電梯轎廂意外移動保護裝置的匹配性計算

江海濱，洪 永，胡曉雯，王 葵，劉文文，佘 昆

（1.廣東省特種設備檢測研究院，廣州 510655；2.廣東省特種設備檢測研究院中山檢測院，廣東中山 528403）

0 引言

近年來，隨著生活水平日益提高，城市化進程的推進，各地建設的高樓越來越多，電梯的使用量也越來越多，電梯已成為人們不可缺少的交通工具，其安全性能也越來越被人們關注。電梯轎廂發生意外移動，可能對出入轎廂的乘客產生剪切或擠壓的風險［1］。因此，2015 年7 月16 日國家標準化管理委員會正式公布GB7588－2003《電梯制造與安裝安全規范》第1 號修改單，提出電梯應具有防止轎廂發生意外移動或者使意外移動停止的裝置。這個裝置常稱為轎廂發生意外移動時的保護裝置，成為電梯的主要安全保護裝置之一。緊接著2016 年6 月6 日公布了《電梯型式試驗規則》（TSG T7007－2016）對電梯轎廂意外移動保護裝置（UCMP裝置，下同）的型式試驗進行了規定。隨著UCMP裝置的型式試驗開展，其工作原理、理論計算和關鍵參數選擇問題值得關注。由于參數的選擇不合理，容易導致轎廂意外移動保護裝置的匹配性計算無法滿足標準要求。從目前的轎廂意外移動保護裝置的相關研究來看［2－10］，針對轎廂意外移動保護裝置匹配性計算及相關參數的研究比較少，轎廂意外移動保護裝置的匹配性計算是驗證UCMP 裝置的匹配性和適用性的重要工作，本文結合UCMP裝置的型式試驗，提出了影響UCMP裝置的匹配性計算的幾個關鍵參數選擇問題，分析了問題產生的原因，并提出行之有效的解決方案，供業內同行探討。

1 UCMP裝置的組成

UCMP裝置的種類很多，比較常見的UCMP 裝置是由檢測子系統、制停子系統和自監測子系統組成；也有采用檢測子系統和制停子系統組成的UCMP裝置（如檢測子系統＋鋼絲繩制動器）；還有采用制停子系統和自監測子系統組成的UCMP 裝置，可適用于不具有開門情況下的平層、再平層和預備操作的曳引與強制驅動電梯。其中，制停子系統根據不同的結構型式主要分為：有冗余的曳引機制動器、雙向鋼絲繩制動器、雙向安全鉗制動器、輪式制動器、夾軌器等［11］。

2 UCMP裝置的基本原理、理論計算和判定原則

2.1 基本原理

在層門未被鎖住且轎門未被關閉的情況下，由于轎廂安全運行所依賴的驅動主機或驅動控制系統任何單一元件失效引起轎廂離開層站的意外移動，此時，轎廂先加速運行，當運行到一定距離，UCMP裝置中的檢測子系統檢測到轎廂的意外移動，并發出制停信號，轎廂仍然加速移動，UCMP 裝置中的制停子系統收到制停信號后，開始制停，轎廂達到意外移動的最高速度便開始減速下降，直到轎廂被制停。UCMP 裝置的主要功能是在門開著的情況下，檢測到轎廂發生意外移動，并可靠制停轎廂。

2.2 理論計算

圖1 所示為轎廂發生意外移動到檢測并觸發保護裝置制停轎廂的過程曲線。整個過程可分為3 個部分，即意外移動發生階段、檢測并響應觸發階段和制停階段。

圖1 電梯轎廂意外移動時的過程曲線

為了更加精準地描述和計算轎廂意外移動保護裝置的檢測、觸發和制停的過程，根據各個運動過程的具體情況，分別得出如下公式。

轎廂減速前的最高速度v的計算公式如下：

轎廂意外移動的總距離（加速距離與制停距離之和）s 的計算公式如下：

式中：a1為曳引驅動電梯的轎廂在內部控制裝置引起的電氣故障的情況下假定可達到的加速度，取2.5 m／s2；s1為申請單位設計的檢測到意外移動時轎廂離開層站的最大距離，m；t1為申請單位預期的檢測子系統最大響應時間（該時間為平層感應器、檢測電路等響應時間的綜合），s；a2為制停子系統報告給出的曳引式電梯的自然加速度，取各工況的測試或計算值，m／s2；t2為申請單位申請的觸發裝置最大響應時間（考慮到制動接觸器響應時間與主接觸器響應時間近似相等），s；t3為制停子系統報告中給出的制停子系統最大響應時間，s；a3為制停子系統報告中給出的平均減速度或理論計算值，m／s2。

轎廂意外移動保護裝置試驗速度下的制停距離計算的目的是：用相同負載和相同初速度來衡量制停部件制動力是否下降到不可接受的程度。圖2 所示為轎廂意外移動保護裝置試驗速度下的制停轎廂的過程曲線。

圖2 UCMP裝置試驗速度下的制停過程曲線

根據電梯轎廂意外移動保護裝置試驗速度下的制停過程可以得到以下公式：

式中：v4為申請單位設定的試驗速度，m／s；v5為轎廂在試驗速度下，在t3時間內的最高速度，m／s；s試為試驗速度下的制停距離，m。

2.3 判定原則

結合上述公式，判斷v與s是否符合檢驗依據的條件為：

式中：v0為制停子系統型式試驗報告中給出的所預期的轎廂減速前最高速度，m／s；s0為所允許的轎廂意外移動總距離最大值，取1.2 m。

3 檢測到轎廂意外移動的距離問題

常見的UCMP裝置中檢測子系統是由位置傳感器和信號處理單元組成的，如圖3 所示，檢測子系統檢測到轎廂意外移動的距離s1是等于隔磁板長度的一半減去上下光電開關距離的一半，故隔磁板安裝尺寸決定轎廂意外移動保護裝置檢測轎廂意外移動時的檢測距離值。然而，在現有的檢規里，還沒有針對安裝在轎頂上的光電開關位置和距離的檢測要求。

圖3 隔磁板與平層感應器安裝

若位于中間的兩光電開關之間的距離變大，UCMP 裝置檢測轎廂意外移動距離值s1變小，甚至在轎廂發生微小移動，也容易檢測到，并產生觸發制停的誤動作故障。反過來，若中間兩光電開關距離變小，那么UCMP裝置的檢測轎廂意外移動距離值s1變大，這種情況無疑增大了轎廂移動的總距離值，按照式（2），有可能使轎廂移動的總距離值超過標準要求［12］。

針對這個問題，按照GB7588－2003《電梯制造與安裝安全規范》（含第1 號修改單）的要求，即轎廂意外移動總距離最大值1.2 m。建議：要求制造單位提供光電開關和隔磁板安裝圖紙，并在現有的檢規中，增加一項對光電開關安裝距離的檢查的項目，確保轎廂檢測到意外移動值在企業申請的范圍內。

4 UCMP裝置的響應時間問題

UCMP裝置的響應時間主要由3 個部分組成，檢測子系統的響應時間t1、觸發裝置的響應時間t2和制停子系統的響應時間t3。檢測子系統響應時間t1是位置傳感器和信號處理單元響應時間的總和，常見的檢測子系統響應時間t1≤30 ms。常見的觸發裝置一般就是接觸器，由于企業選擇的接觸器品牌和功率不一樣，有可能存在實際使用的接觸器的響應時間要比申請做匹配性計算時接觸器響應時間大，這種情況下，在匹配性計算時能夠滿足要求，但實際應用時，由于響應時間選取過大，惡劣工況下有可能超出標準要求。

制停子系統的響應時間一般是制造單位在設計該產品時就確定下來的，由式（2）可知，制停子系統響應時間過大，有可能使轎廂意外移動的總距離不超過1.2 m。

針對這個問題，建議制造單位選用響應時間較小的接觸器，在進行匹配性計算時，適當留有一定的余量。比如選用的接觸器響應時間為25 ms，在進行匹配性計算時可申請接觸器響應時間小于或等于40 ms，這樣既能通過匹配性的計算，滿足標準要求，又可以避免后期維保時更換其他接觸器后，其響應時間可能高于匹配性計算時的接觸器響應時間情況。制停子系統制造廠家應該優化設計，生產響應時間較小的制停子系統，為了滿足轎廂意外移動的總距離不超過1.2 m的要求，一般設計的制停子系統響應時間控制在300 ms內。

5 預期的轎廂最大制停距離問題

制停距離是指在制停子系統（即制停部件）制停過程中，轎廂從開始減速到完全停止的距離。對于一款全新的制停子系統，剛開始其制動性能應該是最好的，但隨著使用時間的過長，制動次數的增多，其制動力相應下降，制動減速度也減小，制停距離就變長。若制停距離過長，根據式（2），可能在某個時間節點超出標準要求。因此，選擇和確定預期的轎廂最大制停距離成為UCMP裝置計算時的必要工作。目前，各個制造單位選擇和確定的方法不一致，有的采用最小減速度的方式來確定；有的采用最大制停距離的方式；還有的參考實際測試數據等情況。

針對這種情況，建議統一采用轎廂最大制停距離這個參數，按照GB7588－2003《電梯制造與安裝安全規范》（含第1 號修改單）的要求，即轎廂意外移動總距離最大值為1.2 m，可見匹配性計算最后是通過距離來進行判定的。因此，建議制造單位設計制停子系統時，依據式（1）～（4），按照最惡劣工況選擇基本參數得到減速前轎廂移動的總距離s1＋s2＋s3，然后用1.2 m減去轎廂減速前的總距離s1＋s2＋3，即為轎廂意外移動運行的最大制停距離。計算最小制停減速度時，可用轎廂減速前的最高速度v的平方除以2 倍的最大制停距離得到。

6 結束語

本文介紹了UCMP裝置匹配性計算的結構組成和原理，給出了UCMP裝置匹配性計算公式和判定原則。針對UCMP 裝置進行匹配性計算時，由于參數選擇不合理，容易造成合成計算無法滿足要求的問題，分析了幾個關鍵參數對匹配性計算的影響，并提出了幾個參數選擇的可行方案，供業內同行參考。

經過分析得出：制造單位應優化產品設計，按照標準要求，在對檢測子系統檢測距離、接觸器響應時間、制停子系統響應時間、預期轎廂最大制停距離等關鍵參數選取時，進行充分考量，關鍵參數的選擇上，既要保證一定余量，方便使用，又要考慮不能超過標準設定的限值。