曳引驅動電梯超載保護裝置測試技術發展綜述*

張宏亮，殷彥斌，謝柳輝，黃柳元

（廣東省特種設備檢測研究院東莞檢測院，廣東東莞 523120）

0 引言

電梯作為一種主要設置在建筑物內部或者外部提供人員或貨物運輸服務功能的機電設施，隨著社會經濟的發展進步，其綜合性能飛速提高，電梯的保有量也在保持每年20%以上的增長，截止2020年底，全國的在用電梯量達786.55萬臺，成為世界上電梯保有量、年產量、安裝量較高的國家，電梯真真切切地給社會化生產和人民高品質生活帶來福利。但另一方面，電梯的生產和使用過程的安全問題也給社會造成了惡劣影響，引起社會公眾恐慌。據資料顯示，電梯因使用、管理不當發生的事故，約占總起數的73.85%，超載保護裝置是電梯的一個重要安全保護裝置，是監測和有效控制電梯轎廂內承載載荷的一項安全保障技術措施。超載保護裝置處于失效狀態，給電梯安全運行埋下嚴重安全隱患。

（1）長期超載運行，增加轎廂鋼結構、曳引系統疲勞損壞，導致轎廂變形、鋼絲繩過早拉伸、各主要部件加速損傷、平層準確度精度差等問題。

（2）對電梯的制動系統和限速器-安全鉗系統等提出更高的制動動作性能要求，一旦超過其極限載荷范圍，將導致電梯下行速度過快、無法有效制停而梯墜人傷。

（3）電梯超載保護裝置的失效還會導致轎廂開門運行，剪切、擠壓墜落事故發生。

（4）超載運行會增加曳引機的能源消耗，不符合《特設法》“節能環保”的工作原則。

對超載保護裝置定期進行加載試驗保證其功能有效是電梯檢規和標準［1-2］要求必須進行的一項工作任務。功能有效指超載保護裝置在一個合理的范圍內動作即可，最遲在轎廂內的載荷達到110%額定載重量時動作，雖然沒有規定動作的下限，但動作應盡量接近額定載重量，既不能過早誤動作也不能過遲不動作。

現行的檢規要求的是電梯轎廂張貼標識電梯額定載重量和額定人數的銘牌（圖1）及進行加載試驗的方法控制超載，轎廂銘牌只充當警示標志作用，并不能真正起到防止超載的功能。

圖1 轎廂內銘牌

載荷試驗并未明確是有載荷試驗還是無載荷試驗，載荷的種類也未作要求。目前比較普遍的是采用租賃定額砝碼進行超載試驗，對于額定載重量在1 000 kg以下的電梯能夠滿足檢驗要求，對于大噸位的電梯則由于人機比緊張很難滿足現場檢驗要求，且由于人員需要頻繁進出電梯轎廂搬運載荷，費時、費力還存在極大的安全隱患，難以消除人為因素對超載保護裝置的動作誤差。

國內外的高校、檢驗機構及科研機構等學者對如何高效、快速地實施超載檢測進行了大量的研究，本文對目前主流的超載保護裝置的檢測方法：無載荷測試、微載荷及有載荷測試方法及相關的儀器設備的現狀與發展進行綜述和分析，希望能夠為業內超載保護裝置的檢測技術研發提供借鑒。

1 超載保護裝置的類型及機理

目前，曳引驅動電梯的超載保護裝置的類型按照設置位置有機房稱重式、轎頂稱重式、轎底稱重式。按照動作機理的不同主要有微動開關、接近開關（光電式、電感式、電容式、霍爾感應式、超聲波與微波接近開關）、壓力傳感器、應變片。

工作機理：通過壓力傳感器壓力感知傳輸到載荷控制器，將電信號轉化為載荷信號；彈簧（橡膠）受壓縮產生位移，觸發電氣開關動作；霍爾傳感器與固定永久磁體之間的位移變化實現磁通量的變化，基于霍爾磁效應原理而產生相應的線性電壓信號；鋼絲繩附著應變片感應鋼絲繩受拉力等測量原理來實現轎廂承載載荷大小的測量，當轎廂內的載荷達到超載預設動作值時，會發出警示信號，使轎廂不能運行。

當然，也有部分學者何俊杰[3]、修志杰等[4]利用機器視覺技術、圖像識別技術實現對轎廂內情況的實時監控，通過轎廂內的人員數量識別達到阻止超載情況的發生，無法識別人員的總體重量。

2 超載保護裝置測試方法

2.1 有載荷檢測法

有載荷測試法是目前應用最普遍的超載保護裝置功能符合性檢測方法。測試的過程基本一致：將實體載荷按照目標電梯的額定載重量逐漸加載或一次性運送到電梯轎廂內，人工觀察電梯超載的音響或者發光信號是否正常，電梯不能正常啟動及再平層，動力驅動的門完全打開，手動門保持在未鎖狀態。

利用標準砝碼（10 kg、20 kg、25 kg、30 kg等）作為載荷進行超載試驗，如圖2所示。使用單位需要去砝碼租賃公司或組織租賃一定數量的砝碼，運載到現場運用人力或借助載荷運輸設備將砝碼載荷運輸到電梯轎廂內進行試驗，試驗完畢后將砝碼運出轎廂，返還租賃公司。該種方法簡單明了、技術含量低、對人員無特殊技術要求，但是需要人力（搬運人員）、財力（租賃費、人工費、安全防護費，單臺至少500元以上）、物力、試驗周期長，對電梯轎廂有一定的損傷，還要擔一定的安全風險且根本無法消除人為進出轎廂時對超載保護裝置的動載荷影響。因此，很多使用單位、維保單位等實際上并未定期進行超載保護裝置的功能有效試驗。

圖2 超載試驗及鑄鐵砝碼

目前，國內學者主要的研究方向是變換載荷類型、機器替人載荷搬運兩方面。周前飛等【5】利用傳感器技術、人工智能與傳統的機械、液壓技術有力結合，研制了一套高效安全的電梯載荷試驗方法及成套裝置，利用遙控控制試驗小推車將試驗水箱進入到電梯轎廂，然后向水箱快速注水代替原始的人工搬運砝碼的方法，可以實現自動均勻地加載所需載荷，大大縮短加載試驗的時間，超載保護裝置試驗的效率大幅提高4倍以上，人員勞動強度大大降低且該裝置能夠完成電梯所有的載荷試驗過程。有學者曾發明一款利用轉運小車和帶重量刻度線的圓柱結構水袋實現試驗的裝置，利用水代替鑄鐵砝碼，如圖3所示。

圖3 水載荷試驗原理及裝置

孟國剛等［6］設計了一款利用安裝在車體前部的旋轉吊臂配合蓄電池驅動的卷筒、鋼絲繩、吊鉤、壓力傳感器的載荷試驗小車裝置，減輕了載荷試驗人工勞動強度，縮短了實驗時間，提高了試驗效率，采用細節設計避免了撞擊、壓損以及電梯制動帶來的剪切風險，如圖4所示。

圖4 載荷試驗小車

鄧明旭[7]、龔隆政等［8］設計了一款蓄電池履帶驅動的可調整電梯載荷裝置，包括方形車架、控制裝置、動力裝置、履帶式車輪、車輪緩沖層、鏤空狀砝碼筐、稱重傳感器、顯示器、限位支架、支撐住等，將一定數量的標準砝碼裝入砝碼筐，通過控制裝置實時調整移動軌跡到轎廂完成載荷試驗，如圖5所示。

圖5 履帶驅動載荷試驗小車

當然，也有的采用袋裝水泥、大桶水、對重塊等作為載荷進行試驗，該種方法由于實際載荷重量未能準確確定所以檢驗過程中是不可取的，對于采用“人肉”載荷進行試驗應當嚴禁執行，存在人員傷亡風險。

李華忠等［9］研究一種輪式砝碼用于電梯的載荷試驗，結構簡單，便于操作，一定程度上降低勞動強度，但是未從根本上消除砝碼搬運的繁瑣過程。如圖6所示。

圖6 輪式砝碼

2.2 微載荷檢測法

微載荷測試法是介于有載荷和無載荷測試之間的利用遠小于額定載重量的載荷加載，即可完成對超載保護裝置的檢測的一種方法。龐濤等［10-12］分析了超載信號在轎底的保護裝置基本原理，建立了電梯轎廂數學模型，研制了一款電梯超載保護裝置檢測儀，檢測儀樣機實物如圖7所示，由總質量50 kg、每塊質量為1 kg的試驗塊和分成兩組的矩形鋼板構成試驗載荷與光柵測微裝置及位移監測系統組成。

圖7 檢測儀樣機實物

通過對轎廂施加載荷后，轎底中心位置會產生微小的變形位移，變形位置再由光柵測微儀檢測后輸出方波信號，經過倍頻電路細分后，將位移脈沖信號傳輸給控制器，實現對轎廂底中心位置的檢測，通過小載荷時轎底中心與結構梁之間的距離變化推算大載荷時的距離變化量，進而檢測電梯超載保護裝置是否有效。

經過試驗驗證后相對誤差在5%以內，檢驗效率大大提高，檢測時間由原先的40 min下降到10 min。該裝置已經進入到試用階段，應用前景廣闊，但是該檢測儀初期針對的是超載信號采集器安裝在轎底且減震裝置為線性（如彈簧）的情況，適用范圍受一定限制。

2.3 無載荷檢測法

電梯無載荷超載保護裝置測試法是近幾年研究最熱門的一種載荷試驗方法，其省去了載荷使用的費用、人力資源占用，降低了設備和人員損傷風險，不論是經濟性、準確性還是效率方面都具有顯著優勢，國內特種設備檢驗機構及相關研發單位經過幾年的研究也取得了一定的成果，根據加載的位置及方式，主要有轎內加載式、轎底加載式、超載夾持式等。

（1）轎內加載式

張健等[13]研制的基于機電液一體化的電梯稱量裝置智能檢測設備，利用“鉗子”式杠桿機構對電梯轎廂地板與轎廂底部進行加載測試模擬轎廂加載載荷，測試超載保護裝置是否有效，該設備已經投產市場化使用。但是其只針對超載保護裝置設置在轎底的形式進行測試，對于其他形式的超載保護裝置不適用。如圖8所示。

圖8 “鉗子”式超載檢測裝置實物

羅立輝等[14]利用杠桿原理將杠桿的一端設置在轎廂內并設置重量傳感器感知施加給轎廂的載荷大小，另一端設置在層站處利用液壓千斤頂施加載荷，杠桿裝置的中間設置調節孔用銷釘固定在整個機構上，上下兩端抵靠撐緊在廳門的上下坎，提供固定支承點。該種形式的載荷測試方法簡單便捷，但需考慮電梯的廳門上坎是否能夠承受系統施加的極限載荷造成損壞，轎廂內施加載荷的均勻性需進一步研究，還有整體裝置的形狀不規整及輕量化設計需要進一步優化。如圖9所示。

圖9 層站杠桿式超載檢測裝置實物

（2）轎底加載式

許競等[15]通過在電梯底坑位置設置基坑預埋板提供固定支撐點在轎廂底部設置拉環提供施加轎廂拉力載荷的連接點的形式，利用液壓缸實現載荷拉力的載荷加載。該種方式需要對電梯底坑進行改造，設置具備相應拉力載荷承受能力的基坑預埋板，這是該裝置的核心部件。如圖10所示。

圖10 基坑預埋板式超載檢測裝置實物

龍楓等[16]在轎廂底部安裝一套包括稱重裝置、施壓裝置及一套支撐架組成的檢測裝置。支撐架需要通過拉桿安裝在目標電梯的底梁上，稱重裝置和液壓千斤頂安裝在支撐架和轎廂架底梁之間，液壓千斤頂通過支撐架和轎廂架的底梁對轎廂施加載荷，最后由稱重裝置測得相應數據進行判斷。其便攜性和安裝效率需要進一步改善和提高。如圖11所示。

圖11 轎底支撐架式超載檢測裝置

（3）轎頂加載式

盧明技等[17]利用液壓技術在轎頂位置導軌處安裝緊固安全鉗裝置配合液壓缸對轎頂施加載荷測試超載保護裝置有效性。該裝置對于設置在轎廂底部的超載保護裝置無法實現檢測。如圖12所示。

圖12 轎頂加載式超載檢測裝置

（4）超載夾持式

超載夾持式方法主要是通過液壓、電動方式驅動夾持夾緊裝置對超載保護裝置處施加夾持力或者壓力達到檢測超載保護裝置的目的，一般都具有體積小、便攜、輸出載荷力有一點限制等特點。

孫學禮等[18]研制一款電驅動夾持式超載檢測裝置，通過220驅動的伺服電機、諧波減速機、T型絲桿傳動方案，能夠有效的對繩頭處、轎底處的超載保護裝置實現檢測，但是對于部分電梯超載開關的可檢測位置過小或繩頭開關只是測部分彈簧壓縮量的情況不能驗證，需要進一步優化設計。如圖13所示。

圖13 電驅動夾持式超載檢測裝置

於浩等[19]利用電控液動對超載裝置同步對角位置施壓，模擬載荷加載，2臺同步施壓可達16 000 N，目前已經更新到第四代產品（SCTJ-CZ-4），已獲取5個品牌（日立、蒂森、奧的斯（中國）、奧的斯機電、迅達）的46個型號，載重為1 000 kg的精度試驗K修正值的獲取，精度最大達到2%。如圖14所示。

圖14 對角加壓式超載檢測裝置

龐濤等［20］提出了一種壓力式超載保護裝置檢測儀，適用于設置在機房或井道頂部繩頭處的超載保護裝置的檢測，其結構與實物如圖15所示。利用液壓千斤頂作為載荷源，壓力表實時監測施加載荷力的大小，通過萬象水平儀和調節機構使裝置底板始終處于水平位置，保證繩頭處受力均勻，模擬實際轎廂加載情況。但是對于安裝在轎頂或者轎底的超載保護裝置則無法實現檢測，使用有一定局限性。

圖15 壓力式超載檢測裝置

3 各檢測方法對比分析

目前，現有的各種檢測方法技術各有特點，都需要進一步的進行細化研究，其對比分析優缺點如表1所示。

表1 各檢測方法對比分析

經過上述幾種檢測方法的對比分析，可以看出無載測試和微載荷測試及圖像視覺測試法是有一定優勢的。有載荷測試無法從根本上擺脫實體載荷限制，而微載荷測試方法受限于超載裝置的減振裝置形式，對于非線性的減振裝置的研究還需要花費一定精力，如果能夠準確獲得各種減振裝置的力學性能曲線，那么該方法將很有發展前景。圖像視覺法是唯一能夠實現實時在線監測的方案，但是目前僅針對乘客人數的判定識別是遠遠不夠的，對于載貨電梯更是無法實現超載檢測，下一步對每個乘客或貨物的重量識別將是研究的重點。

無載荷測試在超載保護裝置試驗乃至電梯的其他載荷試驗中研究最為熱門，解決了檢驗檢測過程中的人機比問題、效率問題、安全問題及資源利用問題，其中轎內“杠桿”式、超載夾持式和基坑預埋板轎底加載式值得進一步深入研究，對于轎內“杠桿”式方法需要解決的是大噸位、大面積的電梯其額定載重量及面積都會增大，轎廂中心位置距離層站廳門的距離會變大，進而使得整個裝置的體積、重量也會相應增加，而且對于廳門上坎的承受能力也提出了很高的要求，如果廳門坎無法承受相應載荷，那么該裝置將無法實現功能。基坑預埋板轎底加載式需要解決的是現有及未安裝電梯的底坑位置的預埋件設計，需要經過使用單位或建筑設計單位的同意及載荷測試通過后方可執行，還要注重做好后期的預埋件的維護及承載能力監測。超載夾持式的方法具有便攜、效率高等優點，是比較理想的超載裝置測試的方案，但是其輸出載荷力的能力及夾持方式與夾持結構件的設計需要進一步優化，以適用于更廣范圍的超載測試。

4 結束語

電梯的超載保護裝置對電梯安全極其重要，必須對其功能進行準確可靠的檢測。通過本文分析得出：砝碼有載測試是目前應用最普遍的一種超載測試方法；微載荷測試方法研究比較少，如何準確識別不同減振裝置的力學性能變化原理是今后的重點，該方法也是今后比較有潛力的一種方法；無載測試是今后應該著重研究的方向，尤其是尋求一種可靠并能直接對轎廂進行加載測試的方案應用前景最為廣闊。