一種曳引電梯制動性能的無載荷檢測方法及實現

王月新 王佩君 王 毅 沈海峰 張興華

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院昆山分院 蘇州 215000）

（2.南京工業大學 電氣工程與控制科學學院 南京 211816）

電梯作為一類應用廣泛的特種運輸設備，其安全性受到了人們的普遍關注。近年來，由于電梯制動器失效導致的沖頂、蹲底、剪切和擠壓等事故屢有發生，而制動力矩不足往往是制動器失效的主要原因[1-2]。為保證電梯的運行安全，除了日常的維護保養，定期的安全檢驗必不可少。目前，在用電梯制動器的檢驗，除了人工目測檢查外，一般采用載荷制動試驗來進行。這種試驗需要人工加載砝碼，耗費人力物力，由于試驗過程轎廂過載嚴重，可能出現曳引鋼絲繩接頭斷裂、導軌變形、曳引機支撐變形等問題[3]。為此，有必要研究一種簡單、方便和安全的在用電梯制動器性能檢測方法。

本文提出了一種曳引電梯制動器靜態制動性能的無載荷檢測方法和檢測系統實現方案。該方法利用曳引電機的出力，以曳引電機的輸出力矩來補償轎廂載荷產生的偏載力矩，試驗中無須對電梯進行加載，避免了電梯過載試驗對電梯結構產生破壞的風險，可大大簡化制動器檢測過程，降低檢驗成本，提高檢測作業效率，延長電梯的使用壽命。

1 電梯靜態制動過程分析

曳引電梯制動系統通常采用的電磁制動器由電磁線圈、制動臂、制動壓縮彈簧、制動輪和制動閘瓦等部件組成。常閉塊式制動器在曳引電動機工作時松閘，使電梯運轉，在失電情況下制動，使轎廂停止運動，并在指定層站上維持其靜止狀態，供人員和貨物進出。

電梯制動器的制動工作模式分為靜態制動和動態制動2類。其中靜態制動是在電梯平層時，制動器提供合適的靜摩擦力矩，以保持電梯靜止不動，直到電梯再次啟動時松閘[4]。動態制動是當電梯發生故障時（動力電源失電或控制電路電源失電），制動器提供合適的動摩擦緊急制動力矩，將運行中的轎廂制停，制動過程中電梯轎廂的減速度不應超過安全鉗動作或轎廂撞擊緩沖器所產生的減速度[5]。電梯制動時，制動力矩既不能過小也不能過大。如過小，會導致靜態制動時制動輪與制動片之間產生滑動，發生溜車現象；如過大，會導致緊急制停時制動減速度過大，對電梯內乘客造成人身傷害。

依照GB／T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》[6]的規定，電梯在靜態制動時（轎廂裝載工況），應使轎廂在裝載125%額定載荷的情況下保持平層狀態不打滑。此時要求電梯曳引輪兩側鋼絲繩的拉力滿足T1／T2≤efα。這里的T1為曳引輪兩側的較大拉力，T2為曳引輪兩側的較小拉力，efα為曳引系數，α為鋼絲繩在曳引輪槽中的包角，f為當量摩擦系數，與繩槽材料和形狀有關。曳引系數efα限定了鋼絲繩與曳引輪不打滑的最大T1／T2比值，efα大，則T1／T2的允許比值大，電梯曳引能力大。

以轎廂和對重均采用2∶1懸掛方式的曳引電機為例，當轎廂加上一定的載荷，處于靜態制動平衡狀態時，曳引電梯系統的模型如圖1所示。為便于分析，做如下簡化：忽略導靴和導軌間的摩擦，不計導向輪和反繩輪的質量，轎廂在最頂層站時曳引鋼絲繩完全位于對重側，補償鏈／繩完全位于轎廂側，隨行電纜質量完全加于轎廂；轎廂在最底層站時，曳引鋼絲繩全部位于轎廂側，補償鏈／繩完全位于對重側，隨行電纜質量不加于轎廂。

圖1 曳引電梯加載靜態制動試驗模型

若曳引鋼絲繩與曳引輪之間無打滑（曳引鋼絲繩拉力滿足T1／T2≤efα），電梯處于靜力學平衡狀態，電梯轎廂側鋼絲繩拉力T1和對重側的鋼絲繩拉力T2滿足方程（1）：

式中：

Mf——曳引輪兩側的偏載力矩；

QC——轎廂質量；

QP——載荷質量；

QCW——對重質量；

QSRcar——轎廂側曳引繩質量；

QSRcwt——對重側曳引繩質量；

QCRcar——轎廂側補償繩質量；

QCRcwt——對重側補償繩質量；

QTrav——隨行電纜質量；

g——重力加速度；

r——曳引比；

D——曳引輪節圓直徑。

設H是提升高度，y是以H／2處作為零點時轎廂的坐標值，當轎廂在底層時y＝H／2，轎廂在頂層時y＝-H／2，則當轎廂處于井道中的y位置時，轎廂側和對重側曳引鋼絲繩的質量QSRcar和QSRcwt為：

轎廂側和對重側補償繩的質量QCRcar和QCRcwt為：

隨行電纜的質量QTrav為：

式中：

ns——曳引鋼絲繩根數；

nc——補償繩根數；

nt——隨行電纜根數；

ρs——曳引繩單位長度質量；

ρc——補償繩單位長度質量；

ρt——隨行電纜單位長度質量。

對于無減速器的永磁同步曳引電梯，曳引輪與制動輪同軸，電梯處于靜態平衡狀態時，制動器需提供的靜態制動力矩為Mb＝Mf（設T2

式中：

QN——額定載荷質量；

K——平衡系數，；

λ——載荷系數，。

在進行電梯制動性能檢測時，制動器提供的制動力矩應按照轎廂空載或裝載時在井道的不同位置的最不利情況進行計算。以制動力矩數值較大者作為最不利的工況，來驗證電梯制動器是否滿足安全性能要求。由一般的力學分析可知，電梯進行制動性能試驗時，轎廂空載處在頂層位置靜止，以及轎廂加載125%額定負載（試驗時的最大負載）處于底層位置靜止時，對應的制動力矩最大。以下分別進行分析：

1）轎廂空載處在頂層的制動力矩

當轎廂空載（λ＝0)處于頂層靜態制動時，y＝-H／2，轎廂側曳引繩的質量QSRcar＝0，對重側曳引繩的質量QSRcwt=nsρsH，轎廂側補償繩的質量QCRcar=ncρcH，對重側補償繩的質量QCRcwt=0，隨行電纜的質量QTrav=ntρtH／2。則轎廂側的拉力T1和對重側的拉力T2分別為：

電梯處于靜態平衡狀態時的制動力矩Mb0＝Mf為（T2>T1）：

此時作用在曳引輪上的靜態制動力矩為逆時針方向（Mb0＜0）。

2）轎廂加載125%額定載荷處在底層的制動力矩

當轎廂加載125%額定載荷（λ＝1.25)處于底層靜態制動時y＝H／2，轎廂側曳引繩的質量QSRcar=nsρsH，對重側曳引繩的質量QSRcwt=0，轎廂側補償繩的質量QCRcar=0，對重側補償繩的質量QCRcwt=ncρcH，隨行電纜的質量QTrav=0。則轎廂側的拉力T1和對重側的拉力T2分別為：

電梯處于靜止平衡狀態時的制動力矩Mb1.25＝Mf為（T2

此時作用在曳引輪上的靜態制動力矩為順時針方向（Mb1.25＞0）。

當電梯負載在0～125%的額定載荷間變化時，電梯制動器的靜態制動力矩的取值范圍在Mb0到Mb1.25之間。

2 無載荷靜態制動性能測試方法

利用曳引電機的轉矩輸出能力，通過變頻器控制曳引電機輸出適當的轉矩，無須人工加載砝碼，就可實現與電梯加載靜態制動試驗完全等效的制動器性能檢測。

2.1 永磁同步曳引電機的轉矩加載原理

在轉子磁場旋轉坐標系（d-q坐標系）中，三相永磁同步曳引電機的輸出轉矩為：

式中：

Me——輸出轉矩；

Pn——極對數；

id——定子電流d軸分量；

iq——定子電流q軸分量；

Lq——q軸電感；

Ld——d軸電感；

ψf——轉子永磁磁鏈幅值。

對于永磁同步曳引電梯，若曳引電機以面貼式永磁同步電機（Ld＝Lq）驅動，或以內置式永磁同步電機（Ld≠Lq）驅動，并采用id＝0的矢量控制，式（10)的電機輸出轉矩均可簡化為：

由式（10)和式（11)可知永磁同步電機的輸出轉矩由定子電流的d軸、q軸分量id、iq決定。通過坐標系的3／2變換和旋轉變換，可以建立id、iq電流與三相電流iA、iB和iC之間的對應關系，因此控制電機的相電流iA、iB和iC就可以控制曳引電機的輸出轉矩Me。實際上，永磁同步曳引電機由變頻器驅動，通過將變頻器設置為電流（轉矩）控制模式，就可以利用電機的出力，進行電梯制動器性能的無載荷檢測試驗。

2.2 無載荷靜態制動性能測試原理和測試流程

電梯制動器的無載荷靜態制動性能測試方法的基本思想是利用曳引電機的輸出轉矩來補償轎廂載荷產生的偏載力矩。通過控制變頻器輸出三相交流電流到曳引電機，使曳引電機輸出等效于電梯轎廂加載負荷所產生的偏載力矩，這樣就可以用電梯的空載制動試驗來替代電梯的負載制動試驗。圖2是曳引電梯無載荷靜態制動試驗原理圖。

圖2 曳引電梯等效無載荷靜態制動試驗原理圖

當電機輸出的補償力矩為式（12)給出的Mc時，該補償力矩與電梯轎廂加載QP=λQN負荷時產生的偏載力矩相等。

依據上述曳引電梯無載荷靜態制動性能檢測原理，設計的無載荷靜態制動性能試驗流程如圖3所示，具體實現步驟如下：

圖3 曳引電梯無載荷靜態制動試驗流程

1）電梯轎廂處于空載狀態，運行到底層后，電梯制動器制動使轎廂保持靜止；

2）曳引電機加載補償力矩，該力矩為等效于轎廂加載λ倍額定載荷產生的偏載力矩Mc；

3）曳引電機在3～5 s內持續加載補償力矩（考慮制動器抱閘的滯后延時和電機力矩加載的滯后延時，加載時間可以適當調整）；

4）讀取編碼器，計算曳引電機轉速，若曳引電機轉速為0，說明轎廂靜止不動，電梯制動器能夠提供足夠大的靜態制動力矩，制動器安全性測試通過，測試結束。若曳引電機的轉速不為0，說明轎廂產生了位移，電梯制動器的靜態制動力矩不足，制動器安全性測試未通過，測試結束。

采用曳引電梯無載荷靜態制動性能檢測方法對電梯制動性能進行檢測，具有操作簡單、過程安全和結果準確的特點。理論上這種無載荷靜態制動試驗與人工加載靜態制動試驗完全等效。由于試驗中無須對電梯進行加載，避免了電梯過載對電梯結構產生破壞的風險，簡化了電梯制動器的檢測過程，降低了電梯制動器的檢驗成本。且檢測試驗不需要電梯系統的參數（與電梯的平衡系數、對重質量和轎廂質量等參數無關），具有極好的通用性。

3 實際電梯檢測計算分析

以某永磁同步曳引電梯為例，該永磁同步曳引電梯參數如下：曳引電機的額定功率PN=11.4 kW，額定轉矩MN=650 N.m，額定轉速nN＝167 r／min，曳引輪節圓直徑D＝400 mm。電梯平衡系數K＝0.48，轎廂質量QC＝1 200 kg，額定載重量QN＝1 050 kg，鋼絲繩的倍率r＝2，曳引鋼絲繩的數量ns＝5，鋼絲繩單位長度質量ρs＝0.347 kg／m，隨行電纜數量nt＝1，隨行電纜單位長度質量ρt＝1.250 kg／m，電梯提升高度H＝53 m，18層，重力加速度g＝9.81 m／s2。

設平衡補償鏈／繩的設計是基于電梯在底層站和最頂層站靜止時曳引輪兩側重力差相等來計算，則有

采用本文提出的無載荷靜態制動性能測試方法來替代電梯的載荷靜態制動性能測試，計算結果見表1。

表1 永磁同步曳引電梯加載125%額定載荷時的制動力矩

表1的計算結果表明，當電梯載荷為125%額定載荷時，曳引電機需加載的補償力矩Mc為1 287.6 N.m，為電機額定轉矩的1.98倍，小于電機的最大輸出轉矩（2.5MN＝1 625 N.m)。這表明采用曳引電機的出力來補償轎廂負載產生的偏載力矩，以電梯空載制動試驗來替代負載制動試驗對電梯制動器制動性能進行檢測是可行的。當電梯負載在0～125%額定負載時，電梯的制動力矩Mb在Mb0到Mb1.25之間。對于上述永磁同步曳引電機，若電梯安裝了補償鏈／繩，電梯制動力矩在-478.2 N.m＜Mb＜809.4 N.m之間變化；若未安裝補償鏈／繩，電梯制動力矩在-642.3 N.m＜Mb＜973.6 N.m之間變化。這個計算結果可為電梯安裝和運營維護部門選擇和調整具有合適制動力矩的制動器提供理論依據。

需要說明的是本文提出的無載荷靜態制動性能檢測試驗，當曳引電機加載補償力矩時，電機將處在過載堵轉狀態。通常變頻器電機驅動系統不允許長時間的過載堵轉，但短時間過載堵轉是可以的。實際上，由于永磁同步曳引電機的瞬時最大輸出轉矩通常可達額定轉矩的2～3倍（本文曳引電機的最大輸出轉矩2.5MN），變頻器驅動的曳引電機系統允許的堵轉時間一般也都在幾十秒以上，而在本文設計的無載荷靜態制動試驗中，電機堵轉加載時間在5 s以內。因此只要試驗時曳引電機加載的補償轉矩不大于電機的最大輸出轉矩，無載荷靜態制動試驗就是安全的。

4 電梯制動器的無載荷檢測系統設計

基于曳引電梯制動性能的無載荷檢測方法原理，本文設計的電梯制動器安全性能檢測系統的硬件結構如圖4所示，檢測系統主要由變頻器和上位機及通信模塊組成。其中變頻器主要完成3項功能：1）驅動曳引機正反轉，使得電梯轎廂上行或下行；2）模擬有轎廂載荷時的測試工況，加載補償力矩（實際操作中加載力矩時要和制動器配合動作）；3）與上位機通信，返回永磁同步曳引電機狀態信息（電流、轉速等）。

圖4 檢測系統的結構圖

上位機由微型電腦和觸摸屏組成，上位機上運行檢測裝置的人機交互界面，測試人員通過人機交互界面發送測試指令給變頻器，同時電機的運行狀態也可以顯示在界面上，上位機與變頻器之間采用RS485串口通信方式。上位機向變頻器發送的信息有測試環節編號、期望輸出力矩、期望轉速、采樣點數、電機運動方向、測試啟停標志；變頻器向上位機返回的信息有測試環節編號、實際輸出力矩、電機轉速、轎廂行程、測試結束標志（返回信息由上位機發出讀取指令得到）。

圖5為上位機操作界面，測試系統有4種工作模式：檢修模式、轎廂加載靜態制動測試模式（包括轎廂載荷在0～150%額定載荷之間可調）、動態制動測試模式（載荷在0～125%額定載荷之間可調）和空載超速上行制動測試模式。檢修模式下，可以從上位機發出電梯上行或下行指令，采用手動方式，控制轎廂到達測試起始位置。測試狀態下，電梯在初始狀態下應靜止，制動器抱閘。根據制動器安全性能測試的要求，電梯轎廂的位置可預先設定。

圖5 測試系統的上位機操作界面

5 結束語

本文提出了一種永磁同步曳引機靜態制動性能檢測方法及其實現方案。該方法利用曳引電機的出力，通過曳引電機施加與轎廂載荷產生的偏載力矩等值的補償力矩，以空載制動試驗來替代負載制動試驗，以實現電梯制動性能的無載荷檢測。分析驗算和初步實驗測試結果表明，這種電梯制動性能的無載荷檢測方法可替代傳統的人工加載125%額定載荷靜態制動試驗，簡化電梯制動器安全性能檢測過程，降低成本，提高檢測作業效率。