電梯線性蓄能型緩沖器型式試驗(yàn)中最大緩沖行程的討論

錢(qián)嘉俊

上海三菱電梯有限公司 上海 200245

1 研究背景

緩沖器是電梯的重要安全部件,設(shè)置于電梯井道底坑內(nèi)轎廂和對(duì)重的下方,是電梯轎廂或?qū)χ匕l(fā)生意外沉底時(shí)的最后一道安全保障。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》和國(guó)際上其它主流電梯標(biāo)準(zhǔn)要求,當(dāng)電梯額定速度不超過(guò)1 m/s時(shí),可以配置線性蓄能型緩沖器[1-3],如圖1所示。線性蓄能型緩沖器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用,被普遍應(yīng)用于低速載客電梯、載貨電梯和雜物電梯中。

圖1 線性蓄能型緩沖器

2 線性蓄能型緩沖器性能要求

根據(jù)GB 7588—2003要求,作為安全部件,電梯緩沖器必須經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)機(jī)構(gòu)所進(jìn)行的型式試驗(yàn)證明合格,取得對(duì)應(yīng)的型式試驗(yàn)證書(shū)后,方可用于電梯產(chǎn)品。參照TSG T7007—2016《電梯型式試驗(yàn)規(guī)則》中與緩沖器相關(guān)的附錄N要求,線性蓄能型緩沖器的適用參數(shù)范圍和配置表中應(yīng)包括參數(shù)最大緩沖行程,見(jiàn)表1。規(guī)程特別指出,當(dāng)緩沖器的參數(shù)最大緩沖行程改變后,需要重新進(jìn)行型式試驗(yàn)[4]。

表1 線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表

在GB 7588—2003和TSG T7007—2016中都明確規(guī)定,對(duì)于線性蓄能型緩沖器,其適用的撞擊質(zhì)量范圍由型式試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的壓力壓縮行程載荷圖根據(jù)計(jì)算式得到:

Cr/4≤M≤Cr/2.5

(1)

式中:Cr為完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量,kg;M為緩沖器適用質(zhì)量范圍,kg。

用做轎廂側(cè)緩沖器時(shí),范圍M應(yīng)覆蓋對(duì)應(yīng)電梯的轎廂質(zhì)量加上額定裝載質(zhì)量。用做對(duì)重側(cè)緩沖器時(shí),范圍M應(yīng)覆蓋對(duì)應(yīng)電梯的對(duì)重質(zhì)量。

對(duì)于線性蓄能型緩沖器可能的總行程,GB 7588—2003中還有要求,應(yīng)至少等于對(duì)應(yīng)于115%額定速度的重力制停距離的兩倍,且無(wú)論如何,此行程不得短于65 mm。完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr對(duì)應(yīng)的彈簧壓縮量FL為:

(2)

式中:k為線性蓄能型緩沖器彈簧剛度,N/mm;v為電梯額定速度,m/s;g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度,g=9.81 m/s2。

對(duì)式(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化,結(jié)合GB 7588—2003對(duì)線性蓄能型緩沖器的使用限制條件,可以得到緩沖器適用電梯額定速度與對(duì)應(yīng)完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr時(shí)的緩沖器壓縮量之間的關(guān)系為:

(3)

聯(lián)立式(1)和式(3),可以確定線性蓄能型緩沖器兩個(gè)最主要的工作參數(shù)——適用質(zhì)量范圍與額定速度。

3 最大緩沖行程參數(shù)問(wèn)題

由于TSG T7007—2016中未明確線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中最大緩沖行程的定義,按照目前的通常理解,業(yè)內(nèi)習(xí)慣將配置表中的最大緩沖行程簡(jiǎn)單等效為型式試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的完全壓縮緩沖器所需要質(zhì)量Cr對(duì)應(yīng)的緩沖器總壓縮量FL。

隨著TSG T7007—2016的廣泛實(shí)施,如將線性蓄能型沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程簡(jiǎn)單認(rèn)為就是型式試驗(yàn)中實(shí)測(cè)Cr所對(duì)應(yīng)的緩沖器總壓縮量FL,則可能會(huì)在首次型式試驗(yàn)數(shù)年后所要求進(jìn)行的緩沖器一致性核查中引起問(wèn)題,即驗(yàn)證試驗(yàn)中得到的完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr與首次型式試驗(yàn)結(jié)果存在偏差,根據(jù)式(1)計(jì)算會(huì)直接影響到緩沖器的適用質(zhì)量范圍。

由于電梯用線性蓄能型緩沖器需承受的撞擊質(zhì)量較大,因此普遍采用熱卷工藝進(jìn)行制造。根據(jù)GB/T 23934—2015《熱卷圓柱螺旋壓縮彈簧 技術(shù)要求》規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)情況下熱卷彈簧的剛度極限偏差為±10%,對(duì)精度有特殊要求的彈簧可選±5%[5]。

為了能夠承受大載荷的撞擊,電梯用緩沖器一般都選用直徑超過(guò)20 mm的彈簧鋼盤(pán)條進(jìn)行制作,熱卷成形后還需要經(jīng)過(guò)淬火和回火工藝。由于彈簧線徑尺寸本身存在偏差[6],以及不可避免地在后熱處理工藝中存在不均勻性,因此若根據(jù)上述特殊精度要求將彈簧剛度控制在±5%以內(nèi)判定線性蓄能型緩沖器是否合格,則廢品率會(huì)非常高,批量生產(chǎn)基本沒(méi)有可行性。可見(jiàn),對(duì)于電梯用線性蓄能型緩沖器,由于結(jié)構(gòu)尺寸的特點(diǎn),在現(xiàn)行工藝條件下彈簧的剛度極限偏差要求控制在±10%是最為可能實(shí)現(xiàn)的[7-8]。

TSG T7007—2016在2018年1月開(kāi)始正式實(shí)施,其中明確要求,對(duì)于首次型式試驗(yàn)合格的線性蓄能型緩沖器,型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)在之后每?jī)赡昊蛩哪赀M(jìn)行一次一致性核查,年限由制造廠家的生產(chǎn)使用屬性決定,核查樣品由型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)在制造廠家自檢合格的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取。

表2中,線性蓄能型緩沖器的彈簧理論剛度為k,總壓縮量為FL,首次型式試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)總壓縮量FL的完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量為Cr,通過(guò)式(1)可以得到緩沖器適用質(zhì)量M的范圍為0.25Cr～0.4Cr。

表2 彈簧剛度偏差對(duì)適用質(zhì)量范圍影響

按照前述通常理解,習(xí)慣將線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程等效為上述總壓縮量FL,那么即使僅考慮前述緩沖器制造過(guò)程中不可避免的剛度偏差,且不考慮在型式試驗(yàn)過(guò)程中因壓力和溫度傳感器所造成的測(cè)量偏差[9],一致性核查時(shí)根據(jù)線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程實(shí)測(cè),并通過(guò)計(jì)算得到緩沖器適用質(zhì)量范圍,也會(huì)受到隨機(jī)抽取樣品彈簧剛度偏差的顯著影響。表2中,當(dāng)彈簧剛度控制在±5%的情況下,型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)根據(jù)線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程對(duì)應(yīng)總壓縮量FL,實(shí)測(cè)得到完全壓縮緩沖器所需質(zhì)量Cr可能隨機(jī)分布在0.95Cr～1.05Cr范圍內(nèi)[10],根據(jù)式(1)可以求得上述分布對(duì)應(yīng)的線性蓄能型緩沖器適用質(zhì)量M的范圍交集為0.262 5Cr～0.38Cr,相比首次型式試驗(yàn)中的適用質(zhì)量范圍0.25Cr～0.4Cr減小了21.7%,這樣才可以保證被抽樣緩沖器通過(guò)一致性核查。同理,當(dāng)彈簧剛度控制在±10%的情況下,線性蓄能型緩沖器適用質(zhì)量范圍相比理想范圍需要減小43.3%,才可以保證被抽樣緩沖器通過(guò)一致性核查。顯而易見(jiàn),一致性核查中因彈簧剛度偏差原因造成實(shí)測(cè)得到的適用質(zhì)量范圍相比理想范圍大幅減小,必然對(duì)線性蓄能型緩沖器的適用性造成很大限制。

4 改進(jìn)方法

表3中,當(dāng)線性蓄能型緩沖器的彈簧存在±10%剛度偏差的情況下,對(duì)應(yīng)前述完全壓縮緩沖器所需要質(zhì)量Cr時(shí)的彈簧實(shí)際壓縮量應(yīng)在0.91FL～1.11FL之間。如果該壓縮量范圍小于緩沖器的最大許用壓縮量,同時(shí)也滿足式(2)所規(guī)定的適用電梯額定速度對(duì)應(yīng)的線性蓄能型緩沖器最小壓縮行程要求,那么緩沖器理應(yīng)被視作滿足基本性能要求。

表3 Cr=4 000 kg時(shí)壓縮量

因此,對(duì)于線性蓄能型緩沖器,即使考慮±10%的剛度偏差,其在型式試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)完全壓縮緩沖器所需要質(zhì)量Cr時(shí)的壓縮量在0.91FL～1.11FL范圍內(nèi),也都完全滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、型式試驗(yàn)規(guī)則和彈簧本身許用要求。同時(shí),在滿足以上要求的前提下,只要能保證選取的彈簧壓縮量所對(duì)應(yīng)需要的質(zhì)量達(dá)到Cr值,那么該線性蓄能型緩沖器就能夠達(dá)到所設(shè)計(jì)的適用質(zhì)量M的范圍0.25Cr～0.4Cr。

通過(guò)以上分析可知,如將實(shí)際試驗(yàn)時(shí)彈簧的總壓縮量FL直接作為線性蓄能型緩沖器型式試驗(yàn)證書(shū)配置表中的最大緩沖行程,那么在之后的一致性核查時(shí),彈簧制造剛度偏差就會(huì)對(duì)緩沖器的適用質(zhì)量范圍造成很大影響。而如表3所示,即使線性蓄能型緩沖器的彈簧存在±10%的剛度偏差,在壓縮量0.91FL～1.11FL范圍內(nèi),實(shí)際也都能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。可見(jiàn),在一致性核查中使用配置表內(nèi)最大緩沖行程參數(shù)對(duì)緩沖器的技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行限制并無(wú)實(shí)際意義。

以下通過(guò)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。假設(shè)現(xiàn)有一款電梯用線性蓄能型緩沖器,緩沖器的彈簧理論剛度為253 N/mm,最大許用壓縮量為180 mm,緩沖器適用于額定速度1 m/s的電梯,設(shè)計(jì)時(shí)的理想適用質(zhì)量M的范圍為1 000 kg～1 600 kg。根據(jù)式(1)可以得到完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr為4 000 kg,在理論剛度情況下根據(jù)式(2)得到對(duì)應(yīng)Cr的彈簧總壓縮量FL為155 mm。如表4所示,型式試驗(yàn)申請(qǐng)單位可以根據(jù)線性蓄能型緩沖器的實(shí)際適用質(zhì)量范圍需要,申請(qǐng)對(duì)同一緩沖器進(jìn)行兩次總壓縮量FL不同的型式試驗(yàn)。即使存在無(wú)法避免的彈簧制造剛度偏差,通過(guò)兩次實(shí)際壓縮量不同的型式試驗(yàn)也能夠使同一緩沖器的適用質(zhì)量范圍完全覆蓋根據(jù)理論剛度值計(jì)算確定的預(yù)期適用質(zhì)量范圍。

表4 線性蓄能型緩沖器型式試驗(yàn)應(yīng)對(duì)方案

上述實(shí)例分析中,考慮線性蓄能型緩沖器彈簧在制造過(guò)程中不可避免地存在±10%的剛度極限偏差影響,其制造圖紙和相關(guān)檢驗(yàn)要求應(yīng)明確彈簧壓縮達(dá)到設(shè)計(jì)載荷對(duì)應(yīng)Cr為4 000 kg時(shí)的壓縮量范圍必須在140.9～172.2 mm之間。該線性蓄能型緩沖器型式試驗(yàn)證書(shū)配置表中的最大緩沖行程可規(guī)定為172.2 mm。相應(yīng)在該緩沖器型式試驗(yàn)及一致性核查中,對(duì)應(yīng)Cr為4 000 kg時(shí)實(shí)測(cè)的彈簧壓縮量根據(jù)式(2)計(jì)算,只要不小于標(biāo)準(zhǔn)所要求的最小值135 mm,同時(shí)不超過(guò)配置表中的最大緩沖行程172.2 mm,都應(yīng)被認(rèn)定為型式試驗(yàn)或之后的一致性核查合格。

5 結(jié)論

綜上所述,線性蓄能型緩沖器型式試驗(yàn)證書(shū)配置表中的參數(shù)是用來(lái)限定緩沖器幾何特性和物理特性的,用以確保實(shí)際生產(chǎn)制品與型式試驗(yàn)樣品的一致性。將其中的最大緩沖行程簡(jiǎn)單定義為型式試驗(yàn)中的總壓縮量FL,既無(wú)法對(duì)緩沖器增加額外的技術(shù)性能限制,又會(huì)徒勞地增加為了達(dá)到預(yù)期適用質(zhì)量范圍所需進(jìn)行的型式試驗(yàn)次數(shù)。所以,對(duì)于線性蓄能型緩沖器型式試驗(yàn)證書(shū)配置表中的最大緩沖行程,最合理的解釋?xiě)?yīng)是線性蓄能型緩沖器在工作范圍內(nèi)所允許的最大壓縮量,即考慮制造公差情況后給出的緩沖器最大許用壓縮量。