高速梯的限速器研究與改進(jìn)

惠林虎，王 義

（貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

1854年奧迪斯先生將電梯曳引繩砍斷，電梯通過(guò)安全鉗牢牢的固定在了導(dǎo)軌上，安全鉗作為電梯的一道安全保護(hù)裝置被確立下來(lái)?？梢哉f(shuō)，有了限速器和安全鉗，電梯才被大眾所接受[1]。機(jī)械式限速器正被市場(chǎng)廣泛使用，但其存在以下缺點(diǎn)：一是動(dòng)作速度不精確，只是在一定的速度范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作；二是動(dòng)作速度容易隨時(shí)間推移產(chǎn)生變化，需要定期檢驗(yàn)，否則可能不能可靠動(dòng)作。

2009年威特電梯部件推出了威特EOS電子限速器。將電子測(cè)速與機(jī)械制動(dòng)機(jī)理結(jié)合，是全球首款裝有ACD裝置（防溜裝置）的電子限速器，優(yōu)點(diǎn)是使用了電子測(cè)速，并且可以在轎廂加速度異常的時(shí)候限速器動(dòng)作，從而及時(shí)防范了轎廂的溜車。不足之處在于只實(shí)現(xiàn)了防溜車功能，沒(méi)有完全體現(xiàn)出電子限速器的優(yōu)越性[2]。電子限速器剛剛起步，發(fā)展前景很大。它可以對(duì)轎廂溜車、失速進(jìn)行保護(hù)，在保證其運(yùn)行安全的情況下可以調(diào)整底坑高度、頂層高度、緩沖器等。電子限速器有很大的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 傳統(tǒng)限速器安全鉗特點(diǎn)

電梯在正常運(yùn)行時(shí)，轎廂運(yùn)動(dòng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)限速器繩和限速器運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，安全鉗處于非動(dòng)作狀態(tài)，其制停元件與導(dǎo)軌之間保持一定的間隙。當(dāng)轎廂超速達(dá)到限定值時(shí)，限速器動(dòng)作使夾繩鉗夾住限速器繩，于是隨著轎廂繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，限速器繩提起驅(qū)動(dòng)連桿促使連桿系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，兩側(cè)的提升拉桿被同時(shí)提起。帶動(dòng)安全鉗制動(dòng)楔塊與導(dǎo)軌接觸，兩安全鉗同時(shí)夾緊在導(dǎo)軌上，使轎廂制停。安全鉗動(dòng)作時(shí)，限速器的安全開(kāi)關(guān)或安全鉗提拉桿操縱的安全開(kāi)關(guān)，都會(huì)斷開(kāi)控制電路，迫使制動(dòng)器失電制動(dòng)[3-5]。限速器和安全鉗的聯(lián)動(dòng)圖如圖1所示。限速器動(dòng)作的速度是確定的，不可變的。

圖1 限速器安全鉗聯(lián)動(dòng)程序圖Fig.1 Linkage diagram of the overspeed governor and safety-gear

2 機(jī)械—電子限速器的結(jié)構(gòu)、控制及原理

2.1 機(jī)械—電子限速器的結(jié)構(gòu)

如圖2示為機(jī)械—電子限速器。兩個(gè)繞各自樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的甩塊由連桿連接在一起，以保證兩甩塊同步運(yùn)動(dòng)。甩塊由螺旋彈簧固定。限速器繩輪在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，如果轎廂速度超過(guò)額定速度預(yù)定值時(shí)，甩塊的轉(zhuǎn)動(dòng)因離心力的作用向外甩開(kāi)，使超速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而切斷電梯的控制回路，使制動(dòng)器失電抱閘。如速度進(jìn)一步增大，甩塊進(jìn)一步向外甩開(kāi)，并撞擊鎖閂，松開(kāi)擺動(dòng)鉗塊。正常情況下，擺動(dòng)鉗塊由鎖閂拴住，與限速器繩間保持一定的間隙。當(dāng)擺動(dòng)鉗塊松開(kāi)后，鉗塊下落，將限速器繩夾持在固定鉗塊上。固定鉗塊由壓緊彈簧壓緊，壓緊彈簧可利用調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)，繩鉗夾緊了限速器，從而使安全鉗動(dòng)作。同時(shí)，電子控制部分電磁伸縮裝置6固定在機(jī)架的外側(cè)，其內(nèi)部有一組線圈，加上24V×1A的直流電時(shí)，電磁桿便縮回，失電后又伸出。

2.2 電子限速器的控制

電子限速器的控制功能基于AT89C52單片機(jī)，如圖3所示。AT89C52芯片外接12 MHz晶振，片內(nèi)含有8 KB的EEPROM，測(cè)控程序存儲(chǔ)在內(nèi)部。上電復(fù)位電路通過(guò)比較器LM393和反相器74HC14將復(fù)位信號(hào)送到AT89C52的RESET引腳。AT89C52的P3.7腳作為輸出，經(jīng)TLP521光耦隔離和9014三極管放大后，控制繼電器1。繼電器1被觸發(fā)后控制電磁桿，電磁桿在縮回的過(guò)程中先觸動(dòng)2動(dòng)作部件和超速開(kāi)關(guān)，使得電氣制停轎廂，進(jìn)而鎖閂動(dòng)作，機(jī)械制動(dòng)轎廂。整個(gè)控制系統(tǒng)使用RS232與電梯主板通訊，以獲取電梯的實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)位置與實(shí)時(shí)加速度。

圖2 機(jī)械-電子限速器的主視圖Fig.2 Front view of themachine-electronic overspeed governor

圖3 電子限速器的控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Control system diagram of the electronic governor

2.3 電子限速器的原理

當(dāng)電梯轎廂下行移動(dòng)時(shí)，限速器繩隨之移動(dòng)，帶動(dòng)限速器輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電梯主板檢測(cè)轎廂當(dāng)前速度、井道位置與實(shí)時(shí)加速度。

當(dāng)單片機(jī)AT89C52檢查所得的轎廂移動(dòng)速度小于限速器動(dòng)作值時(shí)，電梯處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖3中AT89C52的P3.7腳輸出高電平，TLP521G光耦截止，所對(duì)應(yīng)的繼電器1的常開(kāi)開(kāi)關(guān)1處于斷開(kāi)狀態(tài)，AT89C52不會(huì)使得限速器動(dòng)作。

當(dāng)檢測(cè)速度達(dá)到限速器動(dòng)作值時(shí)，圖3中AT89C52的P3.7腳立即輸出低電平，經(jīng)TLP521光耦隔離和9014放大后，繼電器1線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)K1閉合，K1又控制圖2中電磁伸縮桿的線圈得電，于是電磁桿立即縮回，首先碰到超速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而切斷電梯的控制回路，使制動(dòng)器失電抱閘。電磁桿繼續(xù)帶動(dòng)超速開(kāi)關(guān)收縮并撞擊鎖閂，松開(kāi)擺動(dòng)鉗塊。正常情況下，擺動(dòng)鉗塊由鎖閂拴住，與限速器繩間保持一定的間隙。當(dāng)擺動(dòng)鉗塊松開(kāi)后，鉗塊下落，將限速器繩夾持在固定鉗塊上。固定鉗塊由壓緊彈簧壓緊，壓緊彈簧可利用調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時(shí)，繩鉗夾緊了限速器，從而使安全鉗動(dòng)作。

5 s后單片機(jī)AT89C52再控制電磁桿復(fù)位伸出。待電梯故障排除后，需手動(dòng)限速器復(fù)位。

3 電子限速器控制主程序框圖與特點(diǎn)

電子限速器控制主程序框圖如圖4所示。

圖4 電子限速器控制主程序流程圖Fig.4 Flow chart the software design of the electronic governor

本文設(shè)計(jì)的電子限速器有如下特點(diǎn)：

1）機(jī)械與電氣相結(jié)合，既不改變?cè)瓩C(jī)械結(jié)構(gòu)，保證了國(guó)標(biāo)的要求，又加入了電氣結(jié)構(gòu)，改善了限速器的性能。

2）速度動(dòng)作準(zhǔn)確。轎廂移動(dòng)速度是由光電編碼器通過(guò)電梯主板進(jìn)行采集的，電氣動(dòng)作速度值和機(jī)械動(dòng)作速度值都能保證高精度。

3）動(dòng)作速度穩(wěn)定。只要編碼器工作正常，動(dòng)作速度就不會(huì)改變。

4）可移植性好。在已使用的純機(jī)械限速器上，可以通過(guò)少量改動(dòng)把電子限速器移植上去，達(dá)到電子——機(jī)械雙限速。

5）提前預(yù)警動(dòng)作。可在需要限速器動(dòng)作的情況下提前動(dòng)作，減少電梯對(duì)人員物品的傷害。

4 電子限速器在高速梯上的表現(xiàn)分析

現(xiàn)今電梯按照GB 7588—2003中9.9關(guān)于限速器的規(guī)定，操縱轎廂安全鉗的限速器在電梯速度為額定速度115%時(shí)電氣動(dòng)作[6]，根據(jù) GB 7588—2003 中 9.9.1（c）有關(guān)規(guī)定，對(duì)于額定速度小于或等于1m/s的漸進(jìn)式安全鉗為1.5 m/s；GB 7588—2003中9.9.1（d）中規(guī)定，對(duì)于額定速度大于 1 m/s的漸進(jìn)式安全鉗動(dòng)作速度為：

根據(jù)GB 7588—2003 F3.3.1.1，安全鉗制動(dòng)時(shí)的平均減速度以0.6gn來(lái)計(jì)算，制動(dòng)距離為：

式中：h為安全鉗動(dòng)作后的制動(dòng)距離，m；v1為限速器動(dòng)作速度，m/s。

按GB/T 10058-2009規(guī)定，乘客電梯起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度最大值均不應(yīng)大于1.50 m/s2；當(dāng)乘客電梯額定速度為2.0m/s≤v≤6.0m/s時(shí)，A95 加、減速度不應(yīng)小于 0.70m/s2。

以10 m/s的電梯為例，如圖5所示，根據(jù)公式（1），其安全鉗動(dòng)作速度為12.525m/s；根據(jù)公式 （2），其制動(dòng)距離為13.340m；減速度為5.880m/s2，0.6gn。A95的加減速區(qū)距離為30m。若在底層端站電梯沒(méi)有跟隨既定的速度曲線，發(fā)生失控，電氣開(kāi)關(guān)觸發(fā)后制動(dòng)器制動(dòng)力不足，但速度仍未超過(guò)12.525m/s時(shí)，安全鉗不會(huì)動(dòng)作，電梯勢(shì)必會(huì)不能及時(shí)制停，甚至發(fā)生蹲底事故。

對(duì)比電子限速器，電梯進(jìn)入減速區(qū)后沒(méi)有正常減速，在進(jìn)入減速區(qū)后還是10m/s，根據(jù)公式（1），7.975m/s的限速器安全鉗動(dòng)作速度是10m/s，與之相對(duì)應(yīng)的，在電梯進(jìn)入減速區(qū)12.1m處就會(huì)發(fā)現(xiàn)電梯速度不正常，從而安全鉗動(dòng)作，制動(dòng)電梯，此時(shí)電梯的制動(dòng)距離為8.503 m，完全制停后電梯距離A95減速完成段還有12.697m，有效的避免了電梯在未達(dá)到額定速度的安全鉗動(dòng)作速度時(shí)發(fā)生蹲底事故。

圖5 10m/s高速梯示例圖Fig.5 10 m/s high-speed elevator as example

表1為現(xiàn)今電梯限速器安全鉗動(dòng)作時(shí)的速度，平均加速度及制動(dòng)距離。計(jì)算參照公式（1）與公式（2）。

表2為限速器跟隨電梯運(yùn)行速度后當(dāng)在減速區(qū)電梯仍按額定速度下行時(shí)，安全鉗的動(dòng)作速度，平均加速度，制動(dòng)距離，A95加減速度段的最小距離（加減速度取最大值1.5m/s2），及制停后距離A95減速完成時(shí)的保證距離。

表1 現(xiàn)今各速度電梯限速器安全鉗性能Tab.1 The performance of overspeed governor and safety-gear in each speed elevator nowadays

表2 調(diào)節(jié)后各速度電梯限速器安全鉗性能Tab.1 The perform ance of overspeed governor and safety-gear in each speed elevator after adjust

表1與表2電梯額定速度選擇高速與超高速中常見(jiàn)的4m/s，6m/s，10m/s，還有世界最快電梯的 16.8m/s，17.4m/s。

蒂森的超高速梯中TWINS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了時(shí)刻監(jiān)控電梯在井道中的位置，這就意味著可以通過(guò)控制電梯通過(guò)井道各個(gè)位置時(shí)的限速器的動(dòng)作速度來(lái)實(shí)現(xiàn)上述想法，在電梯井道中加減速區(qū)選幾個(gè)位置，轎廂通過(guò)這些位置時(shí)發(fā)出信號(hào)，電梯主板將此時(shí)轎廂速度通過(guò)通信傳給電子限速器控制板，此時(shí)的速度與加減速區(qū)的正常速度相比較，發(fā)現(xiàn)超速時(shí)電子限速器控制限速器動(dòng)作。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了電子限速器上的一個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)轎廂在井道中的位置來(lái)調(diào)整限速器動(dòng)作速度，并給出了超高速梯上的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

未設(shè)計(jì)全程跟隨的原因有3點(diǎn)：一是全程跟隨數(shù)據(jù)處理量較大，需對(duì)比實(shí)時(shí)轎廂速度與給定轎廂速度曲線；二是全程跟隨可能造成限速器誤動(dòng)作，轎廂速度有時(shí)可能偏離給定速度曲線，但經(jīng)一小段時(shí)間會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)好，如果限速器過(guò)于靈敏會(huì)造成電梯故障多。三是中間段的失速達(dá)到限速器動(dòng)作速度時(shí)減速距離足夠大。

電子限速器的研究剛剛起步，國(guó)內(nèi)只有一種電子限速器，發(fā)展前景很大。電子限速器的對(duì)電梯安全、底坑及井道頂部間距的縮短具有有很大的意義。本文也只是通過(guò)電子限速器與現(xiàn)今純機(jī)械限速器的結(jié)合進(jìn)行嘗試，到實(shí)際的應(yīng)用還有很多路要走。

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