高速電梯曳引機性能測試系統(tǒng)的設(shè)計與研究

王繼宏， 王學斌， 林 正， 王琪冰， 張 豪

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司， 北京 100120； 2.浙江省特種設(shè)備科學研究院， 浙江 杭州 310020；3.森赫電梯股份限公司， 浙江 湖州 313013； 4.無錫新標信息技術(shù)有限公司， 江蘇 無錫 214028）

0 引言

電梯曳引機是電梯的動力設(shè)備， 它由電動機、 制動器、聯(lián)軸器、減速箱、曳引輪、導(dǎo)向輪、機架及附屬盤車手輪等組成[1]。 在電梯井道中，曳引鋼絲繩通過曳引輪一端與轎廂連接，另一端與對重裝置連接。轎廂和對重裝置的重力使曳引鋼絲繩壓緊在曳引輪繩槽內(nèi)并產(chǎn)生摩擦力，導(dǎo)向輪將轎廂與對重裝置分開不相擦碰而使其各自沿井道中的導(dǎo)軌運行。電動機驅(qū)動曳引輪轉(zhuǎn)動，并通過鋼絲繩拖動轎廂和對重裝置作相對運動[5]。如果曳引機的制動器動作可靠性差、 用作上行超速保護裝置的制動器制動力不穩(wěn)定等超出許用范圍， 那么曳引機的工作性能將受到很大影響，甚至導(dǎo)致安全事故。 因此，為保證電梯的安全可靠運行，有必要對曳引機關(guān)鍵部件（如制動器、曳引機上行超速保護裝置等）的性能及可靠性進行檢測診斷。 本文以電梯曳引機的性能測試系統(tǒng)為研究對象， 通過構(gòu)建測試系統(tǒng)以及對系統(tǒng)進行試驗與數(shù)據(jù)采集分析， 檢驗了電梯曳引機的運行狀態(tài)， 證明本測試試驗系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，測試精度高，符合國家電梯型式試驗的要求，為電梯的安全運行提供可行的評估診斷結(jié)果。

1 曳引機測試系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 測試系統(tǒng)構(gòu)建

本文電梯曳引機測試性能指標主要圍繞定子繞組的絕緣電阻、耐壓試驗、電機一般參數(shù)的測量、制動力矩、制動器功能、性能測試、溫升測試、驅(qū)動主機噪聲試驗、驅(qū)動主機空（負）載振動速度、速度測試等內(nèi)容進行，根據(jù)這些性能指標內(nèi)容構(gòu)建相應(yīng)的性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 如圖1 所示。 整個測試系統(tǒng)裝置由直流發(fā)電機、慣量加載裝置（飛輪組）、增速器等主要部件組成。 被測曳引機安裝于建好的消音室內(nèi)， 通過傳動連接軸和同步帶與測試系統(tǒng)裝置連接。 直流發(fā)電機用作模擬負載，可調(diào)節(jié)負載力矩大小。 慣量加載裝置由一組不同慣量大小的飛輪組成，通過不同飛輪的組合方式來模擬電梯曳引機空載、加載等實際工況載荷慣量的變化。

本次電梯曳引機性能測試系統(tǒng)采用模仿現(xiàn)實工況對電梯曳引機停止下行超速維護裝配型式實驗。 能測試交換異步（變頻、雙速、單速）電梯曳引機、交流同步電梯曳引機、 自動扶梯或自動人行道驅(qū)動主機： 額定功率：3～60kw，額定轉(zhuǎn)矩：0～2000N·m。 該系統(tǒng)采用工控主板作為主控制器，完成測試結(jié)果的顯示與輸出、人機交互以及與PLC 系統(tǒng)、扭振測試儀的數(shù)據(jù)交互等功能。

圖1 電梯曳引機性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 測試系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用SQL Server2000，開發(fā)了電梯曳引機性能測試系統(tǒng)的管理操作與控制軟件， 其主界面如圖2所示。該軟件具有以下功能：①集成了西門子S7-300 PLC的功能，可以通過PLC 自動實時采集諸如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并可以對噪聲等采集儀器進行實時控制；②軟件除具有常規(guī)對數(shù)據(jù)庫進行保存、打印、查詢歷史測試記錄等管理操作功能外，還可以對各類試驗參數(shù)進行配置、用戶可自定義試驗報告內(nèi)容格式以及動態(tài)顯示測試過程各項參數(shù)值和曲線等功能； ③軟件與PLC 之間通過RS232/485 進行通信聯(lián)絡(luò)； ④軟件支持手動輸入耐壓試驗、溫升試驗、扭振試驗等參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 軟件主界面

1.3 控制與信號采集子系統(tǒng)

電梯曳引機性能測試系統(tǒng)的控制與信號采集子系統(tǒng)采用工業(yè)計算機作為主控制器，可編程控制器（PLC）作為輔助控制器，具體電氣布局圖如圖3 所示。被試曳引機通過變頻器驅(qū)動（或通過三相調(diào)壓器直接供電），負載直流電機工作于發(fā)電機狀態(tài)， 并可通過四象限直流變流器控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩大小，以及將發(fā)電的能量反饋回變頻器輸入端。 通過扭矩傳感器采集扭矩、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，功率分析儀采集電壓、電流、功率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過PLC 發(fā)送至工業(yè)計算機集中處理。 扭振測試儀測量曳引機振動加速度、速度、位移等參數(shù)， 絕緣耐壓測試測試曳引機的絕緣性能和耐壓性能，并輸入至軟件管理系統(tǒng)。

圖3 電氣布局圖

控制系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能： ①用功率分析儀采集測試過程中電流、電壓、功率；②用扭矩傳感器測試其扭矩、轉(zhuǎn)速等信號；③控制被測曳引機及制動器的開啟、停止；④控制加載電機轉(zhuǎn)速、 加載扭矩大??； ⑤根據(jù)型式試驗要求，對每個試驗內(nèi)容按照要求進行自動化測試；⑥根據(jù)試驗要求生成測試報告。

2 試驗與檢測分析

2.1 曳引機效率測試

在額定運行狀態(tài)下，待曳引機達到熱穩(wěn)定時，采用曳引機輸出功率與電機的輸入功率之比來測定曳引機的效率。 如圖4 所示。

圖4 曳引機效率測試示意圖（24478－2009 標準方法）

曳引機效率的計算公式為：

式中：T—轉(zhuǎn)矩，其值由扭矩傳感器來采集；Ω—電機的轉(zhuǎn)速，其值由扭矩傳感器采集；P1—輸入功率，由功率計測量。所有這些采集數(shù)據(jù)輸入到PLC 中進行分析計算。

2.2 曳引機制動器可靠性試驗

標準要求制動器安裝在電梯驅(qū)動主機上， 電機處于靜止狀態(tài)， 進行周期不小于5s 的連續(xù)不間斷的動作試驗，試驗時通電持續(xù)率不小于40%。制動器的試驗動作次數(shù)按照要求應(yīng)不少于200 萬次。 具體試驗方法是： 通過PLC 控制接觸器， 在制動器線圈上施加電壓，直到制動器開啟， 其制動監(jiān)控開關(guān)閉合輸出信號，PLC 讀入制動器開啟狀態(tài)，再由PLC 關(guān)斷制動器線圈電壓，制動器制動。程序自動重復(fù)上述步驟直到設(shè)定次數(shù)。 系統(tǒng)記錄制動器無效動作次數(shù)。

圖5 曳引機扭矩測試傳感數(shù)據(jù)示意圖

2.3 曳引機制動器啟動、釋放電壓測試

2.3.1 試驗要求

曳引機常見的有兩種，一種是直流供電，另一種是交流供電。在滿足制動能力的情況下，制動器的最低啟動電壓和最高釋放電壓， 應(yīng)分別低于電磁鐵額定電壓的80%和55%，制動響應(yīng)時間應(yīng)不大于0.5s。

2.3.2 試驗方法

測試系統(tǒng)框圖如圖6 所示。 制動器的電壓通過調(diào)壓變壓器或者可調(diào)直流電源來調(diào)節(jié)。

圖6 制動器啟動釋放電壓測試

制動器開啟時，將電壓調(diào)節(jié)到低于額定電壓的80%，計算機系統(tǒng)根據(jù)制動器電壓的波形獲得制動器啟動的時間點，根據(jù)力矩波形獲得制動器實際松開的時間點，由這兩個時間點可以計算出制動器開啟滯后時間。 測試所得參數(shù)值實例如圖7 所示。

2.4 電機扭矩、電壓、電流、功率因數(shù)的測試

圖7 數(shù)據(jù)采集

如圖7 所示，電機的扭矩、電壓、電流、功率因數(shù)等測試數(shù)據(jù)， 根據(jù)扭矩傳感器以及功率計的反饋都能在曳引機測試系統(tǒng)中直接讀取。上位機根據(jù)得到的數(shù)據(jù)顯示出電機工作的電流、電壓曲線以及轉(zhuǎn)矩曲線等。

2.5 同步電機上行超速保護裝置試驗

2.5.1 試驗要求

曳引驅(qū)動的電梯應(yīng)裝設(shè)轎廂上行超速保護裝置。 轎廂上行超速保護裝置包括速度監(jiān)控和減速元件， 應(yīng)能檢測出上行轎廂的速度失控， 其下限是電梯額定速度的115%，上限GB7588—2003 中9.9.3 規(guī)定的速度。

2.5.2 試驗方法

通過安裝飛輪組的方式模擬實際慣量，在測試時，直流電機作為驅(qū)動電機，輸出力矩至曳引機，此時曳引機轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到采集到的速度超過規(guī)定的速度，控制制動器釋放，曳引機抱閘后迅速制停。 在制停過程中，控制系統(tǒng)通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器獲得電機速度、扭矩曲線，并可計算出加速度曲線，通過速度曲線，計算出制動距離。 如圖8～10 為某廠家曳引機上超保護裝置在電梯額定速度1.0m/s， 系 統(tǒng) 質(zhì) 量1280kg 時的試驗曲線圖。

結(jié)合測試系統(tǒng)界面參數(shù)及曲線圖，我們可以得到該上超保護裝置在該工況時動作速度為1.20m/s，最大減速度為7.38m/s2，制動距離為0.19m，滿足標準要求。

圖8 速度曲線

圖9 力矩曲線

圖10 加速度曲線

2.6 制動力矩測試

測試系統(tǒng)通過PLC 輸出， 控制制動器制動，點擊釋放，使制動器處于釋放狀態(tài)，開啟直流電機，控制模式設(shè)定為恒轉(zhuǎn)速， 并設(shè)定轉(zhuǎn)速值為額定轉(zhuǎn)速； 當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時， 記錄當前力矩值， 即為制動力矩。

3 結(jié)論

為測試試驗高速電梯曳引機的各項性能指標要求，本文針對其進行了工作性能試驗測試指標開發(fā)了性能測試系統(tǒng)、 完成了測試系統(tǒng)的硬件裝置與信號采集軟件的開發(fā)，結(jié)果表明本測試試驗系統(tǒng)運行情況穩(wěn)定，測試精度高，符合國家電梯型式試驗的要求，完全能夠?qū)﹄娞菀芬龣C各項性能測試通過圖形與數(shù)據(jù)文本的形式將數(shù)據(jù)輸出。 驗證了所開發(fā)的測試系統(tǒng)的正確性與可行性。