文/歐陽惠卿 薛季愛 江 浩

在石油、化工、制藥等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，電梯廣泛地被應(yīng)用于含爆炸性混合氣體的工作場(chǎng)所中，故工作于此類場(chǎng)所的電梯必須具有防爆性能。防爆電梯在緊急制停時(shí)制動(dòng)器產(chǎn)生的溫升屬于危險(xiǎn)點(diǎn)燃源，歐盟EN 13463潛在性爆炸環(huán)境中的非電氣設(shè)備系列標(biāo)準(zhǔn)1～4中明確提出了要控制該類危險(xiǎn)溫升。因此必須對(duì)此危險(xiǎn)溫升進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，并采取有效的溫升控制措施。針對(duì)目前制動(dòng)器溫升現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和監(jiān)控手段的不足，通過對(duì)比現(xiàn)有幾種實(shí)時(shí)測(cè)溫方法，本文提出適合防爆電梯制動(dòng)器緊急制停時(shí)溫升的測(cè)量和監(jiān)控手段，為進(jìn)一步揭示制動(dòng)器的防爆特性、為防爆電梯的安全檢驗(yàn)、為防爆電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的制定，提供良好的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

一、防爆電梯制動(dòng)器工作的基本原理和特性

1.曳引機(jī)與制動(dòng)器

曳引式防爆電梯基本采用蝸輪蝸桿副作為減速裝置，制動(dòng)器安裝在電動(dòng)機(jī)與減速器之間。早期的防爆電梯大都使用單速或雙速曳引機(jī)，無論是正常制停還是緊急制停，制動(dòng)輪與閘瓦之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦。為了防爆，制動(dòng)器通常被封閉在隔爆箱內(nèi)。目前，防爆電梯基本采用變頻控制，正常制停屬于零速抱閘，制動(dòng)器幾乎無摩擦熱產(chǎn)生，因此，制動(dòng)器都暴露在工作環(huán)境中。但在突然斷電等情況下的緊急制動(dòng)中，將產(chǎn)生高負(fù)荷的機(jī)械摩擦，導(dǎo)致制動(dòng)器產(chǎn)生劇烈溫升，由此成為爆炸性氣體的危險(xiǎn)點(diǎn)燃源。為此，對(duì)該類沒有安裝在隔爆箱內(nèi)的制動(dòng)器緊急制動(dòng)時(shí)的溫升規(guī)律我們展開了研究。

2.制動(dòng)器的工作原理

電梯普遍采用機(jī)－電摩擦型常閉式制動(dòng)器，電梯不運(yùn)行時(shí)制動(dòng)器在制動(dòng)彈簧的作用下閉合，電梯運(yùn)行時(shí)依靠電磁力使制動(dòng)器松閘，因此又稱電磁制動(dòng)器。

如圖1為一種典型的電梯用鼓式制動(dòng)器，其主要組成部分包括：制動(dòng)輪、制動(dòng)閘瓦、制動(dòng)電磁鐵、制動(dòng)連桿和制動(dòng)彈簧等。制動(dòng)力矩是由制動(dòng)彈簧產(chǎn)生的，可以通過調(diào)整制動(dòng)彈簧的伸縮量來調(diào)整制動(dòng)力矩。

圖1 一種典型的電梯用鼓式制動(dòng)器

二、防爆電梯制動(dòng)器制停溫升監(jiān)測(cè)方法

1.實(shí)驗(yàn)方法的比較和選擇

由于電梯制停時(shí)間通常都比較短，而在整個(gè)制動(dòng)過程中所產(chǎn)生的熱量主要又是被制動(dòng)輪吸收，且制動(dòng)輪與外界環(huán)境的換熱過程是伴隨著摩擦熱的產(chǎn)生過程同時(shí)發(fā)生的，因此對(duì)其溫升的測(cè)定必須在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行，即測(cè)量手段必須能夠滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

① 熱電偶技術(shù)

采用熱電偶作為測(cè)溫元件的測(cè)溫裝置，其數(shù)據(jù)傳輸無論采用有線還是無線，都屬接觸式測(cè)溫方式，具有測(cè)溫準(zhǔn)確、易于檢定的優(yōu)點(diǎn)。

②紅外測(cè)溫技術(shù)

與接觸式測(cè)溫方式對(duì)應(yīng)的是非接觸式測(cè)溫方式。當(dāng)前的紅外熱像探測(cè)技術(shù)已經(jīng)具備了快速響應(yīng)能力，能夠以視頻輸出圖像，并具有了較高的溫度靈敏度和空間分辨率，近年來得到迅速普及。

相對(duì)于熱電偶，無論是紅外線點(diǎn)溫計(jì)，還是紅外線熱像儀，都存在著測(cè)量值易受被測(cè)物體表面輻照率和環(huán)境透射率等因素的影響，但是可以通過輻照系數(shù)修正等手段來減少測(cè)量值與實(shí)際值間的相對(duì)差值。

因結(jié)構(gòu)和空間布局的限制，性能優(yōu)異的紅外熱像儀更適宜進(jìn)行制動(dòng)器的溫升測(cè)量。

2.實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了使測(cè)量的數(shù)據(jù)可靠并具有代表性，本文選用兩臺(tái)典型的曳引機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣梯曳引機(jī)的參數(shù)

3.參數(shù)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究電梯在緊急制停情況下，制動(dòng)器的溫升是否能滿足防爆要求，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方案的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。通過調(diào)節(jié)電梯的速度和額定載重量，在實(shí)驗(yàn)對(duì)象上進(jìn)行了8組試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。表2中所選定的實(shí)驗(yàn)工況均參照GB 7588－2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》，假設(shè)防爆電梯處于最不利的工況下，該工況下的制動(dòng)器溫升狀況就更能反映其防爆安全容量。

本實(shí)驗(yàn)采用“便攜式紅外熱像儀+便攜計(jì)算機(jī)控制”。用于實(shí)驗(yàn)的紅外熱像儀除了必須保證光譜響應(yīng)范圍和足夠快的采樣頻率外，還應(yīng)具備盡可能高的空間分辨率，能夠滿足實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)性要求。除硬件平臺(tái)外，配套的軟件也必須要有豐富的數(shù)據(jù)后處理功能。

表2 進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時(shí)所選取的參數(shù)

經(jīng)過多方比較，本實(shí)驗(yàn)采用某德國公司的高精度紅外熱像儀，該儀器采用了當(dāng)今最新非制冷型焦平面探測(cè)技術(shù)的熱像儀，其光學(xué)分辨率達(dá)到640×480像素，解析度最高可達(dá)25μm，在正確設(shè)置被測(cè)物體輻射率、環(huán)境透射率參數(shù)后，設(shè)定量程內(nèi)±1.5 K的精度能夠滿足本實(shí)驗(yàn)的精度要求；其50幀/s的測(cè)量速率及連續(xù)錄制帶測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)紅外影像功能也基本滿足實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性要求；根據(jù)不同視場(chǎng)角需求更換鏡頭的功能解決了實(shí)驗(yàn)空間受限等環(huán)境制約問題；操作抗震性能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中的振動(dòng)；其各項(xiàng)參數(shù)均可滿足實(shí)驗(yàn)要求；與該儀器配套的軟件，除了可以完成熱像儀的在線操控、數(shù)據(jù)采集、紅外熱圖瀏覽、圖庫管理和分析外，還可以進(jìn)行區(qū)域或點(diǎn)的溫度-時(shí)間趨勢(shì)、線溫趨勢(shì)圖、直方圖、逐點(diǎn)或區(qū)域輻照率修正、測(cè)量模式修正工具等功能，可以方便地對(duì)紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行深入、精確分析和評(píng)估。該儀器的主要參數(shù)見表3。

三、監(jiān)測(cè)過程與結(jié)果

首先，確定環(huán)境溫度和濕度是否符合實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備要求。然后測(cè)試前電梯在空載情況下進(jìn)行數(shù)次試運(yùn)行，直至穩(wěn)定為止；采取措施保證測(cè)試過程中被測(cè)電梯獨(dú)立操作，不受干擾。

調(diào)整并固定好紅外熱像儀位置，以閘瓦和制動(dòng)器接觸面（沿制動(dòng)旋轉(zhuǎn)離去閘瓦端方向）為目標(biāo)進(jìn)行對(duì)焦，必要時(shí)更換鏡頭以保證視窗和景深。首先斷開超載保護(hù)裝置，并調(diào)整轎廂砝碼的加載量至設(shè)定值。如采用砝碼加載比較困難，可采用其他加載形式。轎廂行至頂層端站平層位置，確保轎廂內(nèi)沒有乘客，啟動(dòng)電梯從頂層端站向底層端站下行，待轎廂行至井道中部（電梯達(dá)到額定速度后），開啟紅外熱像儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并在延時(shí)2 s后啟動(dòng)緊急制停操作。需要注意的是待完全停止后繼續(xù)記錄熱像圖2 s～3 s后停止。

表3 所選用的紅外熱像儀主要參數(shù)

1.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

為獲得盡可能好的測(cè)量效果，正式開始前我們分別嘗試了各種視場(chǎng)角度和焦距，對(duì)比不同視場(chǎng)度和焦段下的采樣效果。

在電梯緊急制動(dòng)時(shí)，整個(gè)制動(dòng)器的最高溫可能位于制動(dòng)輪與閘瓦摩擦接觸面，但此接觸不與周圍爆炸性環(huán)境接觸，所以在防爆時(shí)只需考慮暴露于外界空氣的高溫點(diǎn)。制動(dòng)器在緊急制停時(shí)可能存在兩個(gè)與外界空氣接觸的最高溫度點(diǎn)：一個(gè)點(diǎn)位于制動(dòng)閘瓦的外露表面，另一個(gè)位于制動(dòng)輪由制動(dòng)閘瓦旋出的外表面。實(shí)際上，閘瓦摩擦片導(dǎo)熱性能很差且吸收熱量少，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大部分熱量被制動(dòng)輪吸收。因此，制動(dòng)輪溫升較快，制動(dòng)器與外界空氣接觸的最高溫升點(diǎn)位于制動(dòng)輪由制動(dòng)閘瓦旋出的外表面（如圖2所示），實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該推斷。所以本實(shí)驗(yàn)中所有的熱圖像都是以仰視角度測(cè)量制動(dòng)輪旋出制動(dòng)閘瓦部分表面溫度。

圖2 制動(dòng)器旋轉(zhuǎn)方向與暴露高溫表面位置

本實(shí)驗(yàn)按照表2的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，先后共測(cè)量了10組有效的紅外線熱圖像數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都進(jìn)行了重復(fù)測(cè)試，單次采集時(shí)間持續(xù)10 s（500幀），熱圖像采集時(shí)的焦距主要為30 mm鏡頭，在個(gè)別拍攝角度較差的情況下為50 mm鏡頭。

為評(píng)價(jià)采集數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)熱像儀所采集熱圖的一致性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)分析比較，數(shù)據(jù)的可重復(fù)性較好。

2.監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖3 最高溫度區(qū)域熱圖像示例

圖4 每幀最高溫度點(diǎn)的時(shí)間序列曲線

從圖3這幅熱圖像中可以看到，該實(shí)驗(yàn)梯的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在制動(dòng)閘瓦外側(cè)邊緣的制動(dòng)輪上。在選定的測(cè)量區(qū)域內(nèi)IRBIS?3軟件可以自動(dòng)捕捉最高溫度點(diǎn)，通過序列回放可在熱圖像區(qū)直觀地跟蹤溫度變化過程，圖4所示為額定速度為1 m/s、載荷為1 250 kg規(guī)格的實(shí)驗(yàn)樣梯，以超載125%向下運(yùn)行工況時(shí)的緊急制停驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)熱圖像序列中的截圖，最高溫度出現(xiàn)在第83幀，溫度值為49.13℃。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案和表2設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，我們進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，得到了8組有效的溫升對(duì)比數(shù)據(jù)，所測(cè)得的溫度值均在設(shè)定的量程范圍（－40℃～100℃）內(nèi)，而制動(dòng)輪的輻射率經(jīng)初始環(huán)境溫度下的比對(duì)測(cè)量可認(rèn)為接近1.0，且透射率因?qū)嶒?yàn)梯機(jī)房內(nèi)空氣環(huán)境無異常也認(rèn)為接近1.0，本實(shí)驗(yàn)采樣的紅外熱像儀所測(cè)溫度數(shù)據(jù)的誤差值不大于±2℃，處于可接受的誤差范圍內(nèi)。

四、結(jié)語

針對(duì)防爆電梯制動(dòng)器緊急制動(dòng)情況下，溫升測(cè)量和監(jiān)控手段缺乏的問題，本文選用紅外熱像儀作為測(cè)量手段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，并且在一臺(tái)具有典型性的防爆電梯上進(jìn)行了8組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的測(cè)量方法可以作為制動(dòng)器緊急溫升現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的有效方案，同時(shí)，可以進(jìn)一步被應(yīng)用于防爆電梯制動(dòng)器緊急制停溫升的實(shí)驗(yàn)研究。希望本方法能夠?yàn)榻窈筮M(jìn)一步揭示制動(dòng)器的防爆性能和特點(diǎn)、設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，為防爆電梯的安全檢驗(yàn)，為防爆電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的制定，提供良好的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。