電梯125%額定載荷制動性能的無載荷定量檢測

陳建勛，蘇宇航，楊寧祥，邰勝林，吳溪

（1.廣東省特種設備檢測研究院 珠海檢測院，廣東 珠海 519002；2.珠海市安粵科技有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，電梯已成為人們生產生活過程中不可或缺的交通工具，作為一類機電類特種設備，電梯安全性能得到越來越多的關注。目前在用垂直電梯基本都為曳引驅動電梯，曳引機是電梯運行的重要動力部件和安全部件，電梯運行時通過曳引電動機帶動曳引輪為電梯上行和下行提供驅動力，而當電梯正常達到指定層站或遇到電梯上行超速功能被觸發、安全開關意外動作等特殊情況需要緊急制停時，則需利用制動器進行曳引輪減速直至電梯完全停止。作為曳引機的重要組成部分，制動器使用頻率最高，可視為電梯的“剎車系統”，制動器不及時動作或提供的制動力矩不足時將使電梯帶病運行，極易導致轎廂失速，甚至沖頂或墩底，造成人員剪切、擠壓、墜落、撞擊等事故，嚴重威脅乘客生命財產安全[1-3]。因此，制動性能一直都是電梯檢驗檢測過程中重點關注的指標。

特種設備安全技術規范TSG T7001《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》第8.13項對“制動試驗”的檢驗要求為：轎廂裝載125%額定載重量，以正常運行速度下行時，切斷電動機和制動器供電，制動器應當能夠使驅動主機停止運轉，試驗后轎廂應無明顯變形和損壞[4]。傳統檢測方法需要通過向電梯轎廂內搬運與125%額定載荷等質量的砝碼，該方法雖然使用廣泛、技術成熟，但實施時主要依靠人為定性判斷轎廂制動滑移狀況，耗費人力物力，效率低下，搬運砝碼過程也存在轎廂意外滑動安全隱患[5]，測試結束還可能對電梯造成一定程度的損傷，這些都給電梯使用、維保和檢驗單位造成了很大困擾，制動性能的無載荷檢測技術逐漸成為研究熱點[6]。

本文介紹了電梯制動性能的無載荷定量檢測方法并開發了檢測系統，依據數學模型通過3組不同工況空載制動減速度對125%額定載荷制動減速度進行計算，從而對檢規或標準中規定的125%載荷雙邊制動性能進行定量評估，測試結果與檢規和標準要求對應，具有很好的通用性。

1 無載荷檢測原理

1.1 有載制動減速度計算原理

目前在用垂直電梯基本都為曳引驅動電梯，其曳引系統典型結構如圖1所示。電梯運行時通過電動機帶動曳引輪旋轉，依靠曳引輪周向輪槽與鋼絲繩組間摩擦力（曳引力）帶動鋼絲繩移動，使電梯轎廂和對重相反方向運行。電梯到達指定層站或緊急制停時控制系統控制制動器動作，通過制動閘瓦與制動輪摩擦實現曳引輪減速，進而使轎廂制停。

圖1 電梯曳引系統結構示意圖

電梯制動過程中由于曳引輪兩側質量差將對制動輪軸心產生偏載力矩，運動部件由于具有轉動慣量也會產生慣性力矩，慣性力矩既包括曳引輪、制動輪等旋轉部件的慣性力矩，也包括轎廂、對重、轎廂中載荷、鋼絲繩、補償繩（鏈）直線運動部件的慣性力矩。令偏載力矩正方向為轎廂減速運動方向，即制動時制動力矩的反方向，忽略導軌摩擦力對系統影響并假設制動過程為勻減速過程，根據力矩平衡關系，制動過程中制動閘瓦產生的制動力矩為偏載力矩與慣性力矩的和，可得轎廂在不同位置、不同運行方向、不同裝載質量下制動過程動力學模型[7]：

式中：MZ為制動力矩，其方向為轎廂運動的反方向，N·m；MP為偏載力矩，N·m；a為轎廂制動減速度，m/s2；i為曳引比，即電梯運行時鋼絲繩移動速度與轎廂移動速度的比值；r為制動輪到曳引輪的傳動比，即制動輪轉速與曳引輪轉速的比值，對于同步電動機等于1；D為曳引輪節圓直徑，m；J0為曳引輪、制動輪等旋轉部件的轉動慣量，kg·m2；JZ1為系統固有直線運動部件的轉動慣量，即轎廂、對重、鋼絲繩、補償繩（鏈）的總轉動慣量，kg·m2；JZ2為轎廂中載荷的轉動慣量；η為制動輪到曳引輪的傳動效率，無量綱，近似等于1。

根據式（1）建立空載上行行程中部制動、空載下行行程中部制動、空載下行行程下部制動、125%額定載荷下行行程下端制動4種制動過程動力學模型方程組，求解得到125%額定載荷下行行程下端制動減速度與其余3組空載制動減速度間關系[8]：

式中：a125為125%額定載荷制動減速度；g為重力加速度，近似為9.8 m/s2；K為平衡系數，與轎廂自重、對重質量和額定載荷有關；a0為空載下行行程下部制動減速度；a1為空載上行行程中部制動減速度；a2為空載下行行程中部制動減速度。通過上式可通過無載荷制動試驗對125%額定載荷制動減速度的計算。

1.2 制動參數評估方法

電梯裝載125%額定載荷實現制動減速的前提是a125大于零，可得平衡系數與3組空載制動減速度需滿足如下關系：

有載制動試驗的目的在于判斷緊急制停時能否讓轎廂最終完全停止，并保證轎廂內乘客的安全。首先，制動減速度不能太小，否則制動時轎廂下行很長距離才停止，可能導致墩底，其次，制動減速度也不能太大，否則轎廂在短時間內急劇減速造成的瞬間沖擊易使乘客受傷或鋼絲繩繩頭脫落、鋼絲繩斷裂。除滿足式（3）使電梯能夠減速外，a125還應處于合理的區間范圍。GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全技術規范》規定：載有1.25倍額定載重量以額定速度下行時，制動器應能使曳引機停止運轉，轎廂減速度不應超過安全鉗動作或撞擊緩沖器時的減速度；漸進式安全鉗對額定載荷自由下落轎廂的制動減速度平均值應為重力加速度的0.2～1.0倍；裝有額定載荷的轎廂自由落體并以1.15倍額定速度撞擊非線性蓄能型緩沖器時的平均減速度不應超過1g[9～11]。綜合分析，125%額定載荷制動減速度應大于0.2g，同時小于1.0g，即處于1.96～9.80 m/s2范圍內。

2 檢測裝置設計

2.1 硬件設計

旋轉編碼器具有測試準確性高、成本低、結構便攜等特點，可用于電梯運動部件的高精度接觸式快速檢測[12-13]。本研究通過旋轉編碼器記錄電梯制動過程中轎廂位移-時間數據序列，經過數據分析得到轎廂平均制動減速度。檢測裝置主要包括旋轉編碼器、裝夾部件、檢測主機和筆記本電腦四部分。旋轉編碼器外接同軸硬膠滾輪，滾輪外圓與電梯曳引鋼絲繩或限速器鋼絲繩接觸，電梯運行時鋼絲繩運動帶動滾輪旋轉實現轎廂位移數據記錄。測試主機外觀如圖2所示，內部包括編碼器數據采集模塊、通信模塊和12 V直流供電電路，用于采集旋轉編碼器脈沖數據并將結果傳輸給筆記本電腦等移動終端。根據不同的測試場合，測試主機和移動終端可采用WIFI無線透傳或RS485有線傳輸兩種物理通信方式，數據通信幀遵循標準Modbus協議。無線模式下數據采集速率為每秒35組，有線模式下速率可達每秒50組。測試過程中可通過主機上的“數據清空”按鍵實現硬件清零，清零后數據寄存器復位，重新開始新的編碼器脈沖計數。

圖2 電梯125%額定載荷制動性能檢測儀主機

2.2 軟件設計

為配合檢測裝置硬件模塊，采用Visual Basic語言開發出用于Microsoft Windows系統下運行的“電梯制動性能運動數據采集系統V1.0”軟件，主界面如圖3所示。測試時，軟件系統實現與硬件WIFI組網或建立RS485通信后，通過選擇不同模式，軟件可實時記錄并動態文本顯示編碼器原始脈沖數、轎廂實時位移值和速度值，并將數據通過預設文件名以“.txt”文件格式存儲于指定路徑下，供后續進一步分析，默認路徑為計算機桌面。測試時也可通過軟件對編碼器數據采集模塊的數據寄存器進行軟件清零，以重新計數。

圖3 電梯制動參數檢測數據采集軟件界面

3 現場測試

為防止測試準備階段轎廂意外溜梯，確保試驗過程安全，執行制動試驗前應確保電梯平衡系數處于0.40～0.50，或者符合電梯制造（改造）單位設計值[4]。在某次電梯監督檢驗過程中，采用測試裝置對一臺額定速度為2 m/s、平衡系數為0.47、30層30站的貨梯進行125%額定載荷制動性能的無載荷檢測。測試時通過旋轉編碼器對轎廂運行位移進行檢測，測試部位為電梯機房曳引輪附近曳引鋼絲繩，如圖4所示。將磁吸座吸附于主機機架，調節萬向支架位置，使測速滾輪與曳引鋼絲繩緊密接觸，將編碼器與測試主機連接，打開測試主機和筆記本電腦，實現軟硬件聯機后開始進行3組不同工況下空載制動試驗。裝置記錄電梯從啟動加速到勻速運行再到最后緊急制動過程中轎廂的“位移-時間”數據序列。測試時“緊急制動”通過人為在機房斷開電梯控制柜主開關觸發。3組空載制動試驗后再進行1組125%額定載荷砝碼制動測試，以實現空載制動試驗的制動減速度計算結果與有載制動減速度實測結果對比。

圖4 旋轉編碼器用于轎廂運行位移檢測

4 結果分析

4.1 空載制動測試

空載上行中部制動、空載下行中部制動和空載下行下部制動3組工況下轎廂位移曲線如圖5所示。每次測試時轎廂運行約40 m后開始制動，總位移約為總提升高度的一半，位移為正值表示轎廂下行，負值表示轎廂上行。通過位移數據序列與時間數據序列的差商可計算出轎廂速度曲線，如圖6所示。

圖5 空載制動轎廂位移曲線

圖6 空載制動轎廂速度曲線

統計出速度曲線中制動操作前勻速運行階段連續5 s速度平均值作為制動前的電梯運行速度，取開始連續出現5個速度值逐次減小且小于上述運行速度值的時刻作為轎廂開始制動減速時刻。轎廂從速度降到零到完全靜止前一般經過幾次上下振動，因此取速度首次降到零時的時刻作為制動結束時刻。開始制動減速時刻和制動結束時刻之間的時間差為制動時間。轎廂運行速度與制動時間的比值即為平均制動減速度。根據上述計算方法得到的制動參數如表1所示。

4.2 125%額定載荷砝碼制動測試

125%額定載荷砝碼制動試驗時，轎廂從頂層開始向下運行，勻速運行一定距離后在行程下部開始制動，得到位移曲線和速度曲線如圖7所示。勻速運行速度為1.87 m/s，制動時間為1.52 s，得到平均制動減速度為1.23 m/s2。根據減速度與速度關系可得制停距離為1.42 m。

圖7 125%額定載荷制動位移和速度曲線

4.3 結果對比

將表1中平均制動減速度代入式（2），計算得到125%額定載荷雙邊下行制動平均減速度為1.15 m/s2，參考砝碼試驗實測電梯速度1.87 m/s，進一步計算出制停距離為1.52 m，該結果接近于砝碼試驗測試結果，兩者相差0.01 m。該電梯砝碼試驗實測平均制動減速度和依據空載制動試驗計算出的平均制動減速度不處于1.96～9.80 m/s2合理區間范圍內，制動性能不滿足要求。

5 結論

在已知平衡系數前提下，依據曳引電梯制動過程通用動力學模型，并通過測試3組空載制動工況下平均制動減速度，可計算出125%額定載荷行程下部下行平均制動減速度。采用旋轉編碼技術開發的電梯125%額定載荷制動性能檢測儀可無線采集制動過程中電梯位移、速度數據，并根據位移或速度曲線計算出平均制動減速度。通過無載荷檢測方法和檢測裝置實現了對某貨梯125%額定載荷制動性能的無載定量檢測，測試過程效率高，分析結果接近砝碼有載測試結果。