省時省力；測量誤差在±0.5%以內。

根據定義法設計的平衡系數檢測儀，由于不改變曳引輪兩側的受力分布，且提升距離較短（≤20mm），安全可靠；與鋼絲繩接觸的內襯塊，選用高分子材料，且各種直徑的鋼絲繩，有相應的繩槽與之對應，將對鋼絲繩的損傷降低到最小。經過對比、實驗、現場應用，該方法大大優于傳統的檢測方法。

參考文獻

[1] 錢宇，朱翠芳．電梯平衡系數無載檢測的研究[J]．中國電梯，2008，19(5)：31-33.

[2] 郭琦，彭仁東，陳曙光，等．無載荷工況電梯平衡系數測量方法的應用[J]．中國特種設備安全，2007，23(4)：1-4.

[3] 趙國先．電梯平衡系數無載測試技術探討[J]．中國電梯，2007，18(5)：55-58.

[4] 趙國先，萬蒞新．簡述電梯平衡系數無載測試儀的研制[J]．中國電梯，2004，15(20)：41-42.

[5] 安徽省特種設備檢測院，安徽中科智能高技術有限責任公司．電梯平衡系數智能測試儀[P]．中國：CN2802492，2006-8-2.

[6] 吳予馨．曳引電梯平衡系數及其檢測方法研究[C]．機械研究與應用，2010，23(2)：101-103.

[7] 楊鵬．靜態重量差二次稱重法測試電梯平衡系數[J]．中國電梯，2009，20(1)：54-58.

[8] 劉正保．電梯平衡系數平衡差值測量法[J]．中國特種設備安全，2008，24(4)：13-15.

[9] 石成江，趙玉柱，車怡蕾，等．電梯平衡系數測試儀的開發[J]．機械設計與制造，2005，(6)：84-85.

[10] 王?。娞萜胶庀禂档呐ぞ販y試法及其測試裝置[P]．中國：CN101226096，2008-7-23.

[11] 安徽中科智能高技術有限責任公司．一種電梯平衡系數的測量方法[P]．中國：CN1696040，2005-11-16.

[12] 廣州特種機電設備檢測研究院．一種基于絲桿拉升式的電梯空載平衡系數檢測裝置[P]．中國：201610158430.5，2016-08-31.

[13] 廣州特種機電設備檢測研究院．一種基于液壓缸直頂式的電梯空載平衡系數檢測裝置[P]．中國：201610158388.7，2016-06-22.

[14] 廣州特種機電設備檢測研究院．具有液壓缸壓力檢測功能的電梯空載平衡系數檢測裝置[P]．中國：CN2015104224330，2015-11-04.

[15] 廣州特種機電設備檢測研究院．具有自回位功能的電梯空載平衡系數檢測裝置[P]．中國：CN2014104566263，2015-10-28.

[16] 廣州特種機電設備檢測研究院．電梯空載平衡系數檢測裝置[P]．中國：CN 104210913 A，2014-12-17.

[17] 廣州特種機電設備檢測研究院．電梯平衡系數檢測裝置及檢測方法[P]．中國：CN201210121058，2014-02-26.

A Lead Screw Driving Elevator Balance Coefficient Detection Device Development Based on the Definition Method

Sun Xueli Huang Guojian Liu Yingjie He Shan Peng Qifeng Chen Hui Liu Wenqin
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing Guangzhou 510663)

The elevator balance coeff cient is one of the important performance parameters of the traction type elevator, relating to the safe operation of the lift. Every installed traction elevator and modifed elevator which changed the balance coeff cient should be tested whether the elevator balance coeff cient is proper. The existing elevator balance coeff cient testing instruments have problems w ith low eff ciency and high cost. According to the defnition of elevator balance coeff cient, we developed a new balance coeff cient measurement droved by screw. We take the measurement to test the car’s weight and counterweight’s weight, and then we can get the balance coeff cient by taking the car’s weight, counterweight’s weight, rated load and traction ratio into a formula. The measurement can test all kinds of elevators w ithout loading. At present, the measurement has been tested under different conditions, and the consequence is closed to the real data.

The elevator balance coeff cient Traction type elevator Defnition method Lead screw

X 941

B

1673-257X(2017)06-0017-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.005

孫學禮（1982～），男，碩士，工程師，從事檢測儀器開發，包括電氣設計、機械設計、控制編程等工作。

孫學禮，E-mail: 641302712@qq.com。

2016-12-29）