一種自動平衡電梯鋼絲繩張力差裝置的研究設計

王 進 周顯元

(湖南省特種設備檢驗檢測研究院 長沙 410117)

1 前言

隨著中國城市化進程的高速發展，高層建筑急速增加，電梯數量迅猛增長，電梯鋼絲繩作為電梯的重要部件，懸掛承受著轎廂、對重以及乘客的重量，并由曳引輪摩擦牽引著上下運動，為了保證足夠的安全系數，一臺電梯的曳引鋼絲繩數量一般都是4根以上，由于以下兩個方面的原因會導致鋼絲繩的張力不均[1]：

1）電梯安裝時鋼絲繩的基礎靜態張力不一致。

2）電梯投入使用一段時間后各鋼絲繩結構性伸長不一致。鋼絲繩的張力不均現象在高層、高速電梯上尤其嚴重，鋼絲繩張力不均會使鋼絲繩與曳引輪槽之間的磨損不均勻[2]，不均勻磨損的積累會造成各曳引輪槽的節圓直徑差別增大，鋼絲繩與曳引輪槽的相對滑移加劇，從而又進一步加大曳引輪槽的磨損，進而又導致相對滑移增大，惡性循環，電梯會因為滑移產生的振動和噪聲而影響乘坐舒適性，鋼絲繩或曳引輪的使用壽命也將會大大減小。如圖1所示，因為曳引鋼絲繩張力嚴重不均，有2個曳引輪槽已經過度磨損，需要對整個曳引輪大修更換。

電梯鋼絲繩的張力情況是關乎電梯整體質量的一個很重要的項目，但現行的GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》和新修訂的TSG T7001—2009《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》對張力沒有做明確要求，GB/T 10060—2011《電梯安裝驗收規范》的5.5.1.9項要求：“至少應在懸掛鋼絲繩或鏈條的一端設置一個自動調節裝置，用來平衡各繩或鏈條間的張力，使任何一根繩或鏈的張力與所有繩或鏈之張力平均值得偏差均不大于5%。如果用彈簧來平衡張力，則彈簧應在壓縮狀態下工作。”現今的絕大部分電梯的鋼絲繩調節裝置都如圖2所示，壓縮彈簧的變形程度可以反映對應鋼絲繩的張力情況，維保人員可以通過日常維保來對鋼絲繩的張力進行檢查調整，但不能實現鋼絲繩張力的自動調節，并且鋼絲繩的張力調整并不簡單，在曳引比為2∶1的電梯上，一根鋼絲繩的兩端都存在圖2所示的張力調整裝置，有豐富經驗的技術人員都需要多次反復才能實現較好的效果，假如前期因為忽視張力不均而造成部分曳引輪槽磨損情況差別大，那么鋼絲繩張力就很難通過調節再次達到滿意的效果，所以優化鋼絲繩張力調節裝置，從產品設計上避免鋼絲繩張力不均才是解決的根本之道，本文研究設計一種鋼絲繩張力調節裝置，實現鋼絲繩之間的張力自動平衡，改善電梯的乘坐舒適感以及延長曳引輪和懸掛鋼絲繩的使用壽命。

圖1 曳引輪過渡磨損

圖2 常規鋼絲繩張力調節裝置

2 自動調節裝置的原理

帕斯卡定律：封閉容器中的靜止流體的某一部分發生的壓強變化，將大小不變地向各個方向傳遞。圖2中F1、F2代表著兩根鋼絲繩承受的張力，兩個液壓缸固定不動，鋼絲繩端部與液壓缸伸出桿相連接，兩個液壓缸的有桿腔（高壓腔）通過管路連接構成一個無源的密封油路，P1、P2為兩油缸內的壓強，A1、A2為兩油缸有桿腔的截面積，F1=P1×A1，F2=P2×A2，圖3（a）為電梯兩根鋼絲繩的長度一樣，P1=P2，液壓缸型號一樣，A1=A2，所以F1=F2，兩根鋼絲繩張力保持一樣；假如在同等張力的情況下兩根鋼絲繩的后期結構性變形不相同，如圖3（b），1號鋼絲繩伸長較多，1號液壓缸的活塞桿會向上移動調整，由于兩個液壓缸通過管路連接構成一個無源的密封油路，2號液壓缸的活塞桿則會向下移動調整，調整到位后，兩液壓缸有桿腔的壓強依然相等（P1=P2），兩根鋼絲繩的張力通過自動調整達到相等平衡（F1=F2）。

圖3 裝置原理圖

前文介紹的是兩根鋼絲繩的張力自動平衡，同樣的道理，如果是多根鋼絲繩，則采用多個油缸的組合，多個油缸的高壓腔通過管路互通構成一個無源密封油路，實現多根鋼絲繩的張力自動調整平衡。如圖4所示，通過自動調整實現張力平衡（F1=F2=F3）。

圖4 裝置原理圖

3 自動調節裝置的設計及功能探討

依據理論原理，設計了如圖5所示的調節裝置結構圖，相對于圖4的原理圖，增加了繩頭彈簧，液壓缸采用單作用空心液壓缸。繩頭彈簧起到兩個作用：

1）電梯突然制停時，能夠減緩沖擊，減輕振動，避免了封閉液壓系統的缺陷。

2）彈簧的高度反映了對應鋼絲繩的張力，高度相同則鋼絲繩張力相等，通過觀測可以知道液壓管路系統是否存在阻滯而影響鋼絲繩張力的自動調節。單作用空心液壓缸的活塞桿在裝置中的受壓，正適合選擇穩定可靠的受壓繩頭彈簧，中間空心，便于螺桿穿過安裝。

圖5 自動調節裝置結構圖

如圖6所示，L為液壓缸活塞桿伸出的長度，如果液壓缸對應的鋼絲繩相比于其他鋼絲繩伸長較多，此液壓缸活塞桿的伸出長度L值就會調整增大，直到多根鋼絲繩張力平衡，但活塞桿伸長度受限于液壓缸結構，如果對應鋼絲繩伸長量相較于其他鋼絲繩要大的太多，超過了活塞桿的伸出長度極限，那么此缸鋼絲繩張力自動調整就會失效。D為固定螺母的位置尺寸，通過改變D的大小也可以調節鋼絲繩張力，當活塞桿伸出長度即將達到極限時，調整螺母位置，增大D值，可以減小L值，減慢活塞桿伸出長度極限的到來，這就需要配置感應器以檢測到伸出即將達到極限值來提醒進行人為的螺母位置調整，但D值受制于結構也是有極限的，當D值、L值都即將達到極限時就需要截短鋼絲繩了。

圖6 自動調節裝置

圖7 液壓管路的液壓原理圖如圖4所示，3個液壓缸的高壓腔互通組成無源封閉油路，每個液壓缸的油路上有一個截止閥，設置一個對整個油路系統加壓和泄壓的接頭。正常情況下，截止閥全部處于打開的狀態，如果某一根鋼絲繩（1號）需要截短或更換，可以關閉對應油路的截止閥，在接頭處接入加壓泵，注入壓力油，其他液壓缸活塞桿伸出并頂升鋼絲繩承受全部載荷，1號油缸活塞桿不動，1號鋼絲繩僅承受自身重量，這時就可以方便進行鋼絲繩的截短或更換工作，工作完成后，打開截止閥，調整整個無源封閉油路的液壓油量。

圖7 液壓管路圖

前文中的結構設計針對的是3根鋼絲繩的情況，3根以上可以完全參照，鋼絲繩較多時，受限于液壓缸的尺寸，在同一平面難以排布多個液壓缸，可以設置高低兩個平臺來安置液壓缸，功能不受影響。

4 總結

本文研究設計的鋼絲繩張力自動平衡裝置可以實現鋼絲繩張力的自動平衡，在產品的設計制造階段解決了鋼絲繩張力的問題，能夠有效改善電梯的乘坐舒適感，保證甚至延長曳引輪和懸掛鋼絲繩的使用壽命，減小曳引輪和鋼絲繩因為過早更換修理而造成的社會財產浪費。鋼絲繩張力不均在高層、高速電梯上尤其明顯，造成的曳引輪和鋼絲繩不正常報廢現象更加嚴重，也因此引發了很多社會矛盾，但現行的《電梯制造與安裝安全規范》和《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》對鋼絲繩張力沒有明確要求，建議對一定范圍內的高層、高速電梯增加鋼絲繩張力自動平衡的要求，引導電梯制造單位從設計上優化鋼絲繩張力情況，為大眾提供更加先進可靠的產品。