許 競(jìng)，何炳蔚

（1 福州大學(xué)，福建 福州 350116）

（2 福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州350008）

電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置的研制

許 競(jìng)1,2，何炳蔚1

（1 福州大學(xué)，福建 福州 350116）

（2 福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州350008）

文中利用精密液壓控制技術(shù)和傳感器測(cè)量技術(shù)研究一種非砝碼的電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置。為了確保電梯轎廂的強(qiáng)度，運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)電梯轎廂進(jìn)行有限元分析，校核電梯轎廂的強(qiáng)度，并確定出最佳的加載方式和位置來(lái)改造電梯，以適用該檢驗(yàn)裝置。應(yīng)用文中研發(fā)的裝置進(jìn)行電梯超載報(bào)警系統(tǒng)檢驗(yàn)試驗(yàn)，并用砝碼測(cè)試驗(yàn)證，說(shuō)明使用該裝置檢驗(yàn)電梯是切實(shí)可行的。

電梯超載報(bào)警；電梯轎廂；檢驗(yàn)；有限元

1 引言

隨著電梯數(shù)量的快速增長(zhǎng)，其使用率愈加頻繁，作為高層建筑的必備裝置，電梯能否安全正常運(yùn)行直接關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，電梯的檢驗(yàn)工作越來(lái)越受到人們的關(guān)注。其中，超載保護(hù)功能對(duì)于確保乘梯人員的人身安全及電梯設(shè)備自身安全等都非常重要。目前，國(guó)內(nèi)大部分電梯檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、電梯維護(hù)保養(yǎng)公司都是使用砝碼檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)的性能，即采用人工搬運(yùn)預(yù)定載荷砝碼進(jìn)入電梯轎廂來(lái)檢驗(yàn)電梯超載保護(hù)裝置是否有效。該方法費(fèi)用大、耗時(shí)長(zhǎng)，因此很多電梯維護(hù)保養(yǎng)單位實(shí)際上沒(méi)有檢查電梯超載保護(hù)裝置是否有效，這使得電梯運(yùn)行中存在重大安全隱患[1]。文中利用精密液壓控制與傳感器測(cè)量技術(shù)研制出一種電梯超載報(bào)警系統(tǒng)檢驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)給電梯施加模擬載荷，達(dá)到檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的目的。該裝置將解決目前砝碼檢驗(yàn)電梯超載時(shí)存在砝碼搬運(yùn)困難、檢驗(yàn)費(fèi)用高、工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等的難題。

2 電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)方法及裝置的原理

2.1 電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)方法

TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則》4.10款規(guī)定電梯應(yīng)當(dāng)設(shè)置轎廂超載保護(hù)裝置，在轎廂內(nèi)的載荷超過(guò)110%額定載重量時(shí)，能夠防止電梯正常啟動(dòng)及再平層，并且轎內(nèi)有音響或者發(fā)光信號(hào)提示，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)門(mén)完全打開(kāi)，手動(dòng)門(mén)保持在未鎖狀態(tài)[2]。由電梯超載保護(hù)裝置的原理可知[3]，對(duì)電梯超載保護(hù)裝置是否準(zhǔn)確有效的檢驗(yàn)方法主要是通過(guò)對(duì)電梯轎廂施加載荷，當(dāng)施加的載荷超過(guò)110%額定載重量時(shí)，檢驗(yàn)其超載保護(hù)裝置功能是否有效。

2.2 電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置的組成及工作原理

文中提出的電梯超載報(bào)警系統(tǒng)檢驗(yàn)裝置是利用精密液壓控制與傳感器測(cè)量技術(shù)研制而成，其主要包括恒載荷液壓控制裝置、油缸和活塞、拉力傳感器、傳感器顯示儀表、鋼絲繩、計(jì)算機(jī)，見(jiàn)圖1。

圖1 電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置的工作原理圖

該裝置的使用需要在電梯基坑設(shè)置基礎(chǔ)預(yù)埋板，電梯轎廂底部相應(yīng)位置設(shè)置拉環(huán)。檢驗(yàn)裝置安裝如下：

將液壓油缸固定在基礎(chǔ)預(yù)埋板上，活塞拉桿開(kāi)孔通過(guò)第一段鋼絲繩與拉力傳感器底部相連，第二段鋼絲繩一端連接拉力傳感器的頂部，預(yù)緊兩段鋼絲繩，將第二段鋼絲繩的另一端穿設(shè)過(guò)電梯轎廂底部拉環(huán)并固定。拉力傳感器與傳感器顯示儀表相連，實(shí)時(shí)顯示所加載荷大小，傳感器顯示儀表與計(jì)算機(jī)相連，將信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)。液壓油缸通過(guò)油管與恒載荷液壓控制裝置相連接，恒載荷液壓控制裝置與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件系統(tǒng)控制控制恒載荷液壓控制裝置對(duì)液壓油缸進(jìn)回油，實(shí)現(xiàn)載荷的加載、卸載。

超載檢驗(yàn)工作原理：在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)定電梯超載保護(hù)裝置的報(bào)警臨界載荷，控制恒載荷液壓控制裝置對(duì)液壓油缸進(jìn)行供油加載，液壓油從液壓油缸內(nèi)的活塞上方注入，活塞向下活動(dòng)，與活塞相連的拉力傳感器受到一向下的拉力，電梯的轎廂底部受到同樣大小的力，拉力傳感器檢驗(yàn)液壓油缸實(shí)時(shí)產(chǎn)生的載荷，通過(guò)傳感器顯示儀表反饋到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)該載荷大小繼續(xù)控制智能液壓控制裝置對(duì)液壓油缸的供油或回油。如此形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，直至拉力傳感器和電梯轎廂底達(dá)到預(yù)定載荷，超載保護(hù)裝置報(bào)警，說(shuō)明超載保護(hù)裝置正常；若超載保護(hù)裝置不報(bào)警，需要檢查故障。

3 電梯轎廂有限元模擬分析

3.1 力學(xué)模型簡(jiǎn)化

電梯轎廂的框架一般由U型鋼、工字鋼或角鋼焊接組成，底部和周?chē)忌箱摪寤蜓b飾。對(duì)轎廂而言，其主要承載結(jié)構(gòu)為型鋼框架，故在有限元模擬中，將轎廂簡(jiǎn)化，建立由框架組成的結(jié)構(gòu)幾何模型。

在ABAQUS模型模塊中創(chuàng)建部件，選擇三維可變形模型，形狀特征為線。在平面草繪中根據(jù)型鋼的焊接節(jié)點(diǎn)，建立各連接點(diǎn)，然后將各連接點(diǎn)用線連接，構(gòu)成底板模型[4]。將底部結(jié)構(gòu)偏置復(fù)制，作為轎廂的頂部，然后用線連接轎廂的頂部和底部，建立轎廂模型如圖2所示。

圖2 電梯轎廂模型的建立

3.2 電梯轎廂有限元模型

3.2.1 材料物理參數(shù)及梁截面屬性

模擬分析中電梯轎廂的四周主體框架采用大尺寸的方鋼，內(nèi)部連接與支撐的結(jié)構(gòu)采用小尺寸的方鋼。所采用的方鋼為中等強(qiáng)度的鋼材制成，E=210 GPa，泊松比為0.25。

3.2.2 施加邊界條件及靜力載荷

轎廂結(jié)構(gòu)頂部中間位置在x，y，z三個(gè)方向位置完全約束，在其周?chē)诩虞d方向z位置完全約束。

為對(duì)比不同加載狀態(tài)下，轎廂變形的差異，分別進(jìn)行了不同加載狀態(tài)的模擬計(jì)算，不同加載方案如表1所示，表中所指加載位置如圖3所示。

表1 不同加載方案

圖3 轎廂底部加載位置示意圖

3.2.3 有限元網(wǎng)格

網(wǎng)格采用Abaqus中鐵木辛克梁?jiǎn)卧狟32，三節(jié)點(diǎn)二次空間梁?jiǎn)卧?，可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元，允許橫向剪切變形。既可分析厚梁，又可分析細(xì)長(zhǎng)梁。Abaqus假定鐵木辛克梁的橫向剪切變形是線彈性的，具有固定的模量，因此獨(dú)立于梁截面的軸向拉、壓和彎曲反應(yīng)。實(shí)體邊界上播撒單位尺寸為50mm的種子，劃分得到網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 轎廂網(wǎng)格劃分模型

3.3 解算并分析結(jié)果

如圖5所示為各種載荷作用下，轎廂Mises應(yīng)力分布云圖。從中可以看出，隨著載荷施加點(diǎn)數(shù)的減小，載荷在轎廂底部的分布越集中，Mises應(yīng)力越來(lái)越大。但是，在單點(diǎn)集中載荷的作用下，最大應(yīng)力也沒(méi)超過(guò)164MPa，轎廂鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生屈服，說(shuō)明無(wú)論采用何種檢測(cè)加載方案，轎廂都不會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形。

圖5 各載荷作用下，轎廂鋼結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力

如圖6所示為各載荷作用下，轎廂鋼結(jié)構(gòu)變形云圖。從圖中可以看到隨著載荷施加點(diǎn)數(shù)的減小，載荷在轎廂底部的分布越集中，轎廂的變形量越來(lái)越大。對(duì)于電梯的報(bào)警系統(tǒng)而言，對(duì)承載重量的監(jiān)控通過(guò)轎廂底部中心點(diǎn)的變形量來(lái)進(jìn)行。為保證文中研究的非砝碼檢測(cè)方法與砝碼檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果的一致，必須保證兩種加載狀態(tài)下，轎廂中心點(diǎn)的變形量一致或相近。當(dāng)采用25點(diǎn)進(jìn)行加載時(shí)，載荷均布在轎廂底部，與砝碼平鋪加載狀態(tài)相近，所以把25點(diǎn)加載近似為砝碼加載。

如圖7所示，各載荷作用下，轎廂中心處變形量，當(dāng)采用25點(diǎn)加載時(shí)，變形量為1.7mm，8點(diǎn)加載時(shí)為2.8mm，4點(diǎn)加載和2點(diǎn)加載為2.4mm，單點(diǎn)加載為4.3mm。雖然采用25點(diǎn)進(jìn)行加載，載荷分布與砝碼檢測(cè)時(shí)加載狀態(tài)最相近，但是加載點(diǎn)數(shù)過(guò)多，需要安裝許多鋼絲繩和油缸，給檢測(cè)工作帶來(lái)不便。采用4點(diǎn)和2點(diǎn)加載，中心點(diǎn)處變形量與25點(diǎn)加載時(shí)最相近。而采用4點(diǎn)加載相對(duì)2點(diǎn)加載，轎廂更平穩(wěn)，所以一般情況下，推薦使用4點(diǎn)進(jìn)行加載。

圖6 各載荷作用下，轎廂鋼結(jié)構(gòu)變形

圖7 各載荷作用下，轎廂中心處變形量對(duì)應(yīng)圖

4 電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)的試驗(yàn)

應(yīng)用文中研究出的檢驗(yàn)裝置檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)的有效性同時(shí)用砝碼檢驗(yàn)同一臺(tái)電梯，比較檢驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證該檢驗(yàn)裝置檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)的可行性。

圖8 電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置檢驗(yàn)電梯

圖9 砝碼檢驗(yàn)電梯

圖8是利用文中研發(fā)的電梯超載報(bào)警系統(tǒng)檢驗(yàn)裝置對(duì)福建省計(jì)量科學(xué)研究院一臺(tái)額定載重1000kg的載客電梯進(jìn)檢驗(yàn)，當(dāng)載荷施加到1100kg時(shí)本臺(tái)電梯報(bào)警發(fā)出蜂鳴聲。

圖9是利用砝碼檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)，需要將44塊25kg（共1100kg）砝碼搬運(yùn)到電梯轎廂內(nèi)。當(dāng)電梯轎廂載荷達(dá)到1100kg時(shí)，本臺(tái)電梯報(bào)警，發(fā)出蜂鳴聲。該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證文中研發(fā)的檢驗(yàn)裝置檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)論

文中根據(jù)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)的工作原理，利用精密液壓控制技術(shù)和傳感器測(cè)量技術(shù)研制出一種非砝碼的電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)的方法和裝置。該裝置可檢驗(yàn)電梯超載報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)于新制造電梯，可在出廠時(shí)直接于電梯轎廂底部相應(yīng)位置設(shè)置拉環(huán)，對(duì)于在用電梯，需要對(duì)電梯轎廂底部進(jìn)行改造。為了確保改造后電梯的剛度和強(qiáng)度，又運(yùn)用Abaqus軟件對(duì)電梯轎廂底進(jìn)行有限元分析，校核電梯轎廂的強(qiáng)度并確定出最佳的加載方式和位置來(lái)改造電梯。研究出的電梯超載報(bào)警檢驗(yàn)裝置具有體積小、重量輕、便于攜帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中操作便捷、簡(jiǎn)單易行，同時(shí)該裝置解決了用砝碼檢驗(yàn)電梯超載存在砝碼搬運(yùn)繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的問(wèn)題。利用該裝置進(jìn)行電梯超載報(bào)警系統(tǒng)檢驗(yàn)試驗(yàn)，并用砝碼測(cè)試驗(yàn)證，進(jìn)一步說(shuō)明了該裝置檢驗(yàn)電梯是切實(shí)可行的。

[1]徐玉華,潘曉峰.電梯超載保護(hù)檢驗(yàn)重要性及檢驗(yàn)方法探討[J].中國(guó)科技縱橫，2010,10∶200-200.

[2] GB7588—2003.電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].

[3]常寅飛.電梯超載保護(hù)裝置分析[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011,31(05)∶79-79.

[4]耿雪霄,黃旭就.基于ABAQUS 軟件的三維桁架有限元分析[J]. 煤礦機(jī)械，2012,3(4)∶113-115.

Development of Elevator Overload Alarm Testing Device

XU Jing1,2, HE Bing-Wei1
(1 Fuzhou university, Fuzhou 350116, Fujian , China)
(2 Fujian Special Equipment Inspection And Research Institute, Fuzhou 350008, Fujian , China)

This paper is a kind of non weight elevator overload alarm test device using precision hydraulic control and sensor measurement technology. In order to ensure the strength of the elevator, the best loading form and position is determined, using ABAQUS finite element software, so it can fit the test device better. Using the device to test the elevator overload alarm system and then to verify with weights, we find that this device is feasible and useful.

Elevator overload alarm; Elevator car; Test; Finite element

2016-10-08

許 競(jìng)，男，福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院南平分院，副院長(zhǎng)，工程師何炳蔚，男，福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，副院長(zhǎng)，教授，博士