電梯制動(dòng)力預(yù)警的方法研究

王寅凱 高常進(jìn)

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192）

截至2016年底全國注冊登記的電梯數(shù)量高達(dá)493.69萬臺[1]，占全球在用電梯的30%。天津全市注冊登記的在用電梯數(shù)量也超過了8萬余臺，可以說人們的日常生活離不開電梯這種重要的垂直型交通工具。電梯作為八大類特種設(shè)備之一，其使用安全性得到了老百姓的普遍關(guān)注，與電梯相關(guān)的事件也涉及社會的和諧穩(wěn)定。

根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備事故調(diào)查處理中心組織編寫的《特種設(shè)備典型事故案例集》[2]，總結(jié)選取電梯方面的近400個(gè)典型案例，其中有關(guān)垂直電梯300余起。在這些案例中，非人為因素導(dǎo)致的電梯事故共173起，占比55.4%，較為典型并且多發(fā)事故即為轎廂意外移動(dòng)導(dǎo)致的剪切、沖頂或蹲底。

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[3]，按發(fā)生事故的系統(tǒng)位置將電梯事故的種類分為門系統(tǒng)事故（占80%左右）、沖頂或蹲底事故（15%）、其他事故（5%）。在這里需要解釋說明的是，這里說的門系統(tǒng)事故既包含了人為非安全使用導(dǎo)致的門系統(tǒng)事故，又包含由于開關(guān)門功能失效導(dǎo)致的停梯事故，還包括了門口處轎廂意外移動(dòng)導(dǎo)致的剪切。

另外，根據(jù)現(xiàn)場檢驗(yàn)與歷史經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，排除不安全使用電梯和人為故意破壞電梯外，由于層門轎門的頻繁開啟特性與人為接觸的固有屬性，導(dǎo)致門系統(tǒng)事故的發(fā)生頻率最高，但危害程度較小。但由轎廂意外移動(dòng)導(dǎo)致的剪切、沖頂或蹲底事故所產(chǎn)生的危害程度最大，因此有必要以此為研究對象。

導(dǎo)致轎廂意外移動(dòng)的原因可能很多，但由于同步機(jī)制動(dòng)力不足而引起的轎廂意外移動(dòng)是一個(gè)重要的不容忽視的原因（以下均以同步機(jī)為研究對象），轎廂的意外移動(dòng)很大可能會產(chǎn)生剪切，甚至是沖頂或蹲底。所以有必要對制動(dòng)力進(jìn)行有效的數(shù)字化監(jiān)測，并配合設(shè)置合理的閾值，對制動(dòng)力進(jìn)行預(yù)警。

1 制動(dòng)器工作原理

電梯的制動(dòng)器是曳引機(jī)的重要部件，在電梯正常的啟動(dòng)和停止過程，制動(dòng)器進(jìn)行相應(yīng)的打開或者關(guān)閉動(dòng)作。制動(dòng)器的制動(dòng)力與曳引機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩互相配合，在啟動(dòng)和停止過程中，使曳引機(jī)處于“零速”狀態(tài)[4]。在此狀態(tài)下，制動(dòng)器的作用類似于汽車的駐車制動(dòng)器（即汽車手剎），用于在車輛停穩(wěn)后穩(wěn)定車輛。在遇到緊急情況時(shí)，電梯曳引機(jī)和制動(dòng)器斷電，制動(dòng)器抱緊曳引輪，使轎廂減速直至停止。此時(shí)的制動(dòng)器功能類似于汽車的剎車系統(tǒng)，在行進(jìn)過程中進(jìn)行減速或者緊急制停。可以說制動(dòng)器對于電梯的意義就如同剎車系統(tǒng)對于汽車一樣，是最為重要的安全部件之一。

電梯制動(dòng)器通電時(shí)，線圈得電，動(dòng)鐵芯克服制動(dòng)彈簧作用力，使制動(dòng)閘皮遠(yuǎn)離曳引輪；斷電時(shí)，線圈失電，制動(dòng)彈簧釋放彈性勢能，推動(dòng)制動(dòng)閘皮抱緊曳引輪實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[5]。即制動(dòng)器在制動(dòng)過程中處于斷電狀態(tài)，這對于直接監(jiān)測制動(dòng)器制動(dòng)狀態(tài)有很大的難度。

另外，制動(dòng)器形式多樣，空間結(jié)構(gòu)緊湊，制動(dòng)氣隙微小，通過外置增加傳感器的方式監(jiān)測制動(dòng)器，無論是在普適性上還是在準(zhǔn)確性和可靠性上都有較大的不確定性。因此有必要對電梯的重要部件——制動(dòng)器進(jìn)行深入探索，提出一種普適性強(qiáng)的制動(dòng)力預(yù)警方法。

2 制動(dòng)力預(yù)警原理

在首先保證不影響乘客乘梯的情況下，電梯控制系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)力預(yù)警模式，不再響應(yīng)外呼和內(nèi)選，以確保制動(dòng)力試驗(yàn)的測試連續(xù)性和乘客的安全性。

電梯轎廂駛?cè)腩A(yù)先設(shè)定的轎廂與對重相平的位置，用于減小鋼絲繩和補(bǔ)償裝置（如果有）對測試結(jié)果的影響。

制動(dòng)力預(yù)警試驗(yàn)開始后，制動(dòng)器不執(zhí)行上電打開抱閘的動(dòng)作，完全由制動(dòng)彈簧作用于曳引輪，提供制動(dòng)力。在此情況下，設(shè)定初始轉(zhuǎn)矩值（較小的轉(zhuǎn)矩值），變頻器在此扭矩下驅(qū)動(dòng)曳引機(jī)旋轉(zhuǎn)，若與曳引機(jī)同軸的編碼器旋轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)超出設(shè)定值，則輸出此時(shí)轉(zhuǎn)矩值；若未發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則按照一定的規(guī)律逐漸增大轉(zhuǎn)矩值，直至曳引機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)矩值的增大過程可按照線性的形式逐步增大（例如轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間線性增加）。為縮短計(jì)算過程，亦可選擇二分法進(jìn)行試驗(yàn)，即初始時(shí)在最小轉(zhuǎn)矩設(shè)定值和最大轉(zhuǎn)矩設(shè)定值之間選擇一個(gè)中間扭矩作為給定驅(qū)動(dòng)扭矩，不斷通過尋找中間值的方法，以縮小范圍快速確定曳引機(jī)扭矩所處的范圍。

上述方法所獲得扭矩值實(shí)為所施加的曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩值，由于轎廂和對重存在重量差，電梯制動(dòng)器在進(jìn)行制動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)不但需要克服驅(qū)動(dòng)扭矩，還需要克服由轎廂和對重存在重量差所引起的不平衡扭矩差。由于驅(qū)動(dòng)扭矩的施加方向不同，導(dǎo)致制動(dòng)扭矩計(jì)算方式也不同。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩的施加方向與不平衡扭矩的方向相同時(shí)（即朝對重向下運(yùn)行的方向），上述驅(qū)動(dòng)扭矩值為最?。ú挥绊懺O(shè)備安全）。出于對變頻器超載保護(hù)的考慮，選取此時(shí)的驅(qū)動(dòng)扭矩值以及重量差引起的不平衡扭矩差值作為計(jì)算電梯當(dāng)前的制動(dòng)扭矩值的依據(jù)。配合設(shè)定的閾值范圍，利用該數(shù)據(jù)評判曳引機(jī)制動(dòng)器的健康狀況。

圖1 電梯轎廂與對重相平的位置

定義如下變量：

T對重：在抱閘制動(dòng)器處于抱緊曳引輪狀態(tài)下，曳引機(jī)強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)使對重朝向下方向運(yùn)行時(shí)的臨界驅(qū)動(dòng)扭矩，即恰好是曳引機(jī)超過旋轉(zhuǎn)脈沖時(shí)的最小驅(qū)動(dòng)扭矩（N·m）；

T制動(dòng)：制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩（N·m）；

T質(zhì)量差：由于對重和轎廂重量差而引起的不平衡扭矩（N·m），與平衡系數(shù)有關(guān)；

通過曳引機(jī)強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)，在制動(dòng)器抱緊曳引輪的情況下，建立系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡方程：

T對重+T質(zhì)量差=T制動(dòng)。

根據(jù)T對重和T質(zhì)量差，即可以間接計(jì)算出T制動(dòng)。但需要考慮解決三個(gè)方面的內(nèi)容：電梯控制系統(tǒng)如何快速準(zhǔn)確地獲取T對重，如何根據(jù)平衡系數(shù)求解T質(zhì)量差，以及如何確定危險(xiǎn)閾值，用于判斷求得的T制動(dòng)現(xiàn)在處于何種狀態(tài)。

3 制動(dòng)力預(yù)警實(shí)施步驟

定義電梯如下參數(shù)：

額定扭矩：T（N·m）

額定載重量：Q（kg）

額定電流：I（A）

額定功率：P（kW）

轎廂自重：G（kg）

對重自重：W（kg）

電梯平衡系數(shù)：K

鋼絲繩倍率：a

曳引輪節(jié)圓直徑：D（m）

減速器傳動(dòng)比：b

傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率：η

制動(dòng)器第一預(yù)警值：T1

制動(dòng)器第二預(yù)警值：T2

在永磁同步電機(jī)中，定義減速器傳動(dòng)比：b=1，傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率：η=1

制動(dòng)器預(yù)警試驗(yàn)整體步驟見圖2。

1）選擇在電梯交通流量低的時(shí)間段，通過電梯內(nèi)置程序的方式，確認(rèn)電梯轎廂內(nèi)沒有乘客，電梯制動(dòng)力預(yù)警試驗(yàn)開始。否則，不能進(jìn)行此預(yù)警試驗(yàn)。

2）電梯制動(dòng)力預(yù)警試驗(yàn)開始后，關(guān)閉并持續(xù)鎖緊轎門，不再響應(yīng)電梯的內(nèi)選與外呼操作，避免干擾測試。對等梯乘客給予必要的提示。

3）制動(dòng)力預(yù)警試驗(yàn)開始后，電梯轎廂運(yùn)行至對重和轎廂水平位置，以減少轎廂側(cè)和鋼絲繩側(cè)的鋼絲繩以及補(bǔ)償裝置重量的影響（如果有補(bǔ)償裝置）。

4）開始核心制動(dòng)力預(yù)警模式：電梯制動(dòng)器全程斷電，抱閘抱緊曳引輪，即帶閘運(yùn)行。

5）電梯控制系統(tǒng)有兩種方式獲取驅(qū)動(dòng)扭矩T對重（N·m）：

（1）通過定量連續(xù)法準(zhǔn)確測量模式。

圖2 制動(dòng)器預(yù)警試驗(yàn)步驟

電梯在不打開抱閘制動(dòng)器的情況下，按照轎廂上行方向，使曳引機(jī)主機(jī)輸出0.5T至1.1T隨時(shí)間連續(xù)變化的扭矩，通過檢測編碼器脈沖數(shù)變化，若超出脈沖數(shù)設(shè)定值，記錄超出設(shè)定值時(shí)刻的主機(jī)輸出最小扭矩：T對重（N·m）。

（2）通過定量二分法快速測量模式。

電梯在不打開抱閘制動(dòng)器的情況下，驅(qū)動(dòng)轎廂上行，按照二分查找算法逐一對曳引機(jī)施加定量扭矩，曳引機(jī)扭矩的施加范圍為0.5T至1.1T，通過檢測編碼器脈沖數(shù)變化，若超出脈沖數(shù)設(shè)定值，則記錄超出設(shè)定值時(shí)刻的主機(jī)輸出最小扭矩：T對重（N·m）。

6）當(dāng)電梯轎廂處于和對重相平位置，無曳引機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，抱閘制動(dòng)器需要克服對重與轎廂的重量差，作用在抱閘制動(dòng)器上的扭矩為：對于永磁同步電機(jī)，定義減速器傳動(dòng)比：b=1，傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率：η=1，即簡化為：

7）該電梯制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩為：

8）定義制動(dòng)器第一預(yù)警值：

定義制動(dòng)器第二預(yù)警值：T2=1.1T1。

若T制動(dòng)≥T2，該電梯制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩大于等于制動(dòng)器第二預(yù)警值，則制動(dòng)器制動(dòng)能力良好；

若T1＜T制動(dòng)＜T2，該電梯制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩介于第一預(yù)警值和第二預(yù)警值之間，則制動(dòng)器制動(dòng)能力有衰退跡象，應(yīng)盡快調(diào)整；

若T制動(dòng)≤T1，該電梯制動(dòng)器制動(dòng)提供的扭矩小于第一預(yù)警值，則制動(dòng)器制動(dòng)能力退化嚴(yán)重，應(yīng)立刻調(diào)整。

4 制動(dòng)器預(yù)警現(xiàn)場實(shí)例

電梯基礎(chǔ)參數(shù)如下：

額定載重量：Q=1000（kg）

額定電流：I=39（A）

額定功率：P=17（kW）

額定扭矩：T=670（N·m）

鋼絲繩倍率：a=2∶1

電梯平衡系數(shù)：K=0.45

傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率：η=1

重力加速度：g=10（m/s2）

曳引輪節(jié)圓直徑：D=0.4（m）

電梯控制系統(tǒng)獲取T對重=106%T=710.2（N·m），（K取0.45)，則該電梯制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩為：T制動(dòng)=T質(zhì)量差+T對重=1160.2（N·m）。

制動(dòng)器第一預(yù)警值：

制動(dòng)器第二預(yù)警值：T2=1.1T1=990（N·m）。

根據(jù)T制動(dòng)＞T2，即該電梯制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩大于制動(dòng)器第二預(yù)警值，表明制動(dòng)器制動(dòng)能力良好，符合新安裝電梯的實(shí)際使用情況。

針對該電梯制動(dòng)器提供的制動(dòng)扭矩：T制動(dòng)=1160.2（N·m），可以折算為：在該狀態(tài)下轎廂內(nèi)承載1.61倍的額定載荷（1610kg），并且轎廂在最底層時(shí)，制動(dòng)器將無法克服曳引輪上驅(qū)動(dòng)力矩，轎廂將開始滑移（忽略鋼絲繩和補(bǔ)償裝置的影響）。

在該現(xiàn)場，通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼載荷試驗(yàn)進(jìn)行輔助驗(yàn)證，將25kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，均勻有序擺放至轎廂內(nèi)，當(dāng)承載66塊砝碼時(shí)，轎廂突然開始下降，同時(shí)在機(jī)房內(nèi)確認(rèn)屬于制動(dòng)器打滑（排除鋼絲繩的伸長影響及鋼絲繩滑移的影響）。

當(dāng)轎廂內(nèi)承載25kg×66=1650kg的載荷時(shí)，轎廂突然開始滑移，這包括了導(dǎo)軌轎廂系統(tǒng)內(nèi)的阻力以及鋼絲繩的實(shí)際影響。通過標(biāo)準(zhǔn)砝碼試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文通過電梯制動(dòng)力預(yù)警方法[6]，分別獲取單向驅(qū)動(dòng)扭矩和對重轎廂質(zhì)量差引起的不平衡扭矩，進(jìn)而間接轉(zhuǎn)化為曳引機(jī)制動(dòng)器的實(shí)際制動(dòng)扭矩。在獲取驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)，提出可以通過定量連續(xù)法準(zhǔn)確測量和定量二分法快速測量兩種模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)扭矩的確定。借助制動(dòng)器的第一預(yù)警值和第二預(yù)警值判斷制動(dòng)扭矩的退化程度。最后通過對現(xiàn)場電梯進(jìn)行制動(dòng)力預(yù)警測試，驗(yàn)證了該方法的適用性和準(zhǔn)確性。該方法對于無載荷情況下驗(yàn)證電梯制動(dòng)器的制動(dòng)能力具有重要的意義。

[1]質(zhì)檢總局關(guān)于2016年全國特種設(shè)備安全狀況情況的通報(bào)[N].

[2]特種設(shè)備典型事故案例集[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2005.

[3]陳永玉. 電梯事故分析及檢驗(yàn)對策[J]. 北京：中國高新技術(shù)企業(yè)，2015(14) ：88-89.

[4]李洪. 淺談電梯制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)型式與檢驗(yàn)檢測[J].電氣開關(guān)，2012，50(03)：100-102.

[5]李普祥. 淺談電梯曳引機(jī)制動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J]. 電梯工業(yè)，2015，93(03) ：60-65.

[6]趙秋洪，孫書成，王寅凱，等. 基于大數(shù)據(jù)的電梯曳引機(jī)制動(dòng)力監(jiān)測方法[P]. 天津：CN105905729A，2016-08-31.