電梯125%額定載荷制動性能的無載荷定量檢測

陳建勛，蘇宇航，楊寧祥，邰勝林，吳溪

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，廣東 珠海 519002；2.珠海市安粵科技有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，電梯已成為人們生產(chǎn)生活過程中不可或缺的交通工具，作為一類機(jī)電類特種設(shè)備，電梯安全性能得到越來越多的關(guān)注。目前在用垂直電梯基本都為曳引驅(qū)動電梯，曳引機(jī)是電梯運(yùn)行的重要動力部件和安全部件，電梯運(yùn)行時通過曳引電動機(jī)帶動曳引輪為電梯上行和下行提供驅(qū)動力，而當(dāng)電梯正常達(dá)到指定層站或遇到電梯上行超速功能被觸發(fā)、安全開關(guān)意外動作等特殊情況需要緊急制停時，則需利用制動器進(jìn)行曳引輪減速直至電梯完全停止。作為曳引機(jī)的重要組成部分，制動器使用頻率最高，可視為電梯的“剎車系統(tǒng)”，制動器不及時動作或提供的制動力矩不足時將使電梯帶病運(yùn)行，極易導(dǎo)致轎廂失速，甚至沖頂或墩底，造成人員剪切、擠壓、墜落、撞擊等事故，嚴(yán)重威脅乘客生命財產(chǎn)安全[1-3]。因此，制動性能一直都是電梯檢驗檢測過程中重點關(guān)注的指標(biāo)。

特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG T7001《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動電梯》第8.13項對“制動試驗”的檢驗要求為：轎廂裝載125%額定載重量，以正常運(yùn)行速度下行時，切斷電動機(jī)和制動器供電，制動器應(yīng)當(dāng)能夠使驅(qū)動主機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗后轎廂應(yīng)無明顯變形和損壞[4]。傳統(tǒng)檢測方法需要通過向電梯轎廂內(nèi)搬運(yùn)與125%額定載荷等質(zhì)量的砝碼，該方法雖然使用廣泛、技術(shù)成熟，但實施時主要依靠人為定性判斷轎廂制動滑移狀況，耗費(fèi)人力物力，效率低下，搬運(yùn)砝碼過程也存在轎廂意外滑動安全隱患[5]，測試結(jié)束還可能對電梯造成一定程度的損傷，這些都給電梯使用、維保和檢驗單位造成了很大困擾，制動性能的無載荷檢測技術(shù)逐漸成為研究熱點[6]。

本文介紹了電梯制動性能的無載荷定量檢測方法并開發(fā)了檢測系統(tǒng)，依據(jù)數(shù)學(xué)模型通過3組不同工況空載制動減速度對125%額定載荷制動減速度進(jìn)行計算，從而對檢規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的125%載荷雙邊制動性能進(jìn)行定量評估，測試結(jié)果與檢規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求對應(yīng)，具有很好的通用性。

1 無載荷檢測原理

1.1 有載制動減速度計算原理

目前在用垂直電梯基本都為曳引驅(qū)動電梯，其曳引系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電梯運(yùn)行時通過電動機(jī)帶動曳引輪旋轉(zhuǎn)，依靠曳引輪周向輪槽與鋼絲繩組間摩擦力（曳引力）帶動鋼絲繩移動，使電梯轎廂和對重相反方向運(yùn)行。電梯到達(dá)指定層站或緊急制停時控制系統(tǒng)控制制動器動作，通過制動閘瓦與制動輪摩擦實現(xiàn)曳引輪減速，進(jìn)而使轎廂制停。

圖1 電梯曳引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

電梯制動過程中由于曳引輪兩側(cè)質(zhì)量差將對制動輪軸心產(chǎn)生偏載力矩，運(yùn)動部件由于具有轉(zhuǎn)動慣量也會產(chǎn)生慣性力矩，慣性力矩既包括曳引輪、制動輪等旋轉(zhuǎn)部件的慣性力矩，也包括轎廂、對重、轎廂中載荷、鋼絲繩、補(bǔ)償繩（鏈）直線運(yùn)動部件的慣性力矩。令偏載力矩正方向為轎廂減速運(yùn)動方向，即制動時制動力矩的反方向，忽略導(dǎo)軌摩擦力對系統(tǒng)影響并假設(shè)制動過程為勻減速過程，根據(jù)力矩平衡關(guān)系，制動過程中制動閘瓦產(chǎn)生的制動力矩為偏載力矩與慣性力矩的和，可得轎廂在不同位置、不同運(yùn)行方向、不同裝載質(zhì)量下制動過程動力學(xué)模型[7]：

式中：MZ為制動力矩，其方向為轎廂運(yùn)動的反方向，N·m；MP為偏載力矩，N·m；a為轎廂制動減速度，m/s2；i為曳引比，即電梯運(yùn)行時鋼絲繩移動速度與轎廂移動速度的比值；r為制動輪到曳引輪的傳動比，即制動輪轉(zhuǎn)速與曳引輪轉(zhuǎn)速的比值，對于同步電動機(jī)等于1；D為曳引輪節(jié)圓直徑，m；J0為曳引輪、制動輪等旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；JZ1為系統(tǒng)固有直線運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量，即轎廂、對重、鋼絲繩、補(bǔ)償繩（鏈）的總轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；JZ2為轎廂中載荷的轉(zhuǎn)動慣量；η為制動輪到曳引輪的傳動效率，無量綱，近似等于1。

根據(jù)式（1）建立空載上行行程中部制動、空載下行行程中部制動、空載下行行程下部制動、125%額定載荷下行行程下端制動4種制動過程動力學(xué)模型方程組，求解得到125%額定載荷下行行程下端制動減速度與其余3組空載制動減速度間關(guān)系[8]：

式中：a125為125%額定載荷制動減速度；g為重力加速度，近似為9.8 m/s2；K為平衡系數(shù)，與轎廂自重、對重質(zhì)量和額定載荷有關(guān)；a0為空載下行行程下部制動減速度；a1為空載上行行程中部制動減速度；a2為空載下行行程中部制動減速度。通過上式可通過無載荷制動試驗對125%額定載荷制動減速度的計算。

1.2 制動參數(shù)評估方法

電梯裝載125%額定載荷實現(xiàn)制動減速的前提是a125大于零，可得平衡系數(shù)與3組空載制動減速度需滿足如下關(guān)系：

有載制動試驗的目的在于判斷緊急制停時能否讓轎廂最終完全停止，并保證轎廂內(nèi)乘客的安全。首先，制動減速度不能太小，否則制動時轎廂下行很長距離才停止，可能導(dǎo)致墩底，其次，制動減速度也不能太大，否則轎廂在短時間內(nèi)急劇減速造成的瞬間沖擊易使乘客受傷或鋼絲繩繩頭脫落、鋼絲繩斷裂。除滿足式（3）使電梯能夠減速外，a125還應(yīng)處于合理的區(qū)間范圍。GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：載有1.25倍額定載重量以額定速度下行時，制動器應(yīng)能使曳引機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，轎廂減速度不應(yīng)超過安全鉗動作或撞擊緩沖器時的減速度；漸進(jìn)式安全鉗對額定載荷自由下落轎廂的制動減速度平均值應(yīng)為重力加速度的0.2～1.0倍；裝有額定載荷的轎廂自由落體并以1.15倍額定速度撞擊非線性蓄能型緩沖器時的平均減速度不應(yīng)超過1g[9～11]。綜合分析，125%額定載荷制動減速度應(yīng)大于0.2g，同時小于1.0g，即處于1.96～9.80 m/s2范圍內(nèi)。

2 檢測裝置設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

旋轉(zhuǎn)編碼器具有測試準(zhǔn)確性高、成本低、結(jié)構(gòu)便攜等特點，可用于電梯運(yùn)動部件的高精度接觸式快速檢測[12-13]。本研究通過旋轉(zhuǎn)編碼器記錄電梯制動過程中轎廂位移-時間數(shù)據(jù)序列，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到轎廂平均制動減速度。檢測裝置主要包括旋轉(zhuǎn)編碼器、裝夾部件、檢測主機(jī)和筆記本電腦四部分。旋轉(zhuǎn)編碼器外接同軸硬膠滾輪，滾輪外圓與電梯曳引鋼絲繩或限速器鋼絲繩接觸，電梯運(yùn)行時鋼絲繩運(yùn)動帶動滾輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)轎廂位移數(shù)據(jù)記錄。測試主機(jī)外觀如圖2所示，內(nèi)部包括編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊和12 V直流供電電路，用于采集旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳輸給筆記本電腦等移動終端。根據(jù)不同的測試場合，測試主機(jī)和移動終端可采用WIFI無線透傳或RS485有線傳輸兩種物理通信方式，數(shù)據(jù)通信幀遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議。無線模式下數(shù)據(jù)采集速率為每秒35組，有線模式下速率可達(dá)每秒50組。測試過程中可通過主機(jī)上的“數(shù)據(jù)清空”按鍵實現(xiàn)硬件清零，清零后數(shù)據(jù)寄存器復(fù)位，重新開始新的編碼器脈沖計數(shù)。

圖2 電梯125%額定載荷制動性能檢測儀主機(jī)

2.2 軟件設(shè)計

為配合檢測裝置硬件模塊，采用Visual Basic語言開發(fā)出用于Microsoft Windows系統(tǒng)下運(yùn)行的“電梯制動性能運(yùn)動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)V1.0”軟件，主界面如圖3所示。測試時，軟件系統(tǒng)實現(xiàn)與硬件WIFI組網(wǎng)或建立RS485通信后，通過選擇不同模式，軟件可實時記錄并動態(tài)文本顯示編碼器原始脈沖數(shù)、轎廂實時位移值和速度值，并將數(shù)據(jù)通過預(yù)設(shè)文件名以“.txt”文件格式存儲于指定路徑下，供后續(xù)進(jìn)一步分析，默認(rèn)路徑為計算機(jī)桌面。測試時也可通過軟件對編碼器數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行軟件清零，以重新計數(shù)。

圖3 電梯制動參數(shù)檢測數(shù)據(jù)采集軟件界面

3 現(xiàn)場測試

為防止測試準(zhǔn)備階段轎廂意外溜梯，確保試驗過程安全，執(zhí)行制動試驗前應(yīng)確保電梯平衡系數(shù)處于0.40～0.50，或者符合電梯制造（改造）單位設(shè)計值[4]。在某次電梯監(jiān)督檢驗過程中，采用測試裝置對一臺額定速度為2 m/s、平衡系數(shù)為0.47、30層30站的貨梯進(jìn)行125%額定載荷制動性能的無載荷檢測。測試時通過旋轉(zhuǎn)編碼器對轎廂運(yùn)行位移進(jìn)行檢測，測試部位為電梯機(jī)房曳引輪附近曳引鋼絲繩，如圖4所示。將磁吸座吸附于主機(jī)機(jī)架，調(diào)節(jié)萬向支架位置，使測速滾輪與曳引鋼絲繩緊密接觸，將編碼器與測試主機(jī)連接，打開測試主機(jī)和筆記本電腦，實現(xiàn)軟硬件聯(lián)機(jī)后開始進(jìn)行3組不同工況下空載制動試驗。裝置記錄電梯從啟動加速到勻速運(yùn)行再到最后緊急制動過程中轎廂的“位移-時間”數(shù)據(jù)序列。測試時“緊急制動”通過人為在機(jī)房斷開電梯控制柜主開關(guān)觸發(fā)。3組空載制動試驗后再進(jìn)行1組125%額定載荷砝碼制動測試，以實現(xiàn)空載制動試驗的制動減速度計算結(jié)果與有載制動減速度實測結(jié)果對比。

圖4 旋轉(zhuǎn)編碼器用于轎廂運(yùn)行位移檢測

4 結(jié)果分析

4.1 空載制動測試

空載上行中部制動、空載下行中部制動和空載下行下部制動3組工況下轎廂位移曲線如圖5所示。每次測試時轎廂運(yùn)行約40 m后開始制動，總位移約為總提升高度的一半，位移為正值表示轎廂下行，負(fù)值表示轎廂上行。通過位移數(shù)據(jù)序列與時間數(shù)據(jù)序列的差商可計算出轎廂速度曲線，如圖6所示。

圖5 空載制動轎廂位移曲線

圖6 空載制動轎廂速度曲線

統(tǒng)計出速度曲線中制動操作前勻速運(yùn)行階段連續(xù)5 s速度平均值作為制動前的電梯運(yùn)行速度，取開始連續(xù)出現(xiàn)5個速度值逐次減小且小于上述運(yùn)行速度值的時刻作為轎廂開始制動減速時刻。轎廂從速度降到零到完全靜止前一般經(jīng)過幾次上下振動，因此取速度首次降到零時的時刻作為制動結(jié)束時刻。開始制動減速時刻和制動結(jié)束時刻之間的時間差為制動時間。轎廂運(yùn)行速度與制動時間的比值即為平均制動減速度。根據(jù)上述計算方法得到的制動參數(shù)如表1所示。

4.2 125%額定載荷砝碼制動測試

125%額定載荷砝碼制動試驗時，轎廂從頂層開始向下運(yùn)行，勻速運(yùn)行一定距離后在行程下部開始制動，得到位移曲線和速度曲線如圖7所示。勻速運(yùn)行速度為1.87 m/s，制動時間為1.52 s，得到平均制動減速度為1.23 m/s2。根據(jù)減速度與速度關(guān)系可得制停距離為1.42 m。

圖7 125%額定載荷制動位移和速度曲線

4.3 結(jié)果對比

將表1中平均制動減速度代入式（2），計算得到125%額定載荷雙邊下行制動平均減速度為1.15 m/s2，參考砝碼試驗實測電梯速度1.87 m/s，進(jìn)一步計算出制停距離為1.52 m，該結(jié)果接近于砝碼試驗測試結(jié)果，兩者相差0.01 m。該電梯砝碼試驗實測平均制動減速度和依據(jù)空載制動試驗計算出的平均制動減速度不處于1.96～9.80 m/s2合理區(qū)間范圍內(nèi)，制動性能不滿足要求。

5 結(jié)論

在已知平衡系數(shù)前提下，依據(jù)曳引電梯制動過程通用動力學(xué)模型，并通過測試3組空載制動工況下平均制動減速度，可計算出125%額定載荷行程下部下行平均制動減速度。采用旋轉(zhuǎn)編碼技術(shù)開發(fā)的電梯125%額定載荷制動性能檢測儀可無線采集制動過程中電梯位移、速度數(shù)據(jù)，并根據(jù)位移或速度曲線計算出平均制動減速度。通過無載荷檢測方法和檢測裝置實現(xiàn)了對某貨梯125%額定載荷制動性能的無載定量檢測，測試過程效率高，分析結(jié)果接近砝碼有載測試結(jié)果。