離心式限速器壓爪力及主要參數研究*

王 斌，運向勇

（深圳市特種設備安全檢驗研究院，廣東深圳 518024）

0 引言

隨著城市化建設的推進，電梯已成為人們生活中不可或缺的重要垂直交通運輸設備[1]。電梯的普及，大幅提高了人們對空間的有效利用，極大方便了人們的生活，是人類在探索城市化建設中重要的文明產物[2]。隨著電梯數量的不斷增大，人們在享受快捷便利的現代生活的同時，電梯的安全問題也日益突出[3]。

限速器是電梯的重要安全部件[4]，在保障電梯安全運行中起著至關重要的作用。限速器能夠對電梯的運行速度進行監測，當電梯的速度出現異常超過一定數值時，限速器能夠及時地監測到速度的異常，進而觸發其電氣安全開關，切斷電路，使電梯停止運行。若此時電梯未能有效制停，則限速器通過本身的機械結構進一步帶動安全鉗抱住導軌，使電梯制停，避免電梯失速造成事故[5-7]。

限速器的結構參數特點直接決定著限速器動作時觸發力的大小，進而影響著限速器動作時的可靠性和靈敏性。目前，關于限速器的研究，主要是針對其測試和檢驗方法的研究，而對于限速器動作機理的研究較少。本文以離心式限速器為研究對象，建立了離心式限速器旋轉運動時壓爪作用力的計算模型，并研究了在不同參數下壓爪作用力隨著限速器輪旋轉速度變化的關系，對離心式限速器的參數選定、機械動作速度調節以及動作性能的評定提供了理論依據。

1 離心式限速器動作原理

離心式限速器的結構如圖1 所示。在限速器輪上，兩離心塊對稱布置，并通過連接桿相互連接，可以繞其各自的固定軸相對限速器輪轉動。離心塊一側連接有離心塊張緊彈簧，其彈簧拉力使離心塊保持向軸心張緊。張緊彈簧的張緊力可以通過彈簧一側的調節螺母進行調節。電梯正常穩定運行時，限速器輪在限速器繩的靜摩擦力作用下勻速轉動。離心塊在張緊彈簧拉力以及離心效應的相互平衡作用下，與限速器輪保持一定的間距，并隨著限速器輪轉動。電梯速度增大時，離心塊的離心效應越明顯，并打破與彈簧張緊力的穩定狀態，遠離軸心向外擺動，與限速器輪軸心的間距增大。當電梯速度達到限速器電氣動作速度時，其離心位移觸發電氣開關打桿，使限速器電氣開關動作。當速度進一步增大時，離心塊的離心效應也逐漸增大，進一步遠離旋轉軸心向外位移，當速度達到限速器機械動作速度時，離心塊相對限速器輪的位移觸發壓爪的運動，使棘爪得到釋放。釋放的棘爪在棘爪彈簧的拉力作用下卡入固定在限速器輪上的制動棘輪棘齒之間，使棘輪與限速器輪制停，進而觸發安全鉗的聯合動作使電梯轎廂制停。

圖1 離心式限速器結構圖

2 限速器離心塊系統運動模型

由限速器的動作原理可知，當限速器輪轉動時，離心塊的離心作用力隨著限速器輪轉動速度以及離心塊與軸心的間距的變化而改變。以離心塊為研究對象，以限速器輪轉動角度θ以及離心塊偏移角度φ為參考，建立廣義坐標系，離心系統的受力分析如圖2所示。限速器輪旋轉時，兩離心塊在離心作用下偏轉一微小角度φ，并沿著徑向產生微小偏移δ，系統在彈簧力FT以及壓爪作用力Fc下保持平衡。

限速器輪運行時，離心塊也隨之運動，因而離心塊具有動能，同時，彈簧在離心力效應作用下得到一定程度的拉伸，因而具有彈性勢能。離心塊系統的動能可以表示為：

圖2 離心塊系統受力分析圖

式中：m1、m2分別為兩離心塊的質量；φ為離心塊沿著其各自的固定軸心所轉過的角度；θ為限速器輪的旋轉角；r為離心塊質心與限速器輪軸心的距離；δ為離心作用徑向偏移量。

離心塊在隨著限速器輪轉動的同時，由于離心作用，兩離心塊將向輪外側相對于限速器輪發生一定的位移，并沿著其各自在限速器輪上的固定中心旋轉一定的角度，由于兩離心塊沿限速器輪軸心中心對稱布置，因此離心塊重力勢能的變化忽略為0，則勢能體現為彈簧儲存的彈性勢能以及連桿的重力勢能，其可以表示為：

式中：K1為離心塊張緊彈簧的彈性系數； Δx為彈簧的形變量；m3為連桿的質量；r2為連桿質心與限速器輪軸心的距離。

由于實際過程中，離心塊在離心效應下的偏移量很小，因此其旋轉角度φ可以按下式計算：式中：d3為離心塊偏轉軸心到彈簧作用點的距離；d1為離心塊質心與其偏轉軸心的距離。

將式（3）分別代入式（1）以及式（2），可得：

對于離心塊系統，其廣義力為壓爪壓力Fc以及彈簧初始預壓力F0所提供的平衡力矩。因此，離心塊系統的廣義力可以表示為：

由拉格朗日廣義力方程[8]：

其中：

結合式（4）～（6）可得離心塊系統的運動方程為：

設定兩離心塊的質量均為m，對上式進行整理可得：

由上式可知，提供離心式限速器機械動作觸發作用的壓爪作用力主要與離心塊質量、限速器輪旋轉角速度、離心塊幾何形狀、張緊彈簧預壓力、張緊彈簧作用位置以及張緊彈簧彈性系數有關。

3 離心式限速器壓爪作用力影響因素

離心式限速器是由壓爪動作進而釋放棘爪來實現超速時的機械動作，因此，壓爪作用力的大小和變化情況直接影響著限速器機械動作觸發的情況。式（10）建立了壓爪作用力與離心塊系統結構參數以及限速器輪旋轉速度之間的關系，因此，只要通過控制變量的方法，便能得到離心塊系統各結構參數對壓爪作用力的影響關系。在本文中，選取離心塊質量、張緊彈簧初始預壓力以及張緊彈簧彈性系數為主要變量，以節圓直徑為240 mm的離心式限速器為例，其他基本參數設定為d1=55 mm，d2=15 mm，d3=40 mm，r=60 mm，φ=8°。

圖3 離心塊質量對壓爪作用力的影響

設定張緊彈簧初始預壓力為10 N，彈簧彈性系數為100 N/m，以離心塊質量為研究變量，設定質量分別為0.5 kg、1.0 kg、1.5 kg，壓爪作用力隨著限速器輪轉動速度的關系如圖3 所示。由圖可知，當限速器輪慢速旋轉時，由于此時離心作用較小，離心塊系統在張緊彈簧預壓力的作用下能夠保持平衡，因此此時壓爪與棘爪之間并無作用力，離心塊系統隨著限速輪同步旋轉而無相對偏轉。隨著限速器輪旋轉速度的不斷增大，離心作用逐漸增強，當旋轉速度超過臨界值（如圖3 中v01,v02,v03所示）時，彈簧預壓力已經無法使系統保持相對平衡，此時，離心塊系統與限速輪之間開始發生相對偏轉，壓爪與棘爪之間開始產生力的作用。隨著離心塊質量的增大，壓爪與棘爪之間產生作用力所需的臨界旋轉速度越低。當旋轉速度大于臨界旋轉速度時，壓爪作用力也隨著旋轉速度的增大而增大。離心塊質量越大，壓爪作用力隨著旋轉速度增大的幅度越明顯，即離心塊系統相對于旋轉速度反應的靈敏程度越高，體現為曲線在同一速度下的斜率越大，此時，限速器越容易達到機械動作所需的壓爪作用力而觸發動作。

圖4 張緊彈簧初始預壓力對壓爪作用力的影響

設定離心塊質量為1.0 kg，彈簧彈性系數為100 N/m，以張緊彈簧的初始預壓力為變量，設定其值分別為10 N、15 N、20 N，得到壓爪作用力的變化關系如圖4所示。由圖可知，隨著預壓力的不斷增大，壓爪與棘爪之間產生作用力所需的臨界旋轉速度越大，限速器機械動作速度也不斷增大。當限速器旋轉速度達到臨界速度以后，不同的初始預壓力下，壓爪作用力隨著旋轉速度變化的幅度相同，因此，初始預壓力的值僅影響臨界旋轉速度的大小，而對離心塊系統相對于旋轉速度反應的靈敏程度無關。

以張緊彈簧彈性系數為變量，設定彈性系數分別為100 N/m、500 N/m、1000 N/m，設定離心塊質量為1.0 kg，彈簧初始預壓力為10 N，壓爪作用力隨著限速器輪旋轉速度的變化關系如圖5所示。由圖可知，相比于離心塊質量以及初始預壓力，彈性系數對壓爪作用力的影響較小，其影響趨勢大致與彈簧初始預壓力對壓爪作用力的影響情況類似。彈性系數越大，限速器輪臨界旋轉速度越大，觸發機械動作所需的速度也越大，彈性系數的大小同樣不影響離心塊系統相對于旋轉速度反應的靈敏度。

圖5 張緊彈簧彈性系數對壓爪作用力的影響

4 結束語

本文以離心式限速器為研究對象，建立了離心式限速器旋轉運動時的拉格朗日運動方程，并研究了離心塊質量、彈簧初始預壓力以及彈性系數對壓爪作用力的影響情況。隨著復工復產的進行，后續將計劃進一步展開對文中模型的現場實驗研究。從本研究中，可以得出如下結論。

（1）離心塊質量對限速器壓爪作用力的影響最為顯著，不僅影響壓爪與棘爪之間產生作用力的臨界旋轉速度大小，同時也影響離心塊系統相對于旋轉速度的反應靈敏程度。質量越大，所需的臨界旋轉速度越小，而靈敏性越高，限速器越容易達到機械動作所需的壓爪力而觸發動作。

（2）彈簧初始預壓力僅影響臨界速度的大小，而對系統反應靈敏性無關。初始預壓力越大，所需的臨界速度越大，限速器機械動作速度也越大。

（3）張緊彈簧彈性系數對壓爪作用力的影響較小，其影響情況與預壓力對壓爪力的影響情況類似，彈性系數越大，限速器機械動作速度越大，彈性系數的大小不影響系統相對于速度的反應靈敏程度。