具有制動(dòng)功能的電梯滾動(dòng)導(dǎo)靴設(shè)計(jì)及分析

金國(guó)強(qiáng)

（奧的斯機(jī)電電梯有限公司，杭州 310019）

在高層建筑物中，電梯是非常重要的運(yùn)輸工具，它可以用來進(jìn)行人員的輸送以及貨物的有效運(yùn)輸。就電梯品質(zhì)看，其包括安全性、舒適性以及功能性這三大要素。安全性是其中最為重要的因素。近年來，我國(guó)電梯事故時(shí)有發(fā)生。例如，2011年，東莞市的鴻福商務(wù)寫字樓便發(fā)生了一起嚴(yán)重的電梯事故，其使用的A1奧的斯電梯轎廂由19層向下墜落，墜落到8樓后出現(xiàn)一秒鐘的停頓，緊接著快速墜落，結(jié)果有20多人受傷。出現(xiàn)這些問題的原因?yàn)殡娞莸娜粘＞S護(hù)不當(dāng)，電梯限速器的安全鉗系統(tǒng)沒有起到保護(hù)功能。因此，人們需要提升電梯安全系數(shù)。

現(xiàn)階段，很多安全鉗系統(tǒng)正被人們開發(fā)與應(yīng)用。它通過電梯導(dǎo)軌的輪子旋轉(zhuǎn)程度對(duì)電梯轎廂的運(yùn)行開展檢測(cè)，保留了原有的安全鉗系統(tǒng)。但是，這種模式僅改變了安全鉗模塊，無法有效提升電梯安全系數(shù)。就以上的不足，通過應(yīng)用汽車鼓式制動(dòng)器的工作原膜，設(shè)計(jì)電梯用的限速器-安全鉗結(jié)構(gòu)，分析其應(yīng)用的性能。這一導(dǎo)靴既可以進(jìn)行導(dǎo)向和減振，同時(shí)能夠提供有效的保護(hù)功能。

1 基本工作原理與結(jié)構(gòu)

電梯的基本構(gòu)成包括導(dǎo)軌、導(dǎo)靴、廂架和轎廂等，這里有四組導(dǎo)靴是在上下轎架的左右兩側(cè)進(jìn)行安裝的。滾動(dòng)式導(dǎo)靴為中高速電梯的主要構(gòu)成。滾動(dòng)式導(dǎo)靴的三個(gè)導(dǎo)輪緊密貼在T結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌工作面上，這種情況下電梯不會(huì)出現(xiàn)較大的水平移動(dòng)，使得導(dǎo)軌僅僅可以上下移動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)軌模塊通過滾動(dòng)摩擦代替原有的滑動(dòng)摩擦，使得電梯在運(yùn)行過程中的噪音和振動(dòng)得以減小，使人乘坐電梯更為舒適。

本設(shè)計(jì)利用電梯導(dǎo)軌之間具有的抱持模式，來實(shí)現(xiàn)電梯轎廂的緊急制動(dòng)。這一滾動(dòng)導(dǎo)靴裝置主要包括導(dǎo)輪停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)導(dǎo)軌模塊。本文應(yīng)用的就是滾動(dòng)導(dǎo)軌模塊的三個(gè)導(dǎo)軌緊貼模式，同導(dǎo)輪的連接支撐結(jié)構(gòu)與支撐擺桿鉸接基礎(chǔ)。

如果電梯轎廂產(chǎn)生一定的失速，液壓執(zhí)行模塊驅(qū)動(dòng)液壓缸會(huì)提供動(dòng)力，促使支撐擺桿產(chǎn)生擺動(dòng)。支撐擺桿促使?jié)L動(dòng)輪機(jī)構(gòu)內(nèi)部的導(dǎo)輪順著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)的正壓力施加到導(dǎo)軌上，促使導(dǎo)輪抱持。同時(shí)，處在停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的液壓缸會(huì)輸出兩個(gè)方向大小一致的動(dòng)力，該動(dòng)力會(huì)使制動(dòng)閘片分開。制動(dòng)閘就可以在制動(dòng)鼓模塊出現(xiàn)摩擦，使得導(dǎo)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)停止。這時(shí)，電梯轎廂處在四組導(dǎo)軌內(nèi)部的12個(gè)導(dǎo)輪摩擦力控制下，實(shí)現(xiàn)緊急情況的制動(dòng)。電梯在正常工作時(shí)，液壓缸1、2是不會(huì)進(jìn)行力的輸出的，導(dǎo)靴滾輪只是處于彈簧的應(yīng)用中向?qū)к壘o貼，以此進(jìn)行導(dǎo)向和減振。

2 導(dǎo)靴系統(tǒng)的計(jì)算

對(duì)這一導(dǎo)靴進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的就是將與限速器安全鉗系統(tǒng)不同的電梯安全保護(hù)裝置提供給高速電梯（V額＞2m/s）。開展制動(dòng)操作時(shí)，其可以依賴限速器安全鉗開展相關(guān)配置，還可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，額定速度在0.62m/s以上時(shí)都需要對(duì)漸進(jìn)式的安全鉗開展控制，這種導(dǎo)軌可以開展不同的制動(dòng)力操作。電梯在超速的情況下，通過計(jì)算，可以得到電梯上行時(shí)需要的最大制動(dòng)力為：

式中，F(xiàn)S為電梯上行過程中應(yīng)具備的最大動(dòng)力；P為電梯空載時(shí)的重力；Q為電梯的額定荷載數(shù)值；g為重力加速度；K為電梯的平衡系數(shù)；a1為電梯轎廂上行時(shí)的制動(dòng)減速度。

為保證安全鉗的制動(dòng)力不會(huì)出現(xiàn)不足或過大的情況，人們應(yīng)取a1=0.8g進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

電梯下行時(shí)需要的最大制動(dòng)力為：

式中，F(xiàn)X為電梯下行時(shí)需要的最大制動(dòng)力；P為電梯空載時(shí)的重力；Q為電梯的額定荷載數(shù)值；g為重力加速度；a2為電梯轎廂下行時(shí)的平均減速度。

為保證安全鉗的加持力不會(huì)出現(xiàn)過大或過小的狀況，建議取a2=0.6g進(jìn)行計(jì)算。以上a1和a2的取值需要依照GB7588-2003中對(duì)于漸進(jìn)式安全鉗關(guān)于平均速度的規(guī)定（處于0.2～1.0g范圍內(nèi)）進(jìn)行選取。

本文對(duì)于某一款電梯運(yùn)行時(shí)設(shè)定的參數(shù)數(shù)值如下：P=1000kg、Q=1000kg、K=0.5、g=10m/s2， 就 此 可 得 a1、a2、FS、FX。由于FX＞FS，得出其需要的制動(dòng)力為F2=FX。本文設(shè)計(jì)的電梯內(nèi)部的滾動(dòng)導(dǎo)輪數(shù)量為12個(gè)，每一個(gè)導(dǎo)輪都可以提供制動(dòng)的功能，這些導(dǎo)輪為電梯提供所需的制動(dòng)力F2，則所有的導(dǎo)輪的摩擦力F3=F2/12。同時(shí)，因?yàn)殡娞輰?dǎo)靴滾輪內(nèi)部的電梯導(dǎo)軌模塊是不存在潤(rùn)滑的，其是同耐磨橡膠與冷軋鋼材分別進(jìn)行接觸的，由摩擦因數(shù)表可知電梯導(dǎo)靴與導(dǎo)軌模塊的摩擦力因數(shù)μ1=2，那么所有導(dǎo)輪對(duì)導(dǎo)軌施加的正壓力N0=F3/μ1。

3 導(dǎo)靴模塊的設(shè)計(jì)

3.1 滾動(dòng)導(dǎo)輪與液壓模塊的設(shè)計(jì)

液壓缸1提供的力F0直接作用于導(dǎo)靴導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)軸，同導(dǎo)輪對(duì)導(dǎo)軌施加的正壓力N0在同一個(gè)直線上，可以得到F0=N0，液壓缸模塊輸出的作用力p、液壓缸的直徑dw以及液壓壓力的關(guān)系如式（3）所示。

式中，p為考慮電梯系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置作用下的管路液壓和液壓缸，p=（8～12）MPa此處選擇p=10MPa。

則液壓缸1的直徑為：

由GB 7524-87標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓缸尺寸系列，需要保留一定的余量，并兼顧其經(jīng)濟(jì)性，選取液壓缸1的直徑為dw1。

3.2 導(dǎo)輪停轉(zhuǎn)模塊的分析與設(shè)計(jì)

導(dǎo)輪停轉(zhuǎn)模塊需要設(shè)計(jì)的摩擦力數(shù)值為F3，其需要有效克服導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作用力矩，假設(shè)停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)僅要求具備最小制動(dòng)力矩T1，那么：T1=F3·D2/2。

假設(shè)安全系統(tǒng)S＝1.5，那么停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要求的最終力矩T2＝ S-T1。

導(dǎo)輪停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的部件都是在制動(dòng)底板中集成的，其主要參數(shù)如圖1所示。其中，O為制動(dòng)底板圓心；A、B為制動(dòng)蹄的支撐點(diǎn)；C、D為制動(dòng)閘片的起始點(diǎn)；R1為圓心O與制動(dòng)閘片工作面之間的距離；D1為制動(dòng)鼓直徑；θ為制動(dòng)閘片包角；θ0為制動(dòng)閘片的起始角；a、c為制動(dòng)蹄支撐點(diǎn)的位置坐標(biāo)；e為制動(dòng)底板中心O與張開力F1之間的距離；F1為液壓缸2提供的張開力；θ1為OB同豎直線之間的夾角；α′為OA同OC的夾角；α″為OA和OD之間的夾角。

圖1 輪停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要幾何參數(shù)

制動(dòng)蹄的制動(dòng)力矩Mf可以用式（5）來表示。

式中，F(xiàn)2為制動(dòng)蹄法向合力；R2為制動(dòng)閘片在F2作用下同導(dǎo)輪外殼內(nèi)壁相互摩擦產(chǎn)生的大小是μ2F2的力的作用半徑；μ2為制動(dòng)閘片與制動(dòng)鼓內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)。

已知 D1，選取 θ、θ0、θ1、a=e=0.4D1，可以得到 R1、α′、α″。R2和R1的關(guān)系可以用式（6）表示：

同時(shí)，液壓缸2提供的張力F1、R2和停轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需要的最終力矩Mf的關(guān)系可用式（7）表示：

根據(jù)式（4），人們可以同樣求出液壓缸2的直徑dw2，選取dw2=dw1，以統(tǒng)一零部件。

4 結(jié)論

本文主要依賴目前電梯模塊采用的限速器與安全鉗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過借鑒其他模塊較為成熟的應(yīng)用模式，設(shè)計(jì)出具有制動(dòng)功能的滾動(dòng)導(dǎo)靴。這些導(dǎo)靴模塊的每一個(gè)導(dǎo)輪都可以抱持導(dǎo)軌，可以提升電梯的安全系數(shù)，研究表明，在高速電梯系統(tǒng)內(nèi)部使用這樣的導(dǎo)靴可以獲得很好的制動(dòng)性能。

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