解析電梯運行中補償裝置的原理與作用

黃奶秋

（福建省特種設備檢驗研究院寧德分院，福建寧德352100）

0 引言

隨著科學技術的發展，城市建設日新月異，高層住宅拔地而起，電梯已成為高樓上下通行必備的“交通工具”。隨著電梯的廣泛應用，人們對電梯的安全性能、使用性能要求逐漸提高。作為電梯相關從業者，只有“走近電梯”，熟悉電梯的結構組成、掌握電梯的工作原理，才能提升電梯運行質量，確保乘客生命財產安全，提供更加優質的乘運環境。本文剖析了電梯補償裝置的工作原理，并通過數學理論推導，論證了其設置的重要性。

1 電梯補償裝置介紹

電梯在運行時，轎廂側和對重側的鋼絲繩以及轎廂下隨行電纜的長度在不斷變化，為減少電梯運行過程中由于鋼絲繩和隨行電纜長度變化造成的曳引輪兩側的拉力差，提高曳引質量，在對重側和轎廂側下方安裝一定規格的補償裝置[1]。為避免電梯運行時，補償裝置擺動與對重隔障、緩沖器固定支座等底坑設備產生撞擊，一般在底坑設置導向組件。通常補償裝置有補償鏈、補償繩、補償纜三種。因補償鏈便于安裝、調試，且能在電梯運行中保持良好的垂向，工作穩定，目前在電梯制造企業中被廣泛采用。補償鏈由多個金屬鏈孔連接而成，為避免鏈之間摩擦撞擊產生聲音，通常在鏈外或內包裹穿連隔音材料。補償鏈按照鏈包裹的方式可分為裹纖維補償鏈、全塑補償鏈、包塑補償鏈、穿繩補償鏈，優質的補償鏈可使電梯運行安全平穩，達到靜音舒適的效果。而劣質的補償鏈常常產生下列問題：（1）電梯運行時抖動嚴重，造成轎廂振動、噪音大，使乘客乘坐體驗大打折扣；（2）使用壽命短，柔韌性差，不耐寒，外裹層易開裂，開裂后劇烈晃動等；（3）強度差且不穩定，易造成斷鏈事故。因此，補償鏈選擇與設置是電梯具備良好使用性能的重要因素。

2 補償裝置的工作原理

電梯轎廂在曳引機上曳引鋼絲繩的牽引下，在井道內做垂直升降運動。曳引鋼絲繩和隨行電纜懸掛重量隨著電梯在井道中運行高度的變化而發生變化，引起對重側和轎廂側曳引力的變化。要使電梯在運行任何時刻都處于平衡狀態（轎廂處于可控狀態），則必須保證曳引輪上的曳引力滿足曳引條件[2]。

假設電梯轎廂位于井道的任意位置，轎廂離最高層平層位置的距離為X，電梯提升高度為H，則對重裝置離最高層平層位置間的鋼絲繩長度為H-X。當X=0時，表示電梯位于最高層位置，曳引鋼絲繩的重量完全受重于對重側，補償裝置重量受重于轎廂側。轎廂重量為G，轎廂額定載重量為Q。當X=H時，表示轎廂位于最低層位置，曳引鋼絲繩的重量完全受重于轎廂側，補償裝置重量受重于對重側。電梯懸掛補償系統簡圖如圖1所示。假設電梯轎廂的裝載系數為m，對重平衡系數為k，分別表示曳引鋼絲繩數量和單位長度重量，nc、gc分別表示補償裝置數量和單位長度重量，nt、gt分別表示電纜數量和單位長度重量，r表示電梯曳引比。

圖1 電梯懸掛補償系統簡圖

則曳引輪轎廂側鋼絲繩拉力T1為：

對重側鋼絲繩拉力T2為：

曳引鋼絲繩拉力差為：

當轎廂位于最高層時，X=0，則曳引輪兩側拉力差為：

當轎廂位于最低層時，X=H，則曳引輪兩側拉力差為：

當電梯轎廂和對重下方未設置補償裝置時，則相應的式

（4）、（5）分別變為式（6）、（7）。

當轎廂位于最高層時：

當轎廂位于最低層時：

為確保轎廂在任何時刻都能滿足曳引條件，則曳引輪上的曳引力應在下列情況下的任何時刻都能得到保證：（1）不正常運行；（2）在底層裝載；（3）緊急制停的減速度。另外必須考慮到當轎廂在井道中不管由于何種原因而滯留時應允許鋼絲繩在繩輪上滑移[3]。綜合考慮各種最不利情況，可根據歐拉公式進行曳引力的計算：

式中，f為當量摩擦系數；α為鋼絲繩在繩輪上的包角；T1為曳引輪重邊拉力；T2為曳引輪輕邊拉力。

式（8）適用于轎廂裝載和緊急制動工況下的計算，式（9）適用于轎廂滯留工況下的計算。

若要滿足曳引條件的曳引力，曳引機必須具備足夠的制動力矩和啟動力矩，確保曳引輪正常啟制動。

曳引機制動力矩M為：

緊急制動狀態下的負載轉矩M負為：

式中，P為曳引機功率；n為轉速；D為曳引輪上鋼絲繩接觸的節圓外徑；η為曳引機傳動效率。

3 補償裝置的作用

為了使電梯系統在上下運行過程中曳引鋼絲繩上的拉力差的差值保持在一定小范圍內，避免變化的拉力差的差值影響乘運質量，取轎廂位于最低層和最高層兩種極限位置進行分析，令ΔT1=ΔT2，求得：

由式（12）易知，補償裝置的設置與電梯的提升高度、對重平衡系數無關，與電梯轎廂內的實時載重量也無關，它只與曳引鋼絲繩、隨行電纜的參數以及電梯的曳引比有關。

電梯轎廂與對重處于最大高度差時的兩種工況如下：（1）轎廂滿載下行至最低層站；（2）轎廂空載上行至最高層站。電梯轎廂處于緊急制動工況下，除了靜態力的作用，還有動態力和阻尼力的作用（本文為便于計算，先予以忽略）。這兩種工況對曳引條件要求最高，轎廂側的鋼絲繩與對重側的鋼絲繩上的拉力差達到最大值。

將式（13）代入式（8）中進行驗證，發現當轎廂設置補償鏈后T1/T2值變小，曳引條件比未設置補償鏈的更容易滿足歐拉公式。

將式（14）代入式（8）中進行驗證，發現當轎廂設置補償鏈后T1/T2值變小，曳引條件比未設置補償鏈的更容易滿足歐拉公式。

同理，分別進行該兩種工況下的轎廂滯留狀態曳引條件確認，通常轎廂設置補償鏈后T1/T2也滿足歐拉公式。

GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》中詳細規定了電梯在啟動運行、制動停梯等狀態下的運動速度特性，其中規定最大啟、制動加減速度均不應大于1.5 m/s2[3]。GB/T 24478—2009《電梯曳引機》中對曳引機的額定制動力矩也作了相應規定，曳引機制動輪上的力矩必須滿足規定[4]。對電梯正常啟動運行時的4種工況進行分析：

（1）轎廂處于最低層處，且滿載。由式（13）可知，當轎廂設置補償裝置后，T1-T2的值減小。

（2）轎廂處于最高層處，且空載。由式（14）可知，當轎廂設置補償裝置后，T1-T2的值也減小。由式（10）、（11）可得曳引機啟動時提供力矩減小，啟動功率降低。

（3）轎廂處于最低層處，且空載。當轎廂設置補償裝置后，忽略鋼絲繩引起的拉力差，曳引機啟動只需提供平衡對重拉力作用于曳引機的反向力矩，而該力矩小于第（1）種工況下的力矩。

（4）轎廂處于最高層處，且滿載。設置補償鏈后，盡管此時曳引機需提供大于第（2）種工況下的反向力矩。但該工況在日常電梯運行中頻次較低。綜上，結合日常電梯使用狀態分布，設置電梯補償裝置后，一定程度上可降低曳引機的能耗。

除此之外，部分無機房曳引式電梯在救援時，當轎廂側拉力與對重側拉力相等轎廂處于平衡狀態時，利用電梯補償鏈、懸掛部分專用重塊破壞靜平衡，實施救援。

4 結語

盡管電梯補償裝置是電梯部件中簡單的部分，但如果沒有利用好該部件，輕則影響電梯乘運舒適感，重則引發電梯安全事故。只有正確安裝電梯補償裝置，使用經設計計算的補償裝置，才能發揮它的作用。