根據(jù)效率曲線及負載特點合理配置扶梯主機

陳正

（廣州奧的斯電梯有限公司，廣東廣州 510425）

根據(jù)效率曲線及負載特點合理配置扶梯主機

陳正

（廣州奧的斯電梯有限公司，廣東廣州 510425）

敘述了扶梯的負載特點、扶梯主機效率曲線的應(yīng)用、扶梯主機損耗和效率的影響因素、電機和減速箱的類型及其在扶梯中的應(yīng)用特點，給扶梯主機的合理配置和節(jié)能應(yīng)用提供了實用性的參考建議。

扶梯；主機；電機；減速箱；效率；節(jié)能；配置；應(yīng)用

扶梯與電梯不同的一大特點之一，扶梯的動態(tài)載荷的增加與提升高度的增加成正比，變化范圍相當?shù)拇?。按GB16899的要求，梯級的寬度為1米時，扶梯每個梯級的制動載荷為120 kg。以一個梯級的高度為0.2米計算，提升高度為6米寬度為1米的扶梯，從梯上只有一個乘客到整個扶梯滿載（參見圖1），載荷變化范圍是60～3 600 kg，提升高度為12米寬度為1米的扶梯，載荷變化范圍是60～7 200 kg。對于難以精確預(yù)測和不可控制的動態(tài)負載，驅(qū)動主機和配電等設(shè)備都必須考慮最極限的狀態(tài)下的功能配置達到要求。在非滿載情況下如何節(jié)約電能，成為了扶梯行業(yè)一直探討的課題。

圖1 扶梯乘客載荷分布示意圖

1 扶梯能耗與乘客載荷和主機效率的關(guān)系

扶梯的耗電計算取決于一臺扶梯各種載荷變動周期內(nèi)的負載率，在各種載荷變動周期內(nèi)的工作效率，各種載荷變動周期內(nèi)的累計工作時間。

η(1),η(2)···——主機各種載荷變動周期內(nèi)的工作效率（%）；

t(1),t(2)···——主機各種載荷變動周期內(nèi)的累計工作時間（小時）

例如，扶梯主機的額定功率P，負載模式如表1。

表1 扶梯能耗關(guān)系表

由上式看出扶梯的主要耗電與乘客的負載率和主機的效率有著密切的關(guān)系。

即假定每3個小時為一個周期，0.5小時滿載，其余2.5小時載荷分別為60%和25%，同一主機在不同的負載工況下效率分別為82.7%和72.9%，平均耗電功率分別為額定功率的0.8倍和0.482倍。

如何恰當?shù)嘏渲梅鎏葜鳈C，使扶梯在滿載和非滿載工況下主機都運行在高效率的工作狀態(tài)，對長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)但多數(shù)時間工作于非滿負載狀態(tài)的扶梯，有著重要的意義。

目前國標型式試驗對扶梯主機的效率評估，均是指達到熱平衡時100%額定負載下的主機效率。但目前大部份的扶梯主機的效率都是隨負載減小而降低，且在扶梯空載時低效率尤其明顯。所以額定負載下的主機效率與主機實際工況下的工作效率是有差別的。

2 結(jié)合扶梯的負載特點看主機的效率曲線

如何評價和合理利用扶梯主機的效率曲線，主要看扶梯通常的工作載荷在主機效率曲線的哪一段。

試驗及統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，當扶梯的額定功率按扶梯100%滿載時配置時，通常扶梯空載時主機的驅(qū)動功率是主機額定功率的20%左右，而大部份扶梯的峰值載荷大約最多在主機額定功率的70%左右。

如圖2，從效率對應(yīng)于負載的變化率看，效率曲線呈先陡后平的趨勢。從扶梯常處于非滿載工作狀態(tài)方面考慮，扶梯主機的效率曲線中滿載效率η越高，低負載段L越短，滿載效率與低載效率的差值△η越小，即具有高而平的效率曲線的主機，是比較理想的高能效的扶梯驅(qū)動主機。

圖2 主機負載效率曲線

從扶梯使用的角度來看，把主機的效率曲線分為A、B、C三段。按規(guī)范要求，扶梯主機都是在空梯（不帶乘客）時起動的，A段是主機功率小于20%額定功率，這一段的負載率只影響扶梯起動，由于起動時間很短，A段的效率對正常工作的扶梯影響不大。B段是主機功率20%～70%額定功率，這一段是扶梯帶乘客負載連續(xù)工作的效率，這一段的負載大小及對應(yīng)主機效率是扶梯能耗的主要組成部份。C段是主機功率70%～100%額定功率，大部份扶梯很少能達到如此高的負載率，且由于扶梯入口的空間限制和乘客行走速度的關(guān)系，梯速越快，提升高度越高，達到70%以上負載率的可能性越小。

3 什么類型的主機能夠具備高而平的效率曲線

3.1 扶梯主機主要構(gòu)成部件

目前扶梯主機的主要傳動件構(gòu)成是由減速箱、聯(lián)軸器、電機和制動部份組成。

由于扶梯的驅(qū)動力矩較大，目前的扶梯主機都離不開減速箱。減速箱的主要作用如下。

（1）減速。把電機轉(zhuǎn)速從1 000 r/min或1 500 r/min變?yōu)?0～20 r/min，減速箱加上鏈條傳動的總減速比接近100。

（2）增力。扶梯的工作力矩較大，驅(qū)動一個6 m、0.5 m/s的滿載扶梯，在梯級驅(qū)動輪上需要大約6 000 N·m的驅(qū)動力矩，通過減速箱和鏈條的減速，主機高速軸的驅(qū)動力矩只需70 N·m左右。在減速的同時提高輸出力矩，力矩輸出的比例是電機的輸出轉(zhuǎn)矩乘以減速比，在把電機的高速轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)為扶梯的慢速運行時，把電機的轉(zhuǎn)矩增大了幾十倍。如果不帶減速箱直接用電機驅(qū)動扶梯的話，電機將變得很大，現(xiàn)有的電機在尺寸、成本和配電上都難以滿足扶梯的大驅(qū)動力矩的要求。所以，當需要轉(zhuǎn)矩變化時，使動力機（電機）仍按額定功率工作，而由傳動裝置（減速箱）來增加轉(zhuǎn)矩，通常這樣做比較經(jīng)濟。

目前扶梯驅(qū)動電機的主要類型：

（1）交流異步電機；

（2）永磁同步電機。扶梯主機聯(lián)軸器大部份采用帶橡膠緩沖塊的爪型聯(lián)軸器。

目前扶梯減速箱的主要類型：

（1）螺旋傘齒輪+斜齒輪；

（2）蝸桿蝸輪+斜齒輪；

（3）蝸桿蝸輪；

（4）行星齒輪。

3.2 扶梯主機效率的主要影響因素

扶梯主機的效率：η=η電機·η聯(lián)軸器·η減速箱。

聯(lián)軸器效率η聯(lián)軸器效率大約98%。

受動載影響的主要是減速箱的效率η減速箱和電機的效率η電機。

3.2.1 減速箱功率損耗的各個組成部份

減速箱功率損耗如下式所示。

從上式看到，與負載相關(guān)的功耗來自于齒輪的嚙合和軸承的運轉(zhuǎn)。Pvz是輪齒在傳力時由于齒廓滑動-滾動引起的摩擦損耗，是功率損耗的主要部份。輪齒摩擦損耗Pvz大致隨著載荷的增長而成正比例增長，隨著油粘度降低而少量增加（因為高粘度在混合摩擦區(qū)有助于油膜壓力的形成）。

減速箱的傳動效率由三部份組成：

η減速箱=η嚙合·η軸承·η攪油。

減速箱的效率主要取決于嚙合效率，嚙合效率與減速箱的類型有關(guān)。

3.2.2 各種類型減速箱在扶梯應(yīng)用中的特點

各種傳動類型的效率差異表明，交錯軸傳動（蝸桿傳動，準雙曲面齒輪傳動，螺旋齒輪傳動）由于沿齒長方向有滑動，因此效率會降低（當η低于50%時，有可能存在反作用力的鎖緊作用和自鎖），根據(jù)這一原理，效率比較高的是相交軸或平行軸的齒輪傳動，即沿齒長方向沒有滑動的齒輪傳動，傘齒輪，直齒或斜圓柱齒輪傳動[2]。

（1）螺旋傘齒輪+斜齒輪二級傳動的減速箱屬于相交軸+平行軸傳動，齒輪傳動是滾動摩擦加少量滑動摩擦，傳動效率比較高，額定負載下傳動效率達到η＞95%,起動效率大于90%。

（2）蝸桿蝸輪屬于交錯軸傳動，滑動摩擦比較大，所以蝸桿蝸輪在額定負載下的傳動效率比傘齒輪傳動低6%～7%，在非滿載的效率更低。傘齒輪傳動與蝸桿蝸輪傳動的典型的效率曲線比較如圖3。Eff2是螺旋傘齒輪傳動的效率曲線，Eff1是蝸桿蝸輪傳動的效率曲線，螺旋傘齒輪傳動在負載起點較低到較大負載時基本保持了平而直的高效率，而蝸桿蝸輪傳動在負載較低時效率比較差。

圖3 減速箱負載效率曲線（傘齒輪vs蝸桿蝸輪）

傘齒輪傳動大部份是通過滾動嚙合傳遞動力，滑動摩擦較小，因而效率較高，但嚙合沖擊產(chǎn)生噪音和振動比蝸桿蝸輪大。

蝸桿蝸輪滑動速度分量大，而沖擊速度小，所以運轉(zhuǎn)噪音低，振動小。蝸桿傳動能在一級傳動中實現(xiàn)較大的傳動比，承載能力較好，在功率不大時，較二級傳動的傘齒輪+斜齒輪傳動成本低，所以，蝸桿蝸輪減速箱中也得到了一部份扶梯用戶的認同，廣泛應(yīng)用于扶梯主機之中。但輪齒相對滑動大，發(fā)熱通常成為蝸桿蝸輪一級傳動不能用于大功率的限制。值得注意的是，用于扶梯的減速箱必須避免在力流反向時出現(xiàn)自鎖，因為扶梯在負載下行及制動時，蝸桿蝸輪減速箱處于蝸輪驅(qū)動蝸桿的工作狀態(tài)，如果蝸桿蝸輪付的升角小于5°容易產(chǎn)生自鎖，造成對蝸輪的沖擊和損壞，對于傳動比大中心距小的蝸桿蝸輪減速箱影響比較明顯，要避免這種情況，蝸桿蝸輪付的升角至少大于8°.

實際上各種類型的減速箱的優(yōu)缺點都是相對的，目前用于扶梯的不同類型的減速箱都盡量在保留其優(yōu)勢的同時彌補其不足。

（1）采用準雙曲面齒輪交錯軸傘齒輪付，準雙曲面齒輪付的小齒輪和大齒輪的軸線相交距離偏置，由于軸線的偏置，嚙合齒面的縱向中會出現(xiàn)附加的滑動運動，因此降低了噪聲。但同時也增加了發(fā)熱，降低了效率，但效率仍高于蝸桿蝸輪傳動。

（2）采用大升角多頭蝸桿蝸輪+斜齒輪的減速箱。由于蝸桿蝸輪噪音低，傳動平穩(wěn)，減振性好，隨輸入轉(zhuǎn)速的提高及速比的減小而效率提高。斜齒輪在較小的空間內(nèi)傳遞較大力矩，低速時也能保證較高的傳動效率，但轉(zhuǎn)速高時噪音較大。所以，當蝸桿蝸輪位于高速級，斜齒輪位于低速級時，把蝸桿蝸輪傳動和斜齒輪的優(yōu)點結(jié)合起來，既提高了效率，又減少了噪音。使額定負載下的效率達到了92%，與螺旋傘齒輪+斜齒輪的減速箱的滿載效率僅差2%～3%，噪音也比齒輪減速箱低了幾個分貝。由于采用了大升角多頭蝸桿蝸輪，反向驅(qū)動的效率（即蝸輪帶蝸桿時）也較高，對有電能再生的系統(tǒng)帶負載下行時的電能回收有利。

（3）單級的變齒蝸桿蝸輪付減速箱，由于其獨特的多點分散嚙合方式，改善了潤滑和散熱，滿載傳動效率接近90%。

3.2.3 電機在扶梯應(yīng)用中的特點

扶梯電機的工作狀態(tài)有兩種：

（1）扶梯向上運送乘客時，電機處于驅(qū)動狀態(tài)，電機的轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速稍慢，動力來自于電機的電磁轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，除了克服梯級、梯級鏈和扶手帶的重量引起的摩擦力外，還要克服乘客引起的梯路和扶手帶摩擦力。是電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程；

（2）扶梯向下運送乘客時，電機處于發(fā)電機狀態(tài)，電機的轉(zhuǎn)速比同步轉(zhuǎn)速稍快，電機的轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)矩方向相反，電機轉(zhuǎn)矩起著制動的作用，維持扶梯以恒定的速度下行。動力來自于乘客重量，除了克服梯級、梯級鏈和扶手帶的重量引起的摩擦力外，還要克服乘客的引起扶手帶摩擦力和電機的制動轉(zhuǎn)矩。

異步電機在扶梯中的應(yīng)用，應(yīng)考慮以下幾點特殊要求。

（1）負載轉(zhuǎn)矩與過載能力

由于扶梯經(jīng)常處于非滿載的工作狀態(tài)，電機的負載轉(zhuǎn)矩需按實際峰值載荷的需求而定。對于商務(wù)型的扶梯，如果客戶確認最高負載率不超過70%的話，可以按負載的70%配置主機的額定功率。由于異步電機的短時間允許轉(zhuǎn)矩過載能力為額定轉(zhuǎn)矩的1.5～1.65倍，允許持續(xù)時間大于1分鐘左右。所以在確認扶梯電機的短期最大過載轉(zhuǎn)矩和主機整體的破斷安全系數(shù)后，商務(wù)型的扶梯不一定需要配置太大功率的主機，過大的備用功率會令電動機的效率降低。過低的負載率會造成功率因素較差。即使使用變頻器，可以改善功率因素，但也不能提高電機的效率。

（2）發(fā)熱校驗與過熱保護

電機的容量需考慮峰值載荷的持續(xù)時間，否則電機有可能出現(xiàn)過熱。

扶梯電機的絕緣等級多為F級（155℃），為了提高電機的使用壽命和可靠性，往往采用F級絕緣材料，但溫升限制按較低的等級（例如B級132℃）設(shè)置保護，避免電機損壞。

（3）頻繁啟動

為了安全，扶梯的啟動都是在空載下起動。但對于水平人行道等起動慣量較大，驅(qū)動功率不大時，決定電機功率要考慮起動的影響。對于較小功率的電機，帶間歇操作模式，或檢修狀態(tài)下啟動頻繁時，容易造成電機過熱，應(yīng)考慮適當把電機功率提高一檔。當電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量與額定轉(zhuǎn)速的平方乘積為最小時，能獲得快速啟動和制動的效果。空梯運行功率小于電機額定功率的三分之一時，配置電機的功率大小對星三角起動的影響較小。

（4）電機轉(zhuǎn)速

當確定電機額定轉(zhuǎn)速時，必須考慮機械減速機構(gòu)的傳動比，兩者必須相互配合。當功率一定時，電機的轉(zhuǎn)速越低，其尺寸越大，價格越高，效率也較低。所以，對于50 Hz電源，傳遞同樣功率時，使用1 500 r/min四極電機比使用1 000 r/min六極電機尺寸小，價格低，效率高，電機軸負載轉(zhuǎn)矩小。但同樣功率的1 500 r/min四極電機比1 000 r/min六極電機噪音高3分貝左右。選用哪一種需根據(jù)扶梯的應(yīng)用場所需求確定。

（5）電機效率

異步電機功率損耗來源于電機運行過程中能量的固定損耗和可變損耗。固定損耗包括鐵損和摩擦損耗，與負載無關(guān)，一般電動機固定損耗的數(shù)值較小。可變損耗主要是銅損，銅損與電樞電流的平方成正比。異步電機的效率和功率因素隨著額定功率的減小和負載率的減小而降低。

由于綠色環(huán)保的倡導(dǎo)，對于電機的效率提出了更高的要求。IEC國際電工技術(shù)委員會于2008年10月批準發(fā)布了IEC 60034-30:2008單速三相籠型感應(yīng)電動機能效分級標準（IE代碼），標準定義能效分級為：IE1標準效率，IE2高效率，IE3超高效率，IE是“國際能效分級”的縮寫。2011年6月16日后，歐盟將IE2能效等級作為電機強制性最低能效標準。多數(shù)扶梯客戶都選擇IE2能效等級的扶梯電機。

近年來，由于永磁同步電機在電梯行業(yè)的廣泛應(yīng)用，帶永磁同步電機的主機也開始用于扶梯。由于扶梯要求轉(zhuǎn)矩較大，主機依然需要帶上減速箱增力。永磁同步電機與感應(yīng)電機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因素，減少了定子電流和定子電阻的消耗，從而使其效率比同規(guī)格的感應(yīng)電機提高2～8個百分點。而且，永磁同步電機在25%～120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率(0.93～0.96)和功率因素（0.93～0.99），使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。

與三相感應(yīng)電動機相比，永磁同步電動機沒有轉(zhuǎn)子損耗，鐵耗，雜耗也比較低，由于損耗的減少和功率因素的增加，永磁同步電機的定子電流就要下降，定子銅耗也要下降，電機效率具有高而平的特點。對于負載在較大范圍內(nèi)變化的應(yīng)用場合，會有明顯的節(jié)能效果。據(jù)統(tǒng)計分析，小功率同步電機比感應(yīng)電機效率提高5%～8%，功率因素提高10%～20%。從發(fā)展趨勢看來，用永磁電動機取代感應(yīng)電機是一項很有前途的研究方向[3]。

4 合理配置扶梯主機，匹配實際負載，提高能效利用率

（1）相交軸或平行軸傳動的減速箱配置永磁同步電機組成的主機具備高而平的效率曲線，能在比較大的動載范圍內(nèi)達到能源的最高利用率。

（2）一個減速箱覆蓋的功率范圍不要太大。

額定負載變化太大時，分為兩個減速箱，使實際負載功率盡量接近減速箱額定設(shè)計功率，使減速箱的實際工作負載在減速箱效率較高的一段，能提高電能的利用率。如圖4，Eff3是一個減速箱覆蓋較大功率范圍的例子，Eff1和Eff2是用額定功率大小不同的兩個減速箱分別覆蓋功率范圍的較小段和較大段的例子。很明顯，分為額定功率大小不同的兩個減速箱比用一個大減速箱工作效率高，而且對節(jié)約成本和機房空間有利。

（3）不宜對商務(wù)型扶梯配置過大的備用功率。運行功率越接近額定功率，電能利用率越高。對于商務(wù)型的扶梯，客戶確認最高負載率不超過70%的話，可以按負載的70%配置主機的額定功率。但不按100%負載率配置主機必須符合GB16899的安全規(guī)范的要求，破斷力矩具備5倍以上安全系數(shù)，短時間驅(qū)動力矩能帶動滿載的扶梯正常運行，并能在規(guī)定的距離內(nèi)制停滿載的扶梯。

（4）盡量采用較高速度的電機和較小減速比的齒輪箱，讓傳動件工作在較高的轉(zhuǎn)速，可以使傳動件工作于同樣功率下承受相對低一點的負載轉(zhuǎn)矩，可提高傳動件在同樣負載下工作的安全系數(shù)及使用壽命。

（5）針對不同的使用場所的特點，選用合適類型的驅(qū)動主機。

圖4 減速箱負載效率曲線（額定功率vs工作負載范圍）

斜齒輪的效率比蝸桿蝸輪高，蝸桿蝸輪的噪音比斜齒輪低。所以，對于公交運輸?shù)谋容^熱鬧的地方，噪音的影響相對小，用斜齒輪的減速箱比較好。而對于高級商場、圖書館、醫(yī)院等比較安靜的地方，噪音的影響相對大，用蝸桿蝸輪減速箱比較好。

（6）提升高度太小，或水平人行道，由于沒有下行重量的勢能存在，對電能再生沒有意義。當控制系統(tǒng)帶有電能再生系統(tǒng)時，多臺扶梯一起使用，電能的消耗會比使用單臺扶梯時有利。

（7）間歇操作是扶梯節(jié)能模式之一，但應(yīng)選擇適當?shù)拈g隔以避免過多的頻繁起動，過少的停梯時間，起不到省電的作用反而造成對傳動系統(tǒng)的過多沖擊和磨損。

（8）調(diào)整操作簡單，維保成本低對于主機的配置非常重要，及時換油，通風(fēng)良好對主機的工作性能和壽命有較大的影響，良好的維保措施的制定和執(zhí)行才能保證主機長時間工作在高能效狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文關(guān)于合理配置扶梯主機及節(jié)能所提及的參考建議，是基于目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于扶梯主機的電機和減速箱的成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，尋求比較優(yōu)化的應(yīng)用途徑。期待隨著今后新技術(shù)的問世和新產(chǎn)品的換代，扶梯主機在安全、節(jié)能、環(huán)保方面將有進一步的提升。

［1］G.尼曼，H.溫特爾.機械零件：第三卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

［2］G.尼曼，H.溫特爾.機械零件：第二卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1989.

［3］劉益標，陳鈞.基于DSP的電梯永磁同步電機的DTC控制系統(tǒng)［J］.機電工程技術(shù)，2011（11）：28-31.

［4］魏靜微.小功率永磁同步電機原理、設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

(編輯：王智圣)

表2 三種結(jié)構(gòu)在不同厚度下的靜態(tài)特性分析結(jié)果

4 結(jié)論

經(jīng)過大量計算表明，針對十排鉆床身不同結(jié)構(gòu)形式及不同厚度存在以下規(guī)律：

（1）十排鉆機床的非對稱載荷工況是其最危險工況，此時床身位移最大；

（2）對同一矩形管壁厚的十排鉆床身采用一字型筋板及X型筋板結(jié)構(gòu)時，其位移明顯比無筋板結(jié)構(gòu)減小；

（3）通過對不同結(jié)構(gòu)及矩形管厚度a的綜合分析，得出最優(yōu)床身設(shè)計方案為：a=9 mm的X型筋板結(jié)構(gòu)。

參考文獻：

［1］倪曉宇，易紅，湯文成，等.機床床身的結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化［J］.制造技術(shù)與機床，2005（2）：47-50.

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［7］吳鴻慶，任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京：中國鐵道出版社，2000.

［8］肖利利.大型龍門加工中心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及快速仿真平臺開發(fā)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

第一作者簡介：陳敬敬，女，1985年生，山東濟寧人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機械設(shè)計及優(yōu)化仿真。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：向 飛)

Configuration of Escalator Machine Based on Efficiency Curve and Load Pattern

CHEN Zheng
（Guangzhou OTIS Elevator Co.，Ltd.，Guangzhou510425，China）

Describe escalator load pattern characters,escalator machine efficiency curve,escalator machine power loss and efficiency impact factors,analyze motor and gearbox type and respective application purpose for escalator,recommend practical reference comment for escalator machine reasonable configuration and energy-saving application.

Machine Motor Gearbox Efficiency Energy-saving Configuration Application

TU857

A

1009－9492(2014)03－0103－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.032

陳 正，女，1961年生，廣東人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：扶梯驅(qū)動主機。

2013－12－18