電梯緊急制停時速度異常的分析與探討

馬錦華，方永清

（杭州西奧電梯有限公司，浙江杭州 311199）

電梯緊急制停時速度異常的分析與探討

馬錦華1，方永清2

（杭州西奧電梯有限公司，浙江杭州 311199）

對電梯系統緊急制停時，系統速度出現突然加速的異常現象進行數理分析和試驗驗證，提出系統繞主機曳引軸進行定軸轉動的角加速度和最大轎廂速度的理論計算方法，以利于制動器延遲以及轎廂意外移動保護裝置系統設計。

制動器延遲；制停速度；限速器；轎廂意外移動

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.18

0 引言

電梯制動器是確保電梯正常運行，且動作最頻繁的重要安全部件之一。它能保證電梯的電動機在沒有電源供應的情況下停止轉動，并使轎廂有效制停[1]。

《GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規范》中條款9.9.1～9.9.3，9.10.1，10.4.2及9.3和標準的附錄M，分別對電梯的限速器動作速度、制動能力以及緊急制動的減速度做出規定，但對于電梯緊急制動工況，電梯運行速度發生的異常，即系統運行速度的瞬時最大速度，無相關要求。

在進行某型號制動器試驗時，當轎箱內有125%額定載荷并以額定速度向下運行時，操作制動器，曳引機停止運轉，但限速器-安全鉗發生動作，現場檢查發現限速器電氣與機械均已動作。復位后，通過調整轎廂載荷，重復試驗，發現制動器在失電開始到制動力完全釋放前這段時間（下稱“制動器延遲”），轎廂下行加速且瞬時最大速度已超過限速器允許的最大動作速度，從而導致限速器機械動作。通過PMT（Performance Measure Test，性能指標測試）儀器檢測記錄曲線，緊急制停時，轎廂下行時速度曲線出現明顯“波谷”現象（圖1）。通過示波器檢測，制停系統的延遲時間符合 GB/T 24478—2009《電梯曳引機》中4.2.2.3條款規定要求，即制動器制停響應時間應≤0.5 s。

圖1 轎內125%額定載荷下行緊急制停時速度曲線“波谷”

電梯緊急制停過程中轎廂速度出現異常，可能引起安全鉗動作，嚴重時可能超過制動器的設計范圍，導致意外損傷或安全事故，因此對制動器延遲期間轎廂速度的異常現象進行數理分析，對于電梯系統和制動系統的設計尤其重要。

1 緊急制停時速度異常的數理分析

1.1 緊急制停時角加速度與轎廂速度

基于理論力學的定軸轉動定理[2]，假設電梯系統為繞驅動主機曳引軸，即定軸轉動的系統，在制動器失電瞬間，按定軸轉動定理：剛體定軸轉動的角加速度與它所受的合外力矩成正比，與剛體的轉動慣量成反比。定理公式見（1）式。

式（1）中，M為電梯系統的不平衡力矩；J為繞定軸的系統轉動慣量，為系統繞定軸轉動的角加速度；α與M方向相同。忽略系統的主機及系統效率、導靴摩擦阻力等因素的影響，由式（1）可得出電梯系統在緊急制停時，制動器失電瞬間系統繞驅動主機曳引軸定軸轉動的角加速度，見（2）式。

基于剛體繞定軸轉動的動能定理[2]，電梯系統繞曳引軸定軸轉動的動能Ek見（3）式。

（3）式中ω為系統繞驅動主機曳引軸的定軸轉動角速度，J為繞定軸的系統轉動慣量。

基于式（1）（2）（3），可推導出在緊急制停過程中制動器失電瞬間，電梯系統繞主機曳引軸轉動的角加速度α見（4）式。

假設電梯系統在緊急制停時制動器延遲時間為t，在時間t內，系統繞驅動主機曳引軸的定軸轉動角加速度α可視為恒量，系統做均加速運動，可推導出，延遲時間t后系統繞定軸轉動的瞬時角速度ω（t），見式（5），轉換為轎廂線性運動的速度v（t）見式（6）。

式（6）中，D為主機曳引輪直徑，r為電梯系統曳引懸掛比。通過式（6），可計算出制動器延遲時間t后，電梯系統的最大線速度。將v（t）與電梯系統所配置的限速器最大允許動作速度進行比對，從而對電梯系統和制動器設計進行核對，以保證設備在緊急制停時安全可靠。

1.2 緊急制停時電梯系統動能與不平衡力矩

假設電梯系統位于其設計提升高度的任意位置，且以系統額定速度運行時緊急制停，其系統不平衡力矩及運動能量計算公式如下，其中計算用相關參數匯總見表1。

表1 相關參數

電梯系統的總運動能量為直線運行部件和轉動部件的動能之和，可得出緊急制停時制動器失電瞬間電梯系統總運動能量Ek，見（7）式。

緊急制停時制動器失電瞬間的不平衡力矩，為電梯系統各部件相對曳引軸中心的力矩之和。假設系統不平衡力矩為M，轎廂側部件相對驅動主機曳引軸的力矩為Mcar，對重側相對驅動主機曳引軸的力矩 Mcwt，分別計算見式（8），（9），（10）。

其中Mcar與Mcwt方向相反，M方向與系統運行方向相同。

2 緊急制停速度的理論計算與試驗

試驗樣梯的相關參數見上表1中試驗參數列。試驗樣梯為非鋼絲繩曳引驅動電梯，無補償繩和漲緊輪，輪組直徑僅0.1 m，相關輪組轉動慣量折算的質量相對較小，因此計算系統動能及不平衡力矩時，忽略m0～m5的影響。

基于式（6），可理論計算出3種試驗工況，即轎內125%額定載荷下行、轎內100%額定載荷下行和空轎廂上行緊急制停時，在制動器延遲時間t后，轎廂的瞬時最大速度v（t）。

樣梯理論計算的相關數據結果見表2。表2中，制動器延遲時間t為PMT記錄曲線中，取加速度曲線開始突變點到轎廂最大速度所對應的時間差值，也可以通過示波器進行延遲時間t進行檢測。緊急制停試驗通過PMT儀器記錄，三種緊急制停工況的轎廂速度曲線和加速度曲線見圖1～6。

表2 緊急制停工況試驗樣梯的理論計算

圖2 轎內125%額定載荷下行緊急制停加速度曲線

圖3 轎內100%額定載荷下行緊急制停速度曲線

對比分析表 2 中理論計算 v（t）、PMT 實際測試 v（t），可得出4個結論。

（1）理論計算所得出的轎廂最大速度與PMT實際測試轎廂最大速度基本一致。

（2）轎內125%額定載荷下行緊急制停工況最為惡劣，轎廂瞬時速度最大。

（3）樣梯的額定速度v為1.75 m/s，按GB 7588—2003中9.9.1規定，限速器動作速度理論范圍為1.15v～(1.25v+0.25/v)，即2.01～2.33 m/s。基于式（6），調整試驗樣梯系統的配置和參數，如平衡系數k，提升高度H，轎廂自重P，以及補償繩（鏈）配置CC和Ncc等，轎內125%額定載荷下行緊急制停時，在制動器延遲時間t后，轎廂瞬時最大速度將達到2.05 m/s，超過標準要求的限速器動作速度的下限2.01 m/s。

圖4 轎內100%額定載荷下行緊急制停加速度曲線

圖5 空轎廂上行緊急制停速度曲線

圖6 空轎廂上行緊急制停加速度曲線

（4）按某品牌限速器出廠動作速度的企業標準要求，額定速度v為1.75 m/s時，限速器電氣動作速度范圍為2.05～2.09 m/s，機械動作速度范圍為 2.15～2.19 m/s。按分析（3），轎內 125%額定載荷下行緊急制停時，在制動器延遲時間t后，轎廂瞬時最大速度仍可能超過限速器出廠設置的電氣動作速度的下限。因此，在依據GB 7588—2003標準12.4.2.1和9.9.3條款規定要求，在進行制動器制停能力試驗時，宜以限速器電氣開關不動作作為要求，即電梯系統在緊急制停時，電梯系統的瞬時最大速度，不超過GB 7588—2003標準9.9.1條款規定的下限要求。

3 結語

本文所提出的制動器延遲期間，電梯系統繞定軸轉動的角加速度和最大轎廂速度的方法，對于進一步研究電梯制動系統的相關設計，提供了系統計算的參考。在電梯系統緊急制動過程中，電梯系統的最大速度，宜以限速器電氣開關不動作作為要求，即不超過GB 7588—2003標準9.9.1條款規定的下限要求。

按緊急制停時理論計算轎廂瞬時最大速度的方法，設計時需要優化制動器延遲時間，并綜合考慮制動器反電動勢電壓和吸合噪音，確保制動安全和運行舒適性，同時在符合系統曳引力要求和系統成本允許的范圍內，適當調整電梯系統的自重，補償繩（鏈），平衡系數等參數，減小緊急制停工況系統的不平衡力矩和角加速度。

TU857

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〔編輯 利 文〕