電梯超速保護裝置的相關探討

馬發朝

（廣東康力電梯有限公司，廣東 中山 528400）

隨著社會的不斷進步，高層建筑逐漸增多，電梯增長量逐步變大，成為人們生活中不可或缺的交通工具，所以保證其安全可靠運行至關重要。安全鉗是電梯安全系統的重要部分，其工作的有效性直接影響到乘客的生命安全。在國家新標準《電梯制造與安全規范》（GB 7588—2003）中明確要求電梯安裝超速保護裝置，并進行了強制性規定。因此，對電梯超速保護裝置的研究就顯得尤為重要。

1 電梯安全鉗的結構設計

根據雙楔塊漸進式安全鉗的工作原理，對客運電梯轎廂超速保護用安全鉗進行結構設計與參數確定。安全鉗由鉗座1、固定楔塊2、U形板簧3、提拉桿4、調節螺栓螺母5、導板6、鉗塊7、調節螺母8等組成，安裝在轎廂底部，隨轎廂一起沿導軌方向同步上下運動。電梯正常運行時，安全鉗的制動塊在重力的作用下位于正常位置，鉗塊和導軌工作面之間留有一定的間隙。當電梯轎廂的運行速度超過額定速度的1.15倍時，安全鉗工作，限速器被觸發，配套的限速器使限速輪停轉，通過輪槽和繩纜之間產生的摩擦力提升安全鉗的提拉桿4，帶動鉗塊7與導軌工作面接觸，當鉗塊與導軌工作面接觸后，依靠摩擦力使鉗塊7相對于鉗座1繼續向上移動，通過固定楔塊2與U形板簧3產生對轎廂的夾緊力，最終依靠鉗塊2與導軌工作面之間的摩擦力和U形板簧的彈性力使電梯制停在導軌上。由于鉗塊7與固定楔塊2之間有滑移，且含有彈性元件U形板簧，所以，在制停轎廂時沖擊力大大減小。

2 安全鉗部分參數確定

2.1 安全鉗固定楔塊和鉗塊角度確定

取客運電梯額定載重P=1 000 kg，根據GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規范的規定，取自重系數為1.6，確定電梯轎廂的自重Q=1 600 kg。假設繩纜因疲勞原因發生斷裂，轎廂自由下墜，觸發電梯安全鉗動作，電梯轎廂被制停在導軌上。則此時作用在鉗塊上的力為U形板簧對導軌提供的正壓力FN和導軌工作面反作用在鉗塊表面的壓力所產生的制動力FZ.為了確保轎廂內的乘客安全，電梯額定運行速度按2 m/s計算，設安全鉗動作時的速度為電梯額定運行速度的115%，電梯轎廂制停后速度vt=0，制停距離為S，制停減速度為a，則：

其中，v0=2.0×115%=2.3 m/s。經計算得a=－7.56 m/s2，取a=－7 m/s2，代入式（1）得S=0.38 m。

根據牛頓第二定律ΣF=Σm·a，得：

將相關參數代入式（2），計算得FZ=43 700 N。根據能量守恒定律，電梯安全鉗動作前動能和勢能的總和E為：

將相關參數代入式（3），計算得E=16 600 N·m。

根據電梯轎廂的受力情況可得：

式（4）中：μ為鉗塊與導軌工作面之間的動摩擦系數，取0.20.

則：

將相關參數代入式（5），計算得FN=54 630 N。設轎廂的總重力為Mg（包括轎廂的自重和額定載重，M為滿載轎廂的質量），鉗塊的楔角為α，根據轎廂平衡時豎直方向的受力情況可得：

將相關參數代入式（6），計算得tanα=0.23。即α≈13°。

這是安全鉗鉗塊能夠自鎖在導軌上的極限情況下的角度值。考慮實際情況，安全鉗在安裝過程中，要求鉗塊與工作面之間的距離為2～3 mm。為了保證安全鉗在正常運行中不會誤動作和制動時的減速度，設計鉗塊與導軌間的間距為2 mm，取楔角α=8°。

2.2 安全鉗固定楔塊和鉗塊高度確定

設鉗塊從電梯正常運行時的初始位置上升到安全鉗工作時鉗塊與導軌接觸的運動距離為h1，h1=2tan8°=14.23 mm。根據Solid Works Siulation的分析得，U形板簧的單側位移量達1.61 mm，固定楔塊發生橫向位移的距離為1.61 mm，使得鉗塊與固定楔塊在豎直方向產生相對位移h2，h2=.安全鉗在初始位置安裝時，鉗塊的頂面與固定楔塊底面之間的距離h3約為45 mm。鉗塊夾緊導軌后，上方仍應預留一段距離，以防在超速過多的情況下鉗塊不能有效地卡住導軌而產生失效，取預留距離h4=25 mm。則固定楔塊的高度h=h1+h2+h3+h4=95.68 mm，取h=100 mm。

安全鉗的鉗塊動作時由提拉桿提起，所以對鉗塊質量和尺寸有所限制，由于鉗塊的上表面與固定楔塊下表面的距離h3=45 mm，所以取鉗塊的高度h=60 mm。裝配后，調整鉗塊的高度，從而確保鉗塊與導軌的工作面間距為2 mm。

3 安全鉗固定楔塊和鉗塊有限元分析

根據上文計算的參數進行固定楔塊和鉗塊的建模，鉗塊由動楔塊和制動塊裝配而成。進一步對其進行有限元仿真，固定楔塊和動楔塊的材料選用40Cr，制動塊材料選用20CrNiMo，材料屬性如表1所示。

對固定楔塊的斜面施加固定幾何體約束，對固定楔塊與安全鉗鉗座上板接觸面施加電梯額定載重和自重之和，對固定楔塊與U形板簧的接觸面施加大小為54.63 kN的均布力，將網格參數中的標準網格改為基于曲率的網格。計算分析得出的安全鉗固定楔塊的應力、合位移、應變和安全系數分布云圖，可知雙楔塊漸進式安全鉗固定楔塊的最大應力集中在鉗塊與固定楔塊接觸面的頂部，其大小為340.9 MPa，小于40Cr的屈服強度785 MPa；最大合位移為2.237 mm×10－2mm，最大應變為1.137 mm×10－3mm，位移量和應變都較小，幾乎可忽略，因此，滿足本安全鉗的設計和工作要求。對動楔塊的楔面施加固定幾何體約束，對制動塊施加正壓力和豎直向上的摩擦力，在劃分網格前設置好連接件的連接作用，添加螺釘連接。鉗塊最大應力為202 MPa，未超過20CrNiMo和40Cr的屈服強度；鉗塊的最大合位移為9.823 mm×10－3mm，最大應變為6.293 mm×10－4mm，產生的合位移、合應變都很小，因此，其滿足本安全鉗的設計和工作要求。

表1 20CrNiMo和40Cr的材料屬性

4 結論

綜上所述，電梯是我們現代日常生活中不可或缺的一項運送工具，在方便我們生活的同時，也給我們的人身安全帶來了隱患。加強電梯的下行超速保護裝置措施是防止電梯出現下行超速的有效方法。在實施過程中，不僅要掌握轎廂下行超速保護裝置的組成、動作速度、制停減速度和作用方式等，還要對轎廂下行超速保護裝置以及相關的底坑緩沖器、頂部間距安全性作綜合考慮。只有這樣，轎廂下行超速保護裝置才能對下行轎廂的速度失控起到保護作用。針對自重1 600 kg、額定載荷1 000 kg、額定運行速度為2 m/s的電梯，設計了相應的超速保護裝置。通過Solid Works Simulaton插件對楔塊和固定鉗塊進行靜力學的有限元分析，結果表明設計滿足材料強度要求，可為電梯轎廂超速保護裝置提供參考。

參考文獻：

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