電梯制動(dòng)試驗(yàn)保護(hù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)元件研究*

井德強(qiáng) 劉 濤 王 剛

陜西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 西安 710048

0 引言

目前，我國電梯日輸送能力已超過15億人次，電梯已成為人們出行必不可少的交通工具[1]。近年來，老舊電梯安全事故時(shí)有發(fā)生，使人們認(rèn)識(shí)到可靠的電梯安全保護(hù)裝置對(duì)電梯的安全運(yùn)行意義重大。制動(dòng)試驗(yàn)要求電梯轎廂裝載1.25倍額定載荷以額定速度從上端站向下運(yùn)行的過程中切斷驅(qū)動(dòng)主機(jī)和制動(dòng)器供電，檢查驅(qū)動(dòng)主機(jī)和轎廂是否可靠制停，檢查轎廂是否變形損壞[2]。該試驗(yàn)是對(duì)曳引驅(qū)動(dòng)電梯尤其老舊曳引驅(qū)動(dòng)乘客電梯的曳引能力和制動(dòng)能力的綜合考核?；诖耍?017年10月起，電梯定期檢驗(yàn)規(guī)則新增了每5年需執(zhí)行一次制動(dòng)試驗(yàn)的檢驗(yàn)項(xiàng)目，旨在對(duì)老舊乘客電梯的全面安全隱患排查和整改。

然而，電梯制動(dòng)試驗(yàn)在考查電梯制動(dòng)性能的同時(shí)，一方面，由于電梯超載下行突然切斷驅(qū)動(dòng)主機(jī)和制動(dòng)器供電，極有可能在短時(shí)間內(nèi)破壞電梯的曳引條件，導(dǎo)致轎廂以低于限速器的動(dòng)作速度失控下行滑移，可能會(huì)帶來電梯相關(guān)設(shè)備的損毀；另一方面，制動(dòng)試驗(yàn)前后，向轎廂裝卸1.25倍額定載荷的過程中，如果制動(dòng)力或曳引力不足，很容易發(fā)生轎廂開門溜梯造成人員剪切引發(fā)事故[3]。因此，在執(zhí)行該試驗(yàn)的過程中，對(duì)電梯轎廂及試驗(yàn)人員的安全帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

1 保護(hù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理

鑒于電梯制動(dòng)試驗(yàn)可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)，而市場上目前尚無制動(dòng)試驗(yàn)過程中對(duì)轎廂及人員的類似保護(hù)措施，本研究前期已設(shè)計(jì)出了一種電梯制動(dòng)試驗(yàn)保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)方案[4]，該方案對(duì)保護(hù)裝置的測控系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作流程進(jìn)行了介紹，并且對(duì)額定速度為0.63～3.5m/s之間的曳引式乘客電梯制動(dòng)試驗(yàn)中的制動(dòng)特性分析，得到了該速度范圍內(nèi)曳引客梯的允許制停距離[5]。該保護(hù)裝置將曳引客梯1.25倍額定載荷制動(dòng)試驗(yàn)的保護(hù)分為2個(gè)階段[4]：工況1為制動(dòng)試驗(yàn)前后，電梯在裝卸載荷樓層開門時(shí)，工作人員向（從）轎廂裝（卸）1.25倍額定載荷的過程，轎廂滑移距離允許值為La；工況2為制動(dòng)試驗(yàn)中，電梯荷載1.25倍額定載荷以額定速度從頂層端站向底層端站運(yùn)行時(shí)的制停過程，轎廂滑移距離允許值為La。當(dāng)測控系統(tǒng)監(jiān)測到這2種工況中轎廂（向下）滑移距離超過允許值La或Lb時(shí)，識(shí)別出轎廂處于失控危險(xiǎn)狀態(tài)。該裝置根據(jù)轎廂（向下）的滑移距離判斷電梯是否處于失控狀態(tài)[4]，以決定是否觸發(fā)設(shè)于井道上端導(dǎo)軌上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)限速器鋼絲繩（以下簡稱鋼絲繩）進(jìn)行制停，從而觸發(fā)轎廂下行安全鉗的機(jī)械動(dòng)作以制停轎廂。

圖1為保護(hù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制動(dòng)過程示意圖，初始狀態(tài)，如圖1a所示，滑靴壓縮制動(dòng)彈簧后處于最外側(cè)位置，拉簧克服楔塊重力及滑靴對(duì)其摩擦力而沿滑靴斜面將楔塊拉至滑靴上部，外側(cè)電磁鐵上的鎖舌卡入滑靴鎖槽鎖定滑靴，內(nèi)側(cè)電磁鐵上的鎖舌被拉回復(fù)位。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的制動(dòng)過程

執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸發(fā)后進(jìn)入第1階段（見圖1b），外側(cè)電磁鐵下拉外側(cè)鎖舌，待外側(cè)鎖舌被拉回復(fù)位后，滑靴解鎖并被制動(dòng)彈簧推動(dòng)沿機(jī)座相向滑移。第2階段（見圖1c），短暫延時(shí)后（待滑靴鎖槽越過內(nèi)側(cè)鎖舌后），內(nèi)側(cè)電磁鐵將內(nèi)側(cè)鎖舌推入滑靴鎖槽，制動(dòng)彈簧繼續(xù)推動(dòng)滑靴相向滑移直至楔塊夾持鋼絲繩，開始實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的制動(dòng)。第3階段（見圖1d），在鋼絲繩對(duì)楔塊的摩擦力作用下，楔塊沿滑靴斜面導(dǎo)槽被牽引下滑而拉伸拉簧，并擠壓滑靴向外側(cè)滑移以壓縮制動(dòng)彈簧，直至滑靴被內(nèi)側(cè)鎖舌止擋。

第4階段（見圖1e），滑靴被內(nèi)側(cè)鎖舌止擋后，楔塊進(jìn)一步下滑直至自鎖，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩制停。鋼絲繩制停之后，隨著轎廂的繼續(xù)下行，轎廂下行安全鉗被完全提起并實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂的制停。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)與分析

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)自鎖性設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在第4階段主要借助鋼絲繩對(duì)楔塊向下的摩擦力牽引楔塊下行，使楔塊自楔入鋼絲繩與滑靴之間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的制動(dòng)。

為了確保楔塊與鋼絲繩間的最大制動(dòng)力（摩擦力）足以使轎廂安全鉗動(dòng)作，將該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為自鎖機(jī)構(gòu)。

圖2為執(zhí)行機(jī)構(gòu)自鎖制動(dòng)示意圖，鋼絲繩在被制停之前具有向下的速度，為方便求解，假設(shè)鋼絲繩靜止，楔塊相對(duì)鋼絲繩向上運(yùn)動(dòng)，滑靴相對(duì)楔塊相向運(yùn)動(dòng)[6]?；ピ谥苿?dòng)彈簧的推動(dòng)下相向滑動(dòng)，有迫使楔塊向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，若在楔塊上施加向下的力F，則楔塊會(huì)擠壓鋼絲繩和滑靴。顯然，在力F撤去之后，該機(jī)構(gòu)只有在鎖舌反力F91和鋼絲繩摩擦力f32作用下具有自鎖性，才能保證制動(dòng)的可靠性，故可先求出當(dāng)鎖舌反力F91為驅(qū)動(dòng)力時(shí)機(jī)構(gòu)的阻力F。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)自鎖制動(dòng)示意圖

忽略拉簧作用力以及滑靴和楔塊的重力，對(duì)楔塊受力分析，圖3為楔塊受力分析示意圖。

圖3 楔塊受力分析示意圖

聯(lián)立式（1）～式（4）得推導(dǎo)得機(jī)構(gòu)阻力為

式中：F為假設(shè)施加于楔塊上的機(jī)械阻力；μ12為滑靴與楔塊之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，摩擦角α=arctanμ12；μ23為鋼絲繩與楔塊之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，摩擦角β=arctanμ23；θ為楔塊的楔形角；N12為滑靴對(duì)楔塊的正壓力；N21為楔塊對(duì)滑靴的正壓力；N23為楔塊對(duì)鋼絲繩的正壓力；N32為鋼絲繩對(duì)楔塊的正壓力；f12為滑靴對(duì)楔塊的動(dòng)摩擦力；f23為楔塊對(duì)鋼絲繩的動(dòng)摩擦力。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性分析

作為保護(hù)裝置的關(guān)鍵制動(dòng)單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在前3階段的動(dòng)作可靠性至關(guān)重要。為了確保鋼絲繩摩擦力能在較短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)楔塊沿滑靴斜面下滑，需對(duì)其可靠制動(dòng)條件進(jìn)行分析。

在制動(dòng)彈簧的作用下，楔塊以一定的壓力與鋼絲繩接觸，預(yù)使其被鋼絲繩摩擦力牽引沿滑靴斜面下滑，需使其合外力向下。圖4為第2～第3階段滑靴受力分析示意圖。

圖4 第2～第3階段滑靴受力分析示意圖

由圖4受力分析，有

根據(jù)庫倫定理，有

式中：μ14為滑靴與機(jī)座之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，摩擦角γ=arctanμ14；N41為機(jī)座對(duì)滑靴的正壓力；F51為制動(dòng)彈簧對(duì)滑靴的壓力；FL為拉簧對(duì)楔塊的拉力；f41為機(jī)座對(duì)滑靴的動(dòng)摩擦力；f21為楔塊對(duì)滑靴的動(dòng)摩擦力。

聯(lián)立式（3）、式（9）、式（10）得楔塊剛接觸鋼絲繩時(shí)制動(dòng)彈簧的壓力為

利用牛頓第二定律，對(duì)該過程楔塊受力分析，圖5為楔塊受力分析示意圖。

由圖5受力分析，有

圖5 楔塊受力分析示意圖

加速度滿足關(guān)系

式中：f32為鋼絲繩對(duì)楔塊的動(dòng)摩擦力；m1為楔塊質(zhì)量；m2為楔塊質(zhì)量；a2x為楔塊x方向的加速度；a2y為楔塊y方向的加速度。

聯(lián)立式（3）、式（4）、式（8）～式（14），令μ12=tanα，μ23=tanβ，μ14=tanγ，得

確保鋼絲繩對(duì)楔塊的摩擦力能夠牽引楔塊下滑，需滿足的條件為

若忽略滑靴和楔塊重力以及拉簧拉力，要滿足不等式（16），則須式（15）等號(hào)右邊F51系數(shù)不大于零。從而可解得楔形角θ滿足

取不等式（7）和式（17）的交集，楔形角滿足不等式（17），故保證鋼絲繩能夠被楔塊可靠制停的條件是楔形角不大于楔塊長直角面和斜面的摩擦角之差。

楔形角的取值須適中，過小則楔塊制動(dòng)距離較長，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)增大；過大則對(duì)楔塊與鋼絲繩間的摩擦系數(shù)要求較大。因此，在零件摩擦系數(shù)選定后，應(yīng)在確保能自鎖的前提下，使楔形角盡可能大。

3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)制動(dòng)彈簧設(shè)計(jì)與分析

制動(dòng)彈簧主要作用于前3階段。執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，在制動(dòng)彈簧作用下，楔塊擠壓鋼絲繩，在摩擦力驅(qū)動(dòng)下楔塊沿滑靴斜面自楔下滑直至滑靴被內(nèi)鎖舌鎖止。滑靴被內(nèi)鎖舌鎖止前，楔塊與鋼絲繩間的摩擦力隨楔塊的位移變化而變化，故可利用動(dòng)能定理對(duì)制動(dòng)彈簧的剛度進(jìn)行初步求解。

3.1 計(jì)算制動(dòng)彈簧的計(jì)算剛度

為接近實(shí)際又方便計(jì)算，計(jì)算制動(dòng)彈簧剛度時(shí)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做如下假設(shè)：

1）楔塊接觸鋼絲繩瞬間，為完全彈性碰撞；

2）滑靴被內(nèi)鎖舌鎖止瞬間，每個(gè)楔塊與鋼絲繩間的摩擦力為克服安全鉗動(dòng)作慣性時(shí)所需鋼絲繩提拉力T1的一半；

3）楔塊只與滑靴同步水平運(yùn)動(dòng)，以左邊制動(dòng)彈簧為例，圖6為制動(dòng)力與制動(dòng)彈簧的壓縮量關(guān)系，制動(dòng)彈簧力F51與摩擦力f41平衡時(shí)的壓縮量x0，機(jī)構(gòu)動(dòng)作前制動(dòng)彈簧壓縮量x3，機(jī)構(gòu)動(dòng)作后滑靴鎖槽越過內(nèi)側(cè)鎖舌時(shí)制動(dòng)彈簧壓縮量x2，楔塊與鋼絲繩接觸時(shí)制動(dòng)彈簧壓縮量x1。第2階段末，每個(gè)楔塊與鋼絲繩水平間隙為ε，則 ε=x2-x1。

圖6 制動(dòng)力與制動(dòng)彈簧的壓縮量關(guān)系

由于該過程制動(dòng)彈簧力隨其位移變化，故在水平方向上運(yùn)用動(dòng)能定理。

式中：v1x為楔塊接觸鋼絲繩后的速度，K 'Z為制動(dòng)彈簧計(jì)算剛度。

令Δx=x3-x2，聯(lián)立式（18）和式（19）可得制動(dòng)彈簧的計(jì)算剛度為

3.2 確定制動(dòng)彈簧設(shè)計(jì)剛度

GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》規(guī)定[7]，限速器動(dòng)作時(shí)，限速器繩的張力不得小于以下2個(gè)值的較大值：①安全鉗起作用所需力的2倍；②300 N。因此，為確保安全鉗被可靠提拉動(dòng)作，鋼絲繩最小提拉力Tmin不小于限速器慣性力Tgov，最大提拉力不小于300 N且不大于最小理論提拉力PTF值（PTF值為限速器設(shè)計(jì)理論提拉力[8]，可通過限速器出廠調(diào)試證書獲?。┑囊话?。

聯(lián)立式（3）、式（4）、式（11）～式（14）求得鋼絲繩對(duì)楔塊的摩擦力為

若忽略滑靴和楔塊重力以及拉簧拉力，設(shè)μv為當(dāng)量摩擦系數(shù)，則

由于本裝置為轎廂安全鉗動(dòng)作的先導(dǎo)裝置，只要確保鋼絲繩對(duì)楔塊摩擦力足以使楔塊下滑，即可確保轎廂安全鉗的可靠動(dòng)作。設(shè)安全鉗鉗塊被開始提起時(shí)鋼絲繩提拉力為T1，結(jié)合式（20）和式（22），每個(gè)制動(dòng)彈簧的壓縮量為

則制動(dòng)彈簧的設(shè)計(jì)剛度可表示為

彈簧的剛度為[9]

式中：G為彈簧剪切模量，d為彈簧線徑，D為彈簧中心直徑。

根據(jù)式（24）和式（25）可選用制動(dòng)彈簧材質(zhì)及對(duì)其相關(guān)參數(shù)完成制動(dòng)彈簧的設(shè)計(jì)。

4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間分析

執(zhí)行機(jī)構(gòu)從受觸發(fā)至完成鋼絲繩的制停所經(jīng)歷的時(shí)間稱為其整個(gè)動(dòng)作過程的響應(yīng)時(shí)間。該機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間也反映了其執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作的響應(yīng)速度。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)前3階段的響應(yīng)時(shí)間主要由2部分組成：制動(dòng)彈簧開始釋放至楔塊與鋼絲繩接觸過程的歷時(shí)；楔塊與滑靴返回至滑靴被鎖定過程的歷時(shí)。

4.1 第1階段響應(yīng)時(shí)間

第1階段響應(yīng)時(shí)間主要為內(nèi)側(cè)電磁鐵動(dòng)作延時(shí)時(shí)間，如圖6所示，制動(dòng)彈簧端點(diǎn)從點(diǎn)A移動(dòng)至點(diǎn)B的歷時(shí)。制動(dòng)彈簧形變過程中，以制動(dòng)彈簧平衡位置為零勢能點(diǎn)，x0=(m1+m2)g/KZ，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，制動(dòng)彈簧推動(dòng)滑靴與楔塊一起運(yùn)動(dòng)，以二者為整體應(yīng)用牛頓第二定律，有

當(dāng)x=-x2時(shí)，利用式（27）解得時(shí)間t=t1，若忽略摩擦，可得內(nèi)側(cè)電磁鐵動(dòng)作延時(shí)時(shí)間為

4.2 第2、3階段響應(yīng)時(shí)間

第2階段響應(yīng)時(shí)間為圖6所示制動(dòng)彈簧端點(diǎn)從點(diǎn)B移至點(diǎn)C的歷時(shí)。

根據(jù)式（27），令x=-x1，可得第1、2階段響應(yīng)時(shí)間為

第2階段響應(yīng)時(shí)間

第3階段響應(yīng)時(shí)間為楔塊被鋼絲繩下拉，擠壓滑靴壓縮制動(dòng)彈簧直至滑靴被鎖舌鎖定的過程，即制動(dòng)彈簧端點(diǎn)從點(diǎn)C返回點(diǎn)B的過程，如圖6所示。

由于本文假設(shè)楔塊與鋼絲繩的接觸過程為完全彈性碰撞，不計(jì)接觸過程的能量損失和持續(xù)時(shí)間，故可以近似看作楔塊碰撞前后速度大小不變、方向相反。忽略摩擦，等式（27）對(duì)時(shí)間求導(dǎo)再取負(fù)，得到楔塊接觸鋼絲繩后的水平速度為

5 結(jié)論

本文為防止電梯制動(dòng)試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的低速滑移失控風(fēng)險(xiǎn)，在轎廂下行超速保護(hù)裝置——轎廂安全鉗的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由電梯滑移距離為觸發(fā)條件的轎廂安全鉗動(dòng)作先導(dǎo)保護(hù)裝置。

基于該裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作4個(gè)階段的功能分析，對(duì)制動(dòng)元件的自鎖條件、制動(dòng)可靠性、制動(dòng)彈簧和響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。通過對(duì)自鎖條件和制動(dòng)可靠性分析，確定了可靠制動(dòng)的條件為楔形角的取值不應(yīng)大于楔塊長直角面和斜面的摩擦角之差；通過對(duì)制動(dòng)前3階段制動(dòng)力分分析，完成了制動(dòng)彈簧的設(shè)計(jì)，計(jì)算出了執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作各階段響應(yīng)時(shí)間，為該裝置制動(dòng)元件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。