高速電梯的機械安全部件的分析與研究

劉 威

（杭州市特種設備檢測研究院，浙江杭州 310051）

0.引言

從電梯誕生之初到現在，它的運行速度可謂是發生了翻天覆地的變化：1962 年奧的斯8m/s 高速電梯，1978年的10m/s 的超高速電梯，2001 年日本三菱的18m/s 超高速電梯與東芝的16.8m/s 超高速電梯都是電梯行業發展歷史中的一座座豐碑，標志著人們對電梯運行速度的不懈探索。隨著電梯運行速度的不斷提升，對電梯安全部件安全性的要求也越來越高。這當中，當屬對安全鉗和緩沖器的發展最為重要。很早以前的瞬時安全鉗只能用于不大于0.63m/s 電梯的速度，現在的蓄能型緩沖器用于速度1.0m/s 以下的電梯；在人們的不懈努力下，開發出了能適用于任何速度的漸進式安全鉗和耗能型緩沖器，讓電梯的安全性更高[1]。

1.下行安全鉗分析與建模

1.1 安全鉗動力學模型

轎廂運行速度等于額定值后，將速度傳感器反饋的數據輸入到控制系統，通過分析后會輸出相應的指令信號給限速器，從而實現安全鉗制動。在此過程中，轎廂所受到的制動力是非線性的，伴隨非線性能耗出現。根據達朗貝爾系統動力學理論，可以很好地解釋這個制動過程，使轎廂在安全鉗的作用下可靠地在導軌上停下，減速動作如何實現是分析的重點[2]。

利用滾輪導靴的作用，導軌能可靠接觸轎廂，即使轎廂在快速地進行直線運動，滑輪也不會在導軌間滑動，滾輪與轎廂之間存在摩擦力，在制動時，導軌與安全鉗間也有摩擦力，二者之和用F來表示，如圖1 所示。

圖1 下行轎廂受力分析

在這工況下，轎廂的加速度為

公式中:

Ff—轎廂單側承受的制停力；

P—轎廂質量；

Q—額定載重量；

g—重力加速度。

1.2 轎廂結構分析

通常在垂直電梯中把導靴設置在轎廂左右側能保證和電梯導軌接觸良好，每個導靴都會有3 個滾輪。如此設計，第一是為了讓轎廂順著導軌升降，做直線運動；第二是為了對轎廂的運動進行限定，保證不會出現偏轉[3]。

利用安全鉗的制動會使系統承受多個外力，如導靴阻力、導軌在轎廂上的制動力、重力以及導軌的阻力。

轎廂上升速度等于額定值時會切斷拽引電機，所以在制動系統的下降運動時，系統所承受的外力僅為阻力與自身重力。為便于分析，轎廂中安全鉗制動時的阻尼作用忽略不計，只考慮導軌與安全鉗間的摩擦力以及導軌與轎廂間的摩擦力等外力作用[4]。

1.3 安全鉗的制動理論分析

通常分析制動力時會假定安全鉗對制動轎廂的力不變，所以安全鉗的制動轎廂的行程是根據平均制動力確定的，滿載轎廂的下落過程中安全鉗制動平均減速為0.2g ～1.0g 時則不會產生不適感。

1.4 制動轎廂問題分析

以下是安全鉗制動時的各類情形：

（1）曳引機的轉動暫停。此時無動力，下降速度可能會超速，則需要斷開控制電路，并制動曳引機，發出動作命令，進而制動安全鉗。在圖2 中展示了轎廂上升過程對應的動力學模型圖。

圖2 轎廂提升動力學模型

（2）通過曳引機驅動電機運轉，轎廂速度也可能會超速。此時，在曳引輪上產生的上升加速度同第（1）種情況所述恰好是相反的，具體的受力方程為：

2αF+Gg-α(P+Q+W)g=[G+α(P+Q+W)]a

式中：

W—曳引鋼絲繩質量，對應單位是kg；G—對重重量，對應單位是kg；

F—安全鉗的制動力，對應單位是N；A—曳引系數；

P—轎廂的重量（kg），對應單位是kg；Q—負載的重量（kg），對應單位是kg。

（3）轎廂發生自由下降。此時，需要斷開鋼絲繩，轎廂開始做自由落體運動，該過程對應的受力方程為：

此時轎廂加速度公式為：

1.5 安全鉗安裝

一定要將導軌與安全鉗相互配合，如此才可達到制動轎廂的目的，對于獨個安全鉗是起不到作用的。所以，電梯企業在對導軌與安全鉗進行選擇時，一定要先對該型號的導軌與安全鉗開展破壞性的試驗，保證二者是可以良好配合的，與具體安全要求也是相符的。

還未安裝安全鉗時，一定要清理好導軌。

（1）鏟除導軌油膩（油）。電梯的導軌上禁止出現油脂，防止安全鉗制動對安全產生妨礙作用，涂層出現防銹油，就要先把導軌的表面鏟除干凈，才能安全地去裝安全鉗。

（2）加入導軌潤滑油。假如有必要將潤滑油加入到導軌中，那么開展相關的安全鉗試驗進行確認后才可使用該潤滑油。

（3）定期清掃導軌。由于電梯導軌一般都是在井道中進行安裝的，且建好建筑外殼前就已經安裝好了電梯的井道，因此，在進行建筑物的施工時，不可避免會在井道中出現大量的灰塵，而灰塵會同導軌的潤滑油以及防銹油等相結合，這種混合后的物質具有黏性，對導軌和安全鉗之間的制動性能可能會產生影響，進而導致安全事故的發生。所以，有必要定期清掃導軌表面，比方說，每半個月進行一次清理等。

2.下行緩沖器分析

緩沖器利用轎廂可以消耗掉對重產生的能量，從而制動或者減速，是轎廂的又一個安全保護裝置。當電梯運行時，因不同的原因導致故障發生，如電梯控制系統故障、曳引機故障、安全鉗故障等，使超速到達底層，此時會急速沖向緩沖器，緩沖器就會體現其保護作用，防止轎廂直接與地面相撞，轎廂中的乘客與貨物便可得到一定的保護[5]。

2.1 設計原理及結構

油壓緩沖器根據液體流動形成的一定阻尼作用對轎廂的沖擊作用產生一定的緩解。

為了讓緩沖過程更加平穩，需要對排油截面進行合理的設計。根據相關理論設計其排油截面，使得其錐度在合理區間。使用流體理論對排油截面進行計算，理論計算的結果，需要通過調節桿的連續變化實現，類似于錐面，在測量與加工上的難度就會很大。在實際中，調節桿的錐度往往要進行多次試驗后根據結果確定[6]。

2.2 緩沖器數學模型

如果電梯發生了事故，轎廂就會表現出一種沖向底部的趨勢，并以高速向液壓緩沖器撞去，此時的緩沖器中柱塞受到沖擊作用后，連著同時向下運動。由于受到沖擊，緩沖內部開始動作，液壓油流入緩沖柱塞內部的方式是通過節流芯棒上的節流孔。由于沖擊力大緩沖過程，所用時間很短，轎廂沖擊產生的動能轉化為液壓油的熱能，相當于液壓油吸收了能量達到緩沖的效果。在緩沖器的復位彈簧作用下，緩沖器的柱塞筒上移到初始位置，這是轎廂離開緩沖器后導致的，由于液壓油回流到油缸內，使得油缸內的體積變大，油壓缸內部壓力減小。液壓緩沖器的內部結構及工作原理如圖3 所示。

2.3 油壓緩沖器的單自由度分析

從機械學震動原理可知道，當兩物體面對面發生碰撞時，沖撞物與柱塞桿的運動是復雜的，不會一定從相同面撞擊。為了簡易的分析與研究，把3 個元素其中的油壓緩沖器的阻尼，彈簧與其質量看成理想的狀態，其中系統的運動方向和物體所受到的外力都會沿著沖撞物的方向去，它的速度為85，所以形成了單自由度振動模型，如圖4所示。在圖4 中M為轎廂的質量、轎廂自由落體的速度被稱為V%，柱塞桿的質量被稱為m，液壓緩沖器系數被稱為c，復位彈簧的剛度被稱為k。

圖4 油壓緩沖器單自由度振動模型示意圖

由上圖中圖4 油壓緩沖器工作的示意圖，重量為m的在對轎廂的工作沖撞下，整個系統運動方程為：

3.結語

本文綜合地敘述了高速電梯在安全的情況下發展和研究的趨勢?；谀称放频母咚匐娞?，深入地研究電梯在運行過程中會發生的安全事故，轎廂安全部件的制動過程。通過了研究與分析，概述了電梯的結構及工作原理，對制動器、安全鉗、緩沖器的結構與工作原理進行了分析。對于制動轎廂的安全鉗，從受力分析及校核兩方面對電梯導軌進行安全計算，采用系統動力學的方法解析安全鉗制動轎廂的過程,得到其系統動力學方程。針對緩沖器對其主要部件進行了安全校核計算，根據緩沖器的工作原理及對轎廂作用緩沖器的緩沖過程的分析，建立了緩沖過程的數學模型。