一種曳引電梯制動性能的無載荷檢測方法及實現(xiàn)

王月新 王佩君 王 毅 沈海峰 張興華

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院昆山分院 蘇州 215000）

（2.南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院 南京 211816）

電梯作為一類應(yīng)用廣泛的特種運輸設(shè)備，其安全性受到了人們的普遍關(guān)注。近年來，由于電梯制動器失效導(dǎo)致的沖頂、蹲底、剪切和擠壓等事故屢有發(fā)生，而制動力矩不足往往是制動器失效的主要原因[1-2]。為保證電梯的運行安全，除了日常的維護保養(yǎng)，定期的安全檢驗必不可少。目前，在用電梯制動器的檢驗，除了人工目測檢查外，一般采用載荷制動試驗來進行。這種試驗需要人工加載砝碼，耗費人力物力，由于試驗過程轎廂過載嚴(yán)重，可能出現(xiàn)曳引鋼絲繩接頭斷裂、導(dǎo)軌變形、曳引機支撐變形等問題[3]。為此，有必要研究一種簡單、方便和安全的在用電梯制動器性能檢測方法。

本文提出了一種曳引電梯制動器靜態(tài)制動性能的無載荷檢測方法和檢測系統(tǒng)實現(xiàn)方案。該方法利用曳引電機的出力，以曳引電機的輸出力矩來補償轎廂載荷產(chǎn)生的偏載力矩，試驗中無須對電梯進行加載，避免了電梯過載試驗對電梯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的風(fēng)險，可大大簡化制動器檢測過程，降低檢驗成本，提高檢測作業(yè)效率，延長電梯的使用壽命。

1 電梯靜態(tài)制動過程分析

曳引電梯制動系統(tǒng)通常采用的電磁制動器由電磁線圈、制動臂、制動壓縮彈簧、制動輪和制動閘瓦等部件組成。常閉塊式制動器在曳引電動機工作時松閘，使電梯運轉(zhuǎn)，在失電情況下制動，使轎廂停止運動，并在指定層站上維持其靜止?fàn)顟B(tài)，供人員和貨物進出。

電梯制動器的制動工作模式分為靜態(tài)制動和動態(tài)制動2類。其中靜態(tài)制動是在電梯平層時，制動器提供合適的靜摩擦力矩，以保持電梯靜止不動，直到電梯再次啟動時松閘[4]。動態(tài)制動是當(dāng)電梯發(fā)生故障時（動力電源失電或控制電路電源失電），制動器提供合適的動摩擦緊急制動力矩，將運行中的轎廂制停，制動過程中電梯轎廂的減速度不應(yīng)超過安全鉗動作或轎廂撞擊緩沖器所產(chǎn)生的減速度[5]。電梯制動時，制動力矩既不能過小也不能過大。如過小，會導(dǎo)致靜態(tài)制動時制動輪與制動片之間產(chǎn)生滑動，發(fā)生溜車現(xiàn)象；如過大，會導(dǎo)致緊急制停時制動減速度過大，對電梯內(nèi)乘客造成人身傷害。

依照GB／T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規(guī)范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》[6]的規(guī)定，電梯在靜態(tài)制動時（轎廂裝載工況），應(yīng)使轎廂在裝載125%額定載荷的情況下保持平層狀態(tài)不打滑。此時要求電梯曳引輪兩側(cè)鋼絲繩的拉力滿足T1／T2≤efα。這里的T1為曳引輪兩側(cè)的較大拉力，T2為曳引輪兩側(cè)的較小拉力，efα為曳引系數(shù)，α為鋼絲繩在曳引輪槽中的包角，f為當(dāng)量摩擦系數(shù)，與繩槽材料和形狀有關(guān)。曳引系數(shù)efα限定了鋼絲繩與曳引輪不打滑的最大T1／T2比值，efα大，則T1／T2的允許比值大，電梯曳引能力大。

以轎廂和對重均采用2∶1懸掛方式的曳引電機為例，當(dāng)轎廂加上一定的載荷，處于靜態(tài)制動平衡狀態(tài)時，曳引電梯系統(tǒng)的模型如圖1所示。為便于分析，做如下簡化：忽略導(dǎo)靴和導(dǎo)軌間的摩擦，不計導(dǎo)向輪和反繩輪的質(zhì)量，轎廂在最頂層站時曳引鋼絲繩完全位于對重側(cè)，補償鏈／繩完全位于轎廂側(cè)，隨行電纜質(zhì)量完全加于轎廂；轎廂在最底層站時，曳引鋼絲繩全部位于轎廂側(cè)，補償鏈／繩完全位于對重側(cè)，隨行電纜質(zhì)量不加于轎廂。

圖1 曳引電梯加載靜態(tài)制動試驗?zāi)Ｐ?/p>

若曳引鋼絲繩與曳引輪之間無打滑（曳引鋼絲繩拉力滿足T1／T2≤efα），電梯處于靜力學(xué)平衡狀態(tài)，電梯轎廂側(cè)鋼絲繩拉力T1和對重側(cè)的鋼絲繩拉力T2滿足方程（1）：

式中：

Mf——曳引輪兩側(cè)的偏載力矩；

QC——轎廂質(zhì)量；

QP——載荷質(zhì)量；

QCW——對重質(zhì)量；

QSRcar——轎廂側(cè)曳引繩質(zhì)量；

QSRcwt——對重側(cè)曳引繩質(zhì)量；

QCRcar——轎廂側(cè)補償繩質(zhì)量；

QCRcwt——對重側(cè)補償繩質(zhì)量；

QTrav——隨行電纜質(zhì)量；

g——重力加速度；

r——曳引比；

D——曳引輪節(jié)圓直徑。

設(shè)H是提升高度，y是以H／2處作為零點時轎廂的坐標(biāo)值，當(dāng)轎廂在底層時y＝H／2，轎廂在頂層時y＝-H／2，則當(dāng)轎廂處于井道中的y位置時，轎廂側(cè)和對重側(cè)曳引鋼絲繩的質(zhì)量QSRcar和QSRcwt為：

轎廂側(cè)和對重側(cè)補償繩的質(zhì)量QCRcar和QCRcwt為：

隨行電纜的質(zhì)量QTrav為：

式中：

ns——曳引鋼絲繩根數(shù)；

nc——補償繩根數(shù)；

nt——隨行電纜根數(shù)；

ρs——曳引繩單位長度質(zhì)量；

ρc——補償繩單位長度質(zhì)量；

ρt——隨行電纜單位長度質(zhì)量。

對于無減速器的永磁同步曳引電梯，曳引輪與制動輪同軸，電梯處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時，制動器需提供的靜態(tài)制動力矩為Mb＝Mf（設(shè)T2

式中：

QN——額定載荷質(zhì)量；

K——平衡系數(shù)，；

λ——載荷系數(shù)，。

在進行電梯制動性能檢測時，制動器提供的制動力矩應(yīng)按照轎廂空載或裝載時在井道的不同位置的最不利情況進行計算。以制動力矩數(shù)值較大者作為最不利的工況，來驗證電梯制動器是否滿足安全性能要求。由一般的力學(xué)分析可知，電梯進行制動性能試驗時，轎廂空載處在頂層位置靜止，以及轎廂加載125%額定負(fù)載（試驗時的最大負(fù)載）處于底層位置靜止時，對應(yīng)的制動力矩最大。以下分別進行分析：

1）轎廂空載處在頂層的制動力矩

當(dāng)轎廂空載（λ＝0)處于頂層靜態(tài)制動時，y＝-H／2，轎廂側(cè)曳引繩的質(zhì)量QSRcar＝0，對重側(cè)曳引繩的質(zhì)量QSRcwt=nsρsH，轎廂側(cè)補償繩的質(zhì)量QCRcar=ncρcH，對重側(cè)補償繩的質(zhì)量QCRcwt=0，隨行電纜的質(zhì)量QTrav=ntρtH／2。則轎廂側(cè)的拉力T1和對重側(cè)的拉力T2分別為：

電梯處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時的制動力矩Mb0＝Mf為（T2>T1）：

此時作用在曳引輪上的靜態(tài)制動力矩為逆時針方向（Mb0＜0）。

2）轎廂加載125%額定載荷處在底層的制動力矩

當(dāng)轎廂加載125%額定載荷（λ＝1.25)處于底層靜態(tài)制動時y＝H／2，轎廂側(cè)曳引繩的質(zhì)量QSRcar=nsρsH，對重側(cè)曳引繩的質(zhì)量QSRcwt=0，轎廂側(cè)補償繩的質(zhì)量QCRcar=0，對重側(cè)補償繩的質(zhì)量QCRcwt=ncρcH，隨行電纜的質(zhì)量QTrav=0。則轎廂側(cè)的拉力T1和對重側(cè)的拉力T2分別為：

電梯處于靜止平衡狀態(tài)時的制動力矩Mb1.25＝Mf為（T2

此時作用在曳引輪上的靜態(tài)制動力矩為順時針方向（Mb1.25＞0）。

當(dāng)電梯負(fù)載在0～125%的額定載荷間變化時，電梯制動器的靜態(tài)制動力矩的取值范圍在Mb0到Mb1.25之間。

2 無載荷靜態(tài)制動性能測試方法

利用曳引電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，通過變頻器控制曳引電機輸出適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩，無須人工加載砝碼，就可實現(xiàn)與電梯加載靜態(tài)制動試驗完全等效的制動器性能檢測。

2.1 永磁同步曳引電機的轉(zhuǎn)矩加載原理

在轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）中，三相永磁同步曳引電機的輸出轉(zhuǎn)矩為：

式中：

Me——輸出轉(zhuǎn)矩；

Pn——極對數(shù)；

id——定子電流d軸分量；

iq——定子電流q軸分量；

Lq——q軸電感；

Ld——d軸電感；

ψf——轉(zhuǎn)子永磁磁鏈幅值。

對于永磁同步曳引電梯，若曳引電機以面貼式永磁同步電機（Ld＝Lq）驅(qū)動，或以內(nèi)置式永磁同步電機（Ld≠Lq）驅(qū)動，并采用id＝0的矢量控制，式（10)的電機輸出轉(zhuǎn)矩均可簡化為：

由式（10)和式（11)可知永磁同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩由定子電流的d軸、q軸分量id、iq決定。通過坐標(biāo)系的3／2變換和旋轉(zhuǎn)變換，可以建立id、iq電流與三相電流iA、iB和iC之間的對應(yīng)關(guān)系，因此控制電機的相電流iA、iB和iC就可以控制曳引電機的輸出轉(zhuǎn)矩Me。實際上，永磁同步曳引電機由變頻器驅(qū)動，通過將變頻器設(shè)置為電流（轉(zhuǎn)矩）控制模式，就可以利用電機的出力，進行電梯制動器性能的無載荷檢測試驗。

2.2 無載荷靜態(tài)制動性能測試原理和測試流程

電梯制動器的無載荷靜態(tài)制動性能測試方法的基本思想是利用曳引電機的輸出轉(zhuǎn)矩來補償轎廂載荷產(chǎn)生的偏載力矩。通過控制變頻器輸出三相交流電流到曳引電機，使曳引電機輸出等效于電梯轎廂加載負(fù)荷所產(chǎn)生的偏載力矩，這樣就可以用電梯的空載制動試驗來替代電梯的負(fù)載制動試驗。圖2是曳引電梯無載荷靜態(tài)制動試驗原理圖。

圖2 曳引電梯等效無載荷靜態(tài)制動試驗原理圖

當(dāng)電機輸出的補償力矩為式（12)給出的Mc時，該補償力矩與電梯轎廂加載QP=λQN負(fù)荷時產(chǎn)生的偏載力矩相等。

依據(jù)上述曳引電梯無載荷靜態(tài)制動性能檢測原理，設(shè)計的無載荷靜態(tài)制動性能試驗流程如圖3所示，具體實現(xiàn)步驟如下：

圖3 曳引電梯無載荷靜態(tài)制動試驗流程

1）電梯轎廂處于空載狀態(tài)，運行到底層后，電梯制動器制動使轎廂保持靜止；

2）曳引電機加載補償力矩，該力矩為等效于轎廂加載λ倍額定載荷產(chǎn)生的偏載力矩Mc；

3）曳引電機在3～5 s內(nèi)持續(xù)加載補償力矩（考慮制動器抱閘的滯后延時和電機力矩加載的滯后延時，加載時間可以適當(dāng)調(diào)整）；

4）讀取編碼器，計算曳引電機轉(zhuǎn)速，若曳引電機轉(zhuǎn)速為0，說明轎廂靜止不動，電梯制動器能夠提供足夠大的靜態(tài)制動力矩，制動器安全性測試通過，測試結(jié)束。若曳引電機的轉(zhuǎn)速不為0，說明轎廂產(chǎn)生了位移，電梯制動器的靜態(tài)制動力矩不足，制動器安全性測試未通過，測試結(jié)束。

采用曳引電梯無載荷靜態(tài)制動性能檢測方法對電梯制動性能進行檢測，具有操作簡單、過程安全和結(jié)果準(zhǔn)確的特點。理論上這種無載荷靜態(tài)制動試驗與人工加載靜態(tài)制動試驗完全等效。由于試驗中無須對電梯進行加載，避免了電梯過載對電梯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的風(fēng)險，簡化了電梯制動器的檢測過程，降低了電梯制動器的檢驗成本。且檢測試驗不需要電梯系統(tǒng)的參數(shù)（與電梯的平衡系數(shù)、對重質(zhì)量和轎廂質(zhì)量等參數(shù)無關(guān)），具有極好的通用性。

3 實際電梯檢測計算分析

以某永磁同步曳引電梯為例，該永磁同步曳引電梯參數(shù)如下：曳引電機的額定功率PN=11.4 kW，額定轉(zhuǎn)矩MN=650 N.m，額定轉(zhuǎn)速nN＝167 r／min，曳引輪節(jié)圓直徑D＝400 mm。電梯平衡系數(shù)K＝0.48，轎廂質(zhì)量QC＝1 200 kg，額定載重量QN＝1 050 kg，鋼絲繩的倍率r＝2，曳引鋼絲繩的數(shù)量ns＝5，鋼絲繩單位長度質(zhì)量ρs＝0.347 kg／m，隨行電纜數(shù)量nt＝1，隨行電纜單位長度質(zhì)量ρt＝1.250 kg／m，電梯提升高度H＝53 m，18層，重力加速度g＝9.81 m／s2。

設(shè)平衡補償鏈／繩的設(shè)計是基于電梯在底層站和最頂層站靜止時曳引輪兩側(cè)重力差相等來計算，則有

采用本文提出的無載荷靜態(tài)制動性能測試方法來替代電梯的載荷靜態(tài)制動性能測試，計算結(jié)果見表1。

表1 永磁同步曳引電梯加載125%額定載荷時的制動力矩

表1的計算結(jié)果表明，當(dāng)電梯載荷為125%額定載荷時，曳引電機需加載的補償力矩Mc為1 287.6 N.m，為電機額定轉(zhuǎn)矩的1.98倍，小于電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩（2.5MN＝1 625 N.m)。這表明采用曳引電機的出力來補償轎廂負(fù)載產(chǎn)生的偏載力矩，以電梯空載制動試驗來替代負(fù)載制動試驗對電梯制動器制動性能進行檢測是可行的。當(dāng)電梯負(fù)載在0～125%額定負(fù)載時，電梯的制動力矩Mb在Mb0到Mb1.25之間。對于上述永磁同步曳引電機，若電梯安裝了補償鏈／繩，電梯制動力矩在-478.2 N.m＜Mb＜809.4 N.m之間變化；若未安裝補償鏈／繩，電梯制動力矩在-642.3 N.m＜Mb＜973.6 N.m之間變化。這個計算結(jié)果可為電梯安裝和運營維護部門選擇和調(diào)整具有合適制動力矩的制動器提供理論依據(jù)。

需要說明的是本文提出的無載荷靜態(tài)制動性能檢測試驗，當(dāng)曳引電機加載補償力矩時，電機將處在過載堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。通常變頻器電機驅(qū)動系統(tǒng)不允許長時間的過載堵轉(zhuǎn)，但短時間過載堵轉(zhuǎn)是可以的。實際上，由于永磁同步曳引電機的瞬時最大輸出轉(zhuǎn)矩通?？蛇_(dá)額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍（本文曳引電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩2.5MN），變頻器驅(qū)動的曳引電機系統(tǒng)允許的堵轉(zhuǎn)時間一般也都在幾十秒以上，而在本文設(shè)計的無載荷靜態(tài)制動試驗中，電機堵轉(zhuǎn)加載時間在5 s以內(nèi)。因此只要試驗時曳引電機加載的補償轉(zhuǎn)矩不大于電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩，無載荷靜態(tài)制動試驗就是安全的。

4 電梯制動器的無載荷檢測系統(tǒng)設(shè)計

基于曳引電梯制動性能的無載荷檢測方法原理，本文設(shè)計的電梯制動器安全性能檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，檢測系統(tǒng)主要由變頻器和上位機及通信模塊組成。其中變頻器主要完成3項功能：1）驅(qū)動曳引機正反轉(zhuǎn)，使得電梯轎廂上行或下行；2）模擬有轎廂載荷時的測試工況，加載補償力矩（實際操作中加載力矩時要和制動器配合動作）；3）與上位機通信，返回永磁同步曳引電機狀態(tài)信息（電流、轉(zhuǎn)速等）。

圖4 檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

上位機由微型電腦和觸摸屏組成，上位機上運行檢測裝置的人機交互界面，測試人員通過人機交互界面發(fā)送測試指令給變頻器，同時電機的運行狀態(tài)也可以顯示在界面上，上位機與變頻器之間采用RS485串口通信方式。上位機向變頻器發(fā)送的信息有測試環(huán)節(jié)編號、期望輸出力矩、期望轉(zhuǎn)速、采樣點數(shù)、電機運動方向、測試啟停標(biāo)志；變頻器向上位機返回的信息有測試環(huán)節(jié)編號、實際輸出力矩、電機轉(zhuǎn)速、轎廂行程、測試結(jié)束標(biāo)志（返回信息由上位機發(fā)出讀取指令得到）。

圖5為上位機操作界面，測試系統(tǒng)有4種工作模式：檢修模式、轎廂加載靜態(tài)制動測試模式（包括轎廂載荷在0～150%額定載荷之間可調(diào)）、動態(tài)制動測試模式（載荷在0～125%額定載荷之間可調(diào)）和空載超速上行制動測試模式。檢修模式下，可以從上位機發(fā)出電梯上行或下行指令，采用手動方式，控制轎廂到達(dá)測試起始位置。測試狀態(tài)下，電梯在初始狀態(tài)下應(yīng)靜止，制動器抱閘。根據(jù)制動器安全性能測試的要求，電梯轎廂的位置可預(yù)先設(shè)定。

圖5 測試系統(tǒng)的上位機操作界面

5 結(jié)束語

本文提出了一種永磁同步曳引機靜態(tài)制動性能檢測方法及其實現(xiàn)方案。該方法利用曳引電機的出力，通過曳引電機施加與轎廂載荷產(chǎn)生的偏載力矩等值的補償力矩，以空載制動試驗來替代負(fù)載制動試驗，以實現(xiàn)電梯制動性能的無載荷檢測。分析驗算和初步實驗測試結(jié)果表明，這種電梯制動性能的無載荷檢測方法可替代傳統(tǒng)的人工加載125%額定載荷靜態(tài)制動試驗，簡化電梯制動器安全性能檢測過程，降低成本，提高檢測作業(yè)效率。