電梯限速器測試用提繩裝置及提繩方法研究*

衛小兵,李大勇,楊 偉,高應榮,魏霞慧

(1.河南省特種設備檢驗技術研究院,河南 鄭州 450004;2.蘇州長風航空電子有限公司,江蘇 蘇州 215011;3.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

0 引 言

電梯限速器是限制電梯運行超速和在超速情況下操作安全鉗的安全保護裝置,限速器動作速度是否符合要求對電梯安全具有重要意義[1-5]。

為確保在用限速器有效動作,當出現影響限速器動作速度的因素時需要測試[6],當達到規定時間時需要校驗[7]。測試或校驗限速器需要將鋼絲繩夾緊并從限速器輪上脫離。目前,國內外學者對夾緊鋼絲繩和將其從限速器輪上脫離的方法及裝置進行了大量的研究。

在夾緊鋼絲繩方面:涂偉良等人[8-9]研制了新型限速器鋼絲繩夾持裝置,通過增大夾持裝置與鋼絲繩的接觸面積,解決了夾繩過程中的傷繩和鋼絲繩滑脫問題,但目前尚未解決提起鋼絲繩的問題。周長昕等人[10-11]研制了液壓或重力夾緊裝置,通過改變夾緊裝置的施力方式,可用較小的力實現鋼絲繩夾緊目的;但機構較為復雜,且不能將鋼絲繩從限速器輪上安全脫離。

在鋼絲繩脫離限速器輪方面:孟祥石等人[12-14]研制了限速器鋼絲繩分離或剝離裝置,采用外接電機的方式,實現了將鋼絲繩從限速器輪上提起脫離的目的;但裝置成本較高且操作較為復雜,實現較為困難。戴臣超等人[15-17]采用檢修移動轎廂上行的方法,實現了將限速器鋼絲繩從其輪上提起脫離的目的,轎廂在缺少安全防護的狀態下移動時,雖然省力;但不容易控制向上移動距離,且容易引發安全事故,造成人身安全的隱患和設備財產的損失。吳振強[18]研制了限速器鋼絲繩分離裝置,采用人力提起專用分離裝置,實現了將鋼絲繩從其輪上脫離的目的;但操作比較費力,且需要多人共同配合完成。

綜上所述,筆者基于分析限速器結構和限速器輪上鋼絲繩受力狀態,提出一種基于增力機構的脫離方法,設計制造針對電梯限速器的測試用提繩裝置,根據鋼絲繩的柔性變形特性制定提繩方法。

1 限速器結構形式及鋼絲繩受力分析

電梯限速器一般由限速器本體、鋼絲繩和張緊裝置三部分組成。

電梯限速器運行原理如圖1所示。

圖1 限速器運行原理

1.1 限速器的結構形式

目前,電梯限速器的主要形式有甩塊式(目前應用最廣泛的一類)、甩球式和凸輪式3種形式。限速器一般安裝在電梯機房內和井道內,對其測試時,人處于限速器附近,此時要將限速器鋼絲繩脫離限速器輪,在限速器的上行和下行方向入口處進行操作最為合適。

由圖1可知:限速器輪安裝在略高于其底座的上方,限速器輪兩側的鋼絲繩距底座的高度僅略高于限速輪的半徑(一般為120 mm)。因受到限速器輪半徑長度、其兩側鋼絲繩距底座高度和鉗塊的限制,限速器輪兩側上、下行方向入口處留給將鋼絲繩脫離限速器輪的操作空間變得非常狹小。

1.2 限速器鋼絲繩的受力分析

限速器鋼絲繩受力如圖1所示。鋼絲繩的兩端均固定在操縱安全鉗提拉機構的連板上,鋼絲繩的上端部從連板經隨轎廂位置變化的第1段鋼絲繩,后經限速器輪,然后經隨提升高度變化的第2段鋼絲繩,再經張緊輪下部,最后經隨轎廂位置變化的第3段鋼絲繩后,其下端部被固定在連板上。

由圖1可知:第1段鋼絲繩受連板的拉力和其自身重力引起的拉力(取重力加速度為10 N/kg,下同)作用,第2段鋼絲繩受張緊裝置重力和其自身重力引起的拉力作用。由于連板向上的移動的距離很小,如果在不移動轎廂的情況下提起鋼絲繩,只能在限速器下行方向入口處固定鋼絲繩,從限速器上行方向入口處提起鋼絲繩。

考慮到生活中絕大多數高層建筑的電梯提升高度一般不大于100 m,故第2段鋼絲繩按100 m計算(限速器鋼絲繩公稱直徑不應小于6 mm,高層一般選擇8 mm的纖維芯鋼絲繩,每百米參考重量為23 kg[19]);當提升高度大于50 m時,張緊裝置重量一般為34 kg。

在測試或校驗限速器時,從限速器輪上行方向入口處提起第2段鋼絲繩需要的最小拉力為400 N(張緊裝置自身重力的二分之一與第2段鋼絲繩自身重力之和),此時在限速器輪上行方向入口處,如不借用專門的工具和方法,將鋼絲繩提起并定位將會非常困難。

2 提繩裝置的結構組成和工作原理

2.1 提繩裝置的結構組成

提繩裝置由定位鉗、提繩鉗、支承軸、支承軸支座(簡稱“支座”)和單向鎖機構組成。

提繩裝置總裝圖如圖2所示。

圖2 提繩裝置總裝圖

2.1.1 定位鉗

定位鉗的作用是在限速器下行方向入口的底座處對第1段鋼絲繩進行夾緊式固定,防止其下墜。定位鉗是基于臺虎鉗原理設計制造的鉤形鉗,該鉤形鉗利用螺旋增力機構對柔性變形體鋼絲繩進行夾緊式固定,且具有自鎖功能。

定位鉗及分解圖如圖3所示。

圖3 定位鉗及分解圖

2.1.2 提繩鉗

提繩鉗的作用是在限速器上行方向入口的底座處對第2段鋼絲繩進行夾緊式固定,并在支承軸及其支座的配合下,利用杠桿原理將鋼絲繩從限速器輪上提起并脫離,直到滿足限速器測試所需位置。在夾緊式固定原理方面,提繩鉗和定位鉗一致。

提繩鉗及分解圖如圖4所示。

圖4 提繩鉗及分解圖

2.1.3 單向鎖

單向鎖的作用是將支承軸逆時針鎖定在需要的位置上。

單向鎖(與U形支座相配合)如圖5所示。

圖5 單向鎖(與U形支座相配合)

單向鎖是采用棘輪機構原理設計制成的,用于對提繩鉗提起的鋼絲繩進行定位。為方便加工和增大單向鎖的強度,筆者將鎖定銷(即棘爪)向左偏離鎖定槽(即棘輪)軸心垂線半個鎖定銷的厚度,將原來的鎖舌改為鎖定銷。

單向鎖的鎖定與解鎖狀態的剖視圖如圖6所示。

圖6 單向鎖的鎖定與解鎖狀態

對于單向鎖而言,采用固定螺栓將帶槽限位套筒等安裝在其中一個支座上,作用在支承軸鎖定槽內。當支承軸在提繩鉗的帶動下順時針旋轉到任意位置時,由鎖定銷在彈簧的壓力下自動將支承軸鎖定,進而在支承軸的中間導槽限制下,將其導槽內的提繩鉗固定在相應的位置上。

2.1.4 支承軸

支承軸的作用是為提繩鉗提供杠桿支點,限制提繩鉗上下移動,調整提繩鉗的前后左右位置,并給單向鎖提供鎖定槽。支承軸的兩端安裝在提繩鉗支座上,可以沿支座上的圓形孔洞轉動。

支承軸中間有用于給提繩鉗提供杠桿的支點、改變提繩鉗前后左右位置的長孔導槽、一側有用于單向鎖定裝置的鎖定槽,其兩端和鎖定槽的另一側均有卡簧槽,如圖5所示。

2.1.5 支座

支座用于將支承軸抬至所需高度(一般不大于限速器輪圓心距地高度,如90 mm左右),有U形支座和T形支座兩種形式。使用支座時,通常成對使用。當使用U形支座時,還需兩個固定螺栓配合使用。

T形支座如圖7所示。

圖7 T形支座

當采用類似圖1中的限速器時,筆者將U形支座安裝在限速器鋼絲繩上行方向入口處的外殼上方,用于給支承軸提供支座,并將支承軸受到的力傳遞到限速器外殼上。

支座上有用于安裝支承軸的圓形孔洞、用于安裝在限速器兩側外殼上的U形開口、用于固定支座位置的固定螺栓、用于安裝單向鎖套筒的圓柱形孔洞及其固定螺栓(其中一個支座)。

當限速器外殼不便于安裝或不能受力時,將T形支座放置在限速器底座或其附近的地面上,用于給支承軸提供支座,并將力傳遞到限速器底座或地面上,支座上有用于安裝支承軸的圓形孔洞、用于安裝單向鎖套筒的圓柱形孔洞及其固定螺栓(其中一個支座),如圖7所示。

2.1.6 卡簧

卡簧的作用是限制支座脫離支承軸和限制裝有單向鎖的支座向支承軸中間移動。卡簧安裝在支承軸兩側和裝有單向鎖的支座另一側,支承軸上安裝有3個卡簧。

2.2 提繩裝置的工作原理

提繩裝置作業時由夾緊固定機構、提起機構和鎖定機構共同完成提繩。

該裝置采用臺虎鉗原理制成的螺旋增力機構定位鉗和提繩鉗對鋼絲繩進行夾緊式固定,采用依據杠桿原理制成的杠桿增力機構提繩鉗和支承軸及其支座對鋼絲繩進行提起,采用棘輪機構原理制成的單向鎖對鋼絲繩進行定位。

3 夾緊固定鋼絲繩的性能測試

提繩裝置采用定位鉗和提繩鉗對鋼絲繩進行夾緊式固定。

夾緊固定力(即摩擦力)公式表示如下:

f=μ×F0

(1)

式中:f為夾緊固定力;μ為摩擦系數(與材質本身和表面粗糙度等有關);F0為作用于鋼絲繩表面的正壓力或預緊力(與螺旋增力機構的增力系數有關)。

3.1 螺旋增力機構的增力系數

定位鉗和提繩鉗均為45#鋼制成的定螺紋升角螺旋夾緊固定機構,絲桿上的螺紋為M10,螺栓螺距為1.5 mm,螺紋升角為2.734°,具有自鎖功能。

實際增力系數的計算公式表示如下:

(2)

式中:L為手柄力臂長度;η為傳遞效率;rcp為螺桿螺紋中徑一半;α為螺旋升角。

3.2 預緊力的確定

預緊力公式可由擰緊力矩公式求出。

擰緊力矩公式表示如下:

T≈0.2F0d

(3)

式中:T為擰緊力矩;F0為預緊力;d為螺栓公稱直徑。

為確定預緊力,筆者設計制作了試驗裝置,絲桿的直徑為M10,螺距為1.5 mm。

筆者人為采用力矩扳手對螺栓施加一定的力矩,然后采用裝設在試驗裝置上的力傳感器,對力矩產生的預緊力進行測定。

試驗裝置如圖8所示。

圖8 試驗裝置

考慮到施加力矩時的人為操作產生的誤差和力傳感器的系統誤差,筆者對每一組預緊力都進行了10次數值測量,并取其平均值作為所施加力矩產生的預緊力值。

測量所得的10次預緊力數值如表1所示。

表1 預緊力測定值

為避免鉗體夾緊損傷鋼絲繩,筆者設計鉗口的厚度為14 mm,以減小對鋼絲繩的壓強。

試驗測定結果表明:F0分布比較均勻,且在有大夾持力時不易損壞鋼絲繩。

3.3 摩擦系數的測定

摩擦系數與材質本身和表面粗糙度等有關。鋼絲繩為碳素鋼材質,定位鉗和提繩鉗均為45#鋼材質。定位鉗和提繩的V形鉗口采用線切割快走絲加工而成,經與粗糙度樣板進行比較后確定Ra為6.3。

提繩裝置在提起鋼絲繩時,定位鉗只受第1段鋼絲繩重力引起的拉力,提繩鉗提起鋼絲繩需要最小的向上拉力為第2段鋼絲繩受自身重力與張緊裝置重力引起的拉力。提繩鉗受力遠大于定位鉗,故筆者選用針對提繩鉗的摩擦系數,并對其進行測定。

為了測定提繩鉗與鋼絲繩之間的摩擦系數,筆者采用萬測微機控制電子萬能試驗機(ETM305D,中國,深圳)進行了單軸拉伸試驗。

試驗中,筆者將鋼絲繩一端與提繩鉗固定,并將提繩鉗固定于試驗機下端的拉伸夾具中,鋼絲繩的另外一端由試驗機上端的拉伸夾具夾緊。

摩擦系數測定試驗如圖9所示。

圖9 摩擦系數測定試驗

圖9中:具有一定弧度的白色箭頭代表力矩方向,白色虛線箭頭代表預緊力的方向,白色實線箭頭代表試驗機施加位移的方向,由此可知鋼絲繩與提繩鉗鉗口之間的摩擦力方向為沿著鋼絲繩向下。

在位移控制模式下,試驗機以1 mm/min的加載速率對鋼絲繩進行拉伸。試驗過程中,共測定了四組不同預緊力(分別為984 N、1 647 N、4 766 N和6 748 N)狀態下的摩擦系數。

摩擦系數測定值如表2所示。

表2 摩擦系數測定值

通過單軸拉伸試驗,得到的載荷-位移曲線如圖10所示。

圖10 試驗所得載荷-位移曲線

當鋼絲繩與提繩鉗鉗口滑脫時,試驗機的載荷值即為最大靜摩擦力(圖10中每條曲線對應的峰值點的縱坐標)。根據靜力學知識可知,最大靜摩擦力與正壓力(由施加力矩所產生的預緊力)之比即為摩擦系數,對四組試驗得到的摩擦系數取均值0.508,即為提繩鉗與鋼絲繩之間的摩擦系數。

3.4 定位鉗和提繩鉗夾緊鋼絲繩的能力

由表1和表2可知:當扭矩為15 N·m時,預緊力為6 748 N,摩擦力就可達到3 832 N,遠大于提繩鉗在提繩時受到向下的拉力。

而對于手柄力臂長度為100 mm提繩鉗,僅需要人為施加150 N的力即可實現。

4 提起鋼絲繩的性能測試

提繩機構是采用提繩鉗和支承軸及其支座對鋼絲繩進行提起。

提起鋼絲繩的動力公式表示如下:

F1×L1=F2×L2

(4)

式中:F1為動力;L1為動力臂;F2為阻力;L2為阻力臂。

4.1 杠桿增力機構的增力系數

在提起鋼絲繩的過程中,提繩鉗沿支撐軸導槽向后拉動,阻力臂逐漸變小,動力臂逐漸變大。

實際增力系數的計算公式表示如下:

(5)

式中:F1為動力;L1為動力臂;F2為阻力;L2為阻力臂;η為傳遞效率(一般取0.97)。

加工的提繩機構固定鉗體長度為300 mm。由于限速器本身結構原因,支座或支腿一般將支承軸抬起高度為90 mm左右。

安裝時,支承軸與限速器輪的距離一般為60 mm左右。不考慮傳遞效率時,采用三角函數和式(5)計算而得的增力系數為1.7。

4.2 提繩鉗的提繩能力

將支承軸安裝好后,提繩鉗位于提繩起點時,動力臂與阻力臂的比值大于1時省力,省力的多少由支點到阻力和動力作用線的距離所決定。

實際省力效果可用下式計算:

(6)

當提升高度為100 m,阻力為400 N時,僅需人為向下施加動力235 N即可實現。如果增加動力臂長度,這個力將會更小。

另外,采用杠桿機構將原來的需要向上施力、直接提起鋼絲繩轉變為向下施力、采用杠桿提起鋼絲繩,改變了施力方向,不僅方便了手臂施力,還可利用體重對杠桿施力。

5 提繩方法及鋼絲繩恢復

5.1 提繩方法

設計時,筆者考慮先將支承軸抬至所需位置,再采用提繩鉗對鋼絲繩夾緊式固定。但在現場試驗時發現,當提繩鉗與鋼絲繩不垂直時,夾緊操作非常困難。為解決該問題,筆者利用鋼絲繩的柔性變形特性,通過改變提繩裝置的工作順序(先夾緊后抬起),取得了較好的效果。

調整后的提繩方法按以下三步進行操作:

第一步。先用定位鉗在限速器下行方向入口的底座處將鋼絲繩夾緊固定,當限速器輪下部為中空結構時,應將支承桿安裝在定位鉗上,以保證定位鉗處于工作位置。

定位鉗工作狀態如圖11所示。

圖11 定位鉗工作狀態

然后,在限速器鋼絲繩上行方向入口的底座處,采用提繩鉗將鋼絲繩夾緊固定。

提繩鉗第一工作狀態如圖12所示。

圖12 提繩鉗第一工作狀態

第二步。對于U形支座,將提繩鉗抬起到適當位置,此時鋼絲繩在提繩鉗的作用下變為一定弧度。

提繩鉗第二工作狀態如圖13所示。

圖13 提繩鉗第二工作狀態

然后,移動支承軸及U形支座至限速器外殼上部可以固定的位置,用固定螺栓將其固定(如圖13所示)。

對于T形支座,將提繩鉗抬起至適當位置后,通過移動支承軸及其T形支座至適當位置,再將T形支座立起,把支承軸抬起至可以操作提繩的位置。

為了便于調整支座,可將定位鎖的拉環先提起再旋轉90°,進行解鎖調整后再鎖定。

第三步。向下對提繩鉗施加壓力,利用提繩鉗帶動支承軸順時針轉動。當提繩鉗抬起觸碰到限速器輪時,將提繩鉗沿支承軸的中間導槽向后拉動,始終讓提繩鉗與限速器輪保持一定間隙,直到將鋼絲繩從限速器輪上提起,并脫離到滿足限速器測試需要的位置;將手移開后,單向鎖自動將支承軸鎖定(如圖6所示),進而將提繩鉗固定在提起的位置上。

提繩鉗第三工作狀態如圖14所示。

圖14 提繩鉗第三工作狀態

筆者通過對不同提升高度的電梯進行多次試驗,采用研制的提繩裝置,在電梯靜止的情況下,僅需單人施加很小的力就能將鋼絲繩從限速器輪上提起,并脫離到滿足限速器測試需要的位置,且整個提繩時間不大于1 min。

可以在狹小空間內將受較大拉力的鋼絲繩快速、安全地夾緊,并從限速器輪上脫離。

5.2 鋼絲繩的恢復

測試或校驗完成后,鋼絲繩的恢復按以下三步進行操作:

第一步。先對提繩鉗順時針施力,使鎖定槽與鎖定銷脫離,再向上拉起拉環旋轉90°,即可完成解鎖(如圖6所示);然后,逆時針操縱提繩鉗將鋼絲繩慢速放下到限速器輪槽內。

第二步。對于U支座,要拆除固定螺栓,將支座取下。對于T形支座,只要放倒即可。

第三步。松開定位鉗和提繩鉗,將其脫離鋼絲繩,然后,再將提繩裝置收起。

6 結束語

根據限速器結構形式及其鋼絲繩的受力分析,筆者提出了一種基于增力機構的提繩脫離方法,并設計制造了提繩裝置;然后,通過性能測試確定了提繩裝置夾緊和提起鋼絲繩的能力;最后,通過現場試驗,針對鋼絲繩的柔性變形特性優化了提繩脫離方法。

測試和研究結果表明:

1)通過對夾緊固定鋼絲繩的性能測試,可以確定螺旋增力機構的增力系數和摩擦系數,對于手柄力臂長度為100 mm提繩鉗,僅需單人施加150 N的力即可實現鋼絲繩的夾緊式固定目的;

2)通過對提起鋼絲繩的性能測試,確定了增力機構的增力系數,當增力系數大于1時省力;采用增力機構改變了施力方向,不僅方便手臂施力,還可利用體重對杠桿施力;

3)采用該提繩裝置,可在電梯靜止的情況下,僅需單人施加很小的力,便可將鋼絲繩夾緊并提起,脫離到滿足限速器測試所需的位置,且整個提繩時間不大于1 min。

筆者目前所做工作實現了在狹小空間內將受較大拉力的鋼絲繩快速、安全地夾緊并從限速器輪上脫離的目的,但該裝置不適用于懸掛安裝在井道內,且外殼不能受力的限速器。因此,在后續的研究中,筆者將要對提繩裝置的支座機構進行改進。