惠林虎，王 義

（貴州師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1854年奧迪斯先生將電梯曳引繩砍斷，電梯通過安全鉗牢牢的固定在了導(dǎo)軌上，安全鉗作為電梯的一道安全保護(hù)裝置被確立下來?？梢哉f，有了限速器和安全鉗，電梯才被大眾所接受[1]。機(jī)械式限速器正被市場廣泛使用，但其存在以下缺點(diǎn)：一是動作速度不精確，只是在一定的速度范圍內(nèi)進(jìn)行動作；二是動作速度容易隨時間推移產(chǎn)生變化，需要定期檢驗(yàn)，否則可能不能可靠動作。

2009年威特電梯部件推出了威特EOS電子限速器。將電子測速與機(jī)械制動機(jī)理結(jié)合，是全球首款裝有ACD裝置（防溜裝置）的電子限速器，優(yōu)點(diǎn)是使用了電子測速，并且可以在轎廂加速度異常的時候限速器動作，從而及時防范了轎廂的溜車。不足之處在于只實(shí)現(xiàn)了防溜車功能，沒有完全體現(xiàn)出電子限速器的優(yōu)越性[2]。電子限速器剛剛起步，發(fā)展前景很大。它可以對轎廂溜車、失速進(jìn)行保護(hù)，在保證其運(yùn)行安全的情況下可以調(diào)整底坑高度、頂層高度、緩沖器等。電子限速器有很大的研究意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 傳統(tǒng)限速器安全鉗特點(diǎn)

電梯在正常運(yùn)行時，轎廂運(yùn)動通過驅(qū)動連桿帶動限速器繩和限速器運(yùn)動，此時，安全鉗處于非動作狀態(tài)，其制停元件與導(dǎo)軌之間保持一定的間隙。當(dāng)轎廂超速達(dá)到限定值時，限速器動作使夾繩鉗夾住限速器繩，于是隨著轎廂繼續(xù)向下運(yùn)動，限速器繩提起驅(qū)動連桿促使連桿系統(tǒng)聯(lián)動，兩側(cè)的提升拉桿被同時提起。帶動安全鉗制動楔塊與導(dǎo)軌接觸，兩安全鉗同時夾緊在導(dǎo)軌上，使轎廂制停。安全鉗動作時，限速器的安全開關(guān)或安全鉗提拉桿操縱的安全開關(guān)，都會斷開控制電路，迫使制動器失電制動[3-5]。限速器和安全鉗的聯(lián)動圖如圖1所示。限速器動作的速度是確定的，不可變的。

圖1 限速器安全鉗聯(lián)動程序圖Fig.1 Linkage diagram of the overspeed governor and safety-gear

2 機(jī)械—電子限速器的結(jié)構(gòu)、控制及原理

2.1 機(jī)械—電子限速器的結(jié)構(gòu)

如圖2示為機(jī)械—電子限速器。兩個繞各自樞軸轉(zhuǎn)動的甩塊由連桿連接在一起，以保證兩甩塊同步運(yùn)動。甩塊由螺旋彈簧固定。限速器繩輪在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，如果轎廂速度超過額定速度預(yù)定值時，甩塊的轉(zhuǎn)動因離心力的作用向外甩開，使超速開關(guān)動作，從而切斷電梯的控制回路，使制動器失電抱閘。如速度進(jìn)一步增大，甩塊進(jìn)一步向外甩開，并撞擊鎖閂，松開擺動鉗塊。正常情況下，擺動鉗塊由鎖閂拴住，與限速器繩間保持一定的間隙。當(dāng)擺動鉗塊松開后，鉗塊下落，將限速器繩夾持在固定鉗塊上。固定鉗塊由壓緊彈簧壓緊，壓緊彈簧可利用調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時，繩鉗夾緊了限速器，從而使安全鉗動作。同時，電子控制部分電磁伸縮裝置6固定在機(jī)架的外側(cè)，其內(nèi)部有一組線圈，加上24V×1A的直流電時，電磁桿便縮回，失電后又伸出。

2.2 電子限速器的控制

電子限速器的控制功能基于AT89C52單片機(jī)，如圖3所示。AT89C52芯片外接12 MHz晶振，片內(nèi)含有8 KB的EEPROM，測控程序存儲在內(nèi)部。上電復(fù)位電路通過比較器LM393和反相器74HC14將復(fù)位信號送到AT89C52的RESET引腳。AT89C52的P3.7腳作為輸出，經(jīng)TLP521光耦隔離和9014三極管放大后，控制繼電器1。繼電器1被觸發(fā)后控制電磁桿，電磁桿在縮回的過程中先觸動2動作部件和超速開關(guān)，使得電氣制停轎廂，進(jìn)而鎖閂動作，機(jī)械制動轎廂。整個控制系統(tǒng)使用RS232與電梯主板通訊，以獲取電梯的實(shí)時速度、實(shí)時位置與實(shí)時加速度。

圖2 機(jī)械-電子限速器的主視圖Fig.2 Front view of themachine-electronic overspeed governor

圖3 電子限速器的控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Control system diagram of the electronic governor

2.3 電子限速器的原理

當(dāng)電梯轎廂下行移動時，限速器繩隨之移動，帶動限速器輪盤轉(zhuǎn)動，同時電梯主板檢測轎廂當(dāng)前速度、井道位置與實(shí)時加速度。

當(dāng)單片機(jī)AT89C52檢查所得的轎廂移動速度小于限速器動作值時，電梯處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。圖3中AT89C52的P3.7腳輸出高電平，TLP521G光耦截止，所對應(yīng)的繼電器1的常開開關(guān)1處于斷開狀態(tài)，AT89C52不會使得限速器動作。

當(dāng)檢測速度達(dá)到限速器動作值時，圖3中AT89C52的P3.7腳立即輸出低電平，經(jīng)TLP521光耦隔離和9014放大后，繼電器1線圈得電，常開觸點(diǎn)K1閉合，K1又控制圖2中電磁伸縮桿的線圈得電，于是電磁桿立即縮回，首先碰到超速開關(guān)動作，從而切斷電梯的控制回路，使制動器失電抱閘。電磁桿繼續(xù)帶動超速開關(guān)收縮并撞擊鎖閂，松開擺動鉗塊。正常情況下，擺動鉗塊由鎖閂拴住，與限速器繩間保持一定的間隙。當(dāng)擺動鉗塊松開后，鉗塊下落，將限速器繩夾持在固定鉗塊上。固定鉗塊由壓緊彈簧壓緊，壓緊彈簧可利用調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時，繩鉗夾緊了限速器，從而使安全鉗動作。

5 s后單片機(jī)AT89C52再控制電磁桿復(fù)位伸出。待電梯故障排除后，需手動限速器復(fù)位。

3 電子限速器控制主程序框圖與特點(diǎn)

電子限速器控制主程序框圖如圖4所示。

圖4 電子限速器控制主程序流程圖Fig.4 Flow chart the software design of the electronic governor

本文設(shè)計(jì)的電子限速器有如下特點(diǎn)：

1）機(jī)械與電氣相結(jié)合，既不改變原機(jī)械結(jié)構(gòu)，保證了國標(biāo)的要求，又加入了電氣結(jié)構(gòu)，改善了限速器的性能。

2）速度動作準(zhǔn)確。轎廂移動速度是由光電編碼器通過電梯主板進(jìn)行采集的，電氣動作速度值和機(jī)械動作速度值都能保證高精度。

3）動作速度穩(wěn)定。只要編碼器工作正常，動作速度就不會改變。

4）可移植性好。在已使用的純機(jī)械限速器上，可以通過少量改動把電子限速器移植上去，達(dá)到電子——機(jī)械雙限速。

5）提前預(yù)警動作。可在需要限速器動作的情況下提前動作，減少電梯對人員物品的傷害。

4 電子限速器在高速梯上的表現(xiàn)分析

現(xiàn)今電梯按照GB 7588—2003中9.9關(guān)于限速器的規(guī)定，操縱轎廂安全鉗的限速器在電梯速度為額定速度115%時電氣動作[6]，根據(jù) GB 7588—2003 中 9.9.1（c）有關(guān)規(guī)定，對于額定速度小于或等于1m/s的漸進(jìn)式安全鉗為1.5 m/s；GB 7588—2003中9.9.1（d）中規(guī)定，對于額定速度大于 1 m/s的漸進(jìn)式安全鉗動作速度為：

根據(jù)GB 7588—2003 F3.3.1.1，安全鉗制動時的平均減速度以0.6gn來計(jì)算，制動距離為：

式中：h為安全鉗動作后的制動距離，m；v1為限速器動作速度，m/s。

按GB/T 10058-2009規(guī)定，乘客電梯起動加速度和制動減速度最大值均不應(yīng)大于1.50 m/s2；當(dāng)乘客電梯額定速度為2.0m/s≤v≤6.0m/s時，A95 加、減速度不應(yīng)小于 0.70m/s2。

以10 m/s的電梯為例，如圖5所示，根據(jù)公式（1），其安全鉗動作速度為12.525m/s；根據(jù)公式 （2），其制動距離為13.340m；減速度為5.880m/s2，0.6gn。A95的加減速區(qū)距離為30m。若在底層端站電梯沒有跟隨既定的速度曲線，發(fā)生失控，電氣開關(guān)觸發(fā)后制動器制動力不足，但速度仍未超過12.525m/s時，安全鉗不會動作，電梯勢必會不能及時制停，甚至發(fā)生蹲底事故。

對比電子限速器，電梯進(jìn)入減速區(qū)后沒有正常減速，在進(jìn)入減速區(qū)后還是10m/s，根據(jù)公式（1），7.975m/s的限速器安全鉗動作速度是10m/s，與之相對應(yīng)的，在電梯進(jìn)入減速區(qū)12.1m處就會發(fā)現(xiàn)電梯速度不正常，從而安全鉗動作，制動電梯，此時電梯的制動距離為8.503 m，完全制停后電梯距離A95減速完成段還有12.697m，有效的避免了電梯在未達(dá)到額定速度的安全鉗動作速度時發(fā)生蹲底事故。

圖5 10m/s高速梯示例圖Fig.5 10 m/s high-speed elevator as example

表1為現(xiàn)今電梯限速器安全鉗動作時的速度，平均加速度及制動距離。計(jì)算參照公式（1）與公式（2）。

表2為限速器跟隨電梯運(yùn)行速度后當(dāng)在減速區(qū)電梯仍按額定速度下行時，安全鉗的動作速度，平均加速度，制動距離，A95加減速度段的最小距離（加減速度取最大值1.5m/s2），及制停后距離A95減速完成時的保證距離。

表1 現(xiàn)今各速度電梯限速器安全鉗性能Tab.1 The performance of overspeed governor and safety-gear in each speed elevator nowadays

表2 調(diào)節(jié)后各速度電梯限速器安全鉗性能Tab.1 The perform ance of overspeed governor and safety-gear in each speed elevator after adjust

表1與表2電梯額定速度選擇高速與超高速中常見的4m/s，6m/s，10m/s，還有世界最快電梯的 16.8m/s，17.4m/s。

蒂森的超高速梯中TWINS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了時刻監(jiān)控電梯在井道中的位置，這就意味著可以通過控制電梯通過井道各個位置時的限速器的動作速度來實(shí)現(xiàn)上述想法，在電梯井道中加減速區(qū)選幾個位置，轎廂通過這些位置時發(fā)出信號，電梯主板將此時轎廂速度通過通信傳給電子限速器控制板，此時的速度與加減速區(qū)的正常速度相比較，發(fā)現(xiàn)超速時電子限速器控制限速器動作。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了電子限速器上的一個功能，實(shí)現(xiàn)了通過轎廂在井道中的位置來調(diào)整限速器動作速度，并給出了超高速梯上的數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

未設(shè)計(jì)全程跟隨的原因有3點(diǎn)：一是全程跟隨數(shù)據(jù)處理量較大，需對比實(shí)時轎廂速度與給定轎廂速度曲線；二是全程跟隨可能造成限速器誤動作，轎廂速度有時可能偏離給定速度曲線，但經(jīng)一小段時間會自動調(diào)節(jié)好，如果限速器過于靈敏會造成電梯故障多。三是中間段的失速達(dá)到限速器動作速度時減速距離足夠大。

電子限速器的研究剛剛起步，國內(nèi)只有一種電子限速器，發(fā)展前景很大。電子限速器的對電梯安全、底坑及井道頂部間距的縮短具有有很大的意義。本文也只是通過電子限速器與現(xiàn)今純機(jī)械限速器的結(jié)合進(jìn)行嘗試，到實(shí)際的應(yīng)用還有很多路要走。

[1]何麗，石麗華.基于AT89系列單片機(jī)的手提式電梯限速器測試儀[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（11）:94-96.HE Li，SHI Li-hua.Portable elevator speed limiter tester based on AT89 microcontroller[J].Microcomputer& Its Applications，2014，33（11）:94-96.

[2]龐濤.一種新型的電梯限速器 [J].機(jī)械工程師，2011（11）:28-30.PANG Tao.A new-type speed governor of elevator[J].Mechanical Engineer，2011（11）:28-30.

[3]張春玲.即時操縱安全鉗的電梯抗墜落安全防護(hù)機(jī)構(gòu)[J].世界科技研究與發(fā)展，2010，32（3）:328-329.ZHANG Chun-lin.Elevator safety mechanism which can operator the safety gear on time[J].Research and Development ofWorld Science and Technology，2010，32（3）:328-329.

[4]盧鍵恩，唐平.電梯安全鉗檢驗(yàn)及常見故障問題分析[J].科技之友，2011（18）:35-36.LU Jian-en，TANG Ping.Analysis of elevator safety gear test and common problems[J].Friends of Science and Technology，2011（18）:35-36.

[5]吳濤.電梯電氣事故原因分析及預(yù)防[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（2）:107-109.WU Tao.Elevator electric accident reason analysis and prevention[J].China high-tech Enterprises，2011（2）:107-109.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn):電梯制造與安裝安全規(guī)范 （GB 7588-2003）[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003:26-28.