■文/胡勝江 陳建偉 徐 濤 龐 濤

電梯超載保護(hù)裝置檢測新法

■文/胡勝江 陳建偉 徐 濤 龐 濤

運用有限元仿真軟件Workbench分析了不同載荷時轎底中心與下橫梁之間距離的變化規(guī)律，提出了以小載荷時的距離變化量推算大載荷時的距離變化量，進(jìn)而檢測電梯超載保護(hù)功能是否有效的方法。模型及試驗數(shù)據(jù)表明，采用該方法對超載保護(hù)裝置進(jìn)行檢測與常規(guī)的加載試驗基本等效，為研制該類超載保護(hù)裝置的檢測儀提供了理論依據(jù)，使得檢驗時無需搬運大量的砝碼，提高了檢測效率，降低了檢測成本和勞動強(qiáng)度。

超載保護(hù)裝置是電梯的重要安全裝置之一，它可以防止電梯超載導(dǎo)致制動力不足而引起轎廂加速墜落等惡性事故，保護(hù)電梯內(nèi)乘客與貨物的安全。國家質(zhì)檢總局規(guī)定，對新安裝及定期檢驗的電梯都應(yīng)進(jìn)行加載試驗，驗證超載保護(hù)裝置的功能是否正常。加載試驗的具體方法為：向空轎廂內(nèi)均勻放置與超載載荷（超載載荷根據(jù)電梯的額定載荷確定）等重量的砝碼，查看超載保護(hù)裝置的動作情況。如果此時正好動作，表示其符合標(biāo)準(zhǔn)要求；提前動作會導(dǎo)致電梯過早提示超載，降低使用效率；不動作會導(dǎo)致電梯超載運行，形成嚴(yán)重的安全隱患。由于砝碼租借、運輸及人工費用高，檢驗花費時間長，實踐過程中幾乎沒有單位會在電梯定期檢驗時進(jìn)行加載試驗，從而導(dǎo)致超載保護(hù)裝置失效后不能及時被發(fā)現(xiàn)和處理，影響電梯的正常運行及安全性。

電梯超載保護(hù)裝置的超載信號采集器通常有兩種安裝方式：一種是安裝在繩頭組的端部，檢測繩頭組受力大小或彈簧受力變形量；另一種是安裝在轎廂的底部，檢測轎底與下橫梁之間距離的變化量，此時在轎底兩側(cè)都裝有減震墊。

電梯轎底安裝的減震墊一般有兩種：一種是線性減震墊，其變形量與所受壓力成正比，主要是彈簧；另一種是非線性減震墊，其變形量與所受壓力不成正比，主要是橡膠。本文針對超載信號采集器安裝在轎底且安裝線性減震墊的情況，提出了一種無需加載規(guī)定載荷的砝碼即可對超載保護(hù)裝置進(jìn)行檢測的方法，為研制電梯超載保護(hù)裝置檢測儀提供理論依據(jù)。

方法的提出

以一種常見的電梯超載信號采集器為例說明其工作原理（見圖1）。為超載信號采集工作原理圖，圖中上橫梁2、立柱5和下橫梁8等通過螺栓剛性聯(lián)接組成轎廂架，懸掛于曳引鋼絲繩1的下方；轎頂3、轎壁4和轎底6等通過螺栓剛性聯(lián)接組成轎廂；在轎廂與轎廂架之間安裝減震墊7；磁鋼9安裝在轎底6的中心位置；支架10安裝在下橫梁8的上面，霍爾接近開關(guān)11安裝在支架10上，其位置處于磁鋼9的正下方，與磁鋼之間的距離可以調(diào)節(jié)。轎廂承受載荷后，轎底6將會受壓下凹，減震墊7被壓縮，磁鋼9與霍爾接近開關(guān)11之間的距離將會減小，載荷達(dá)到一定值時霍爾接近開關(guān)11就會發(fā)出報警信號。

圖1 電梯超載信號采集原

在做常規(guī)加載試驗時，向空轎廂內(nèi)均勻放置該電梯對應(yīng)的超載載荷M，相對于空載時霍爾接近開關(guān)11與磁鋼9的超載距離變化量為Y，平穩(wěn)后調(diào)整霍爾接近開關(guān)11與磁鋼9之間的距離，使霍爾接近開關(guān)11剛好動作，此為臨界點，并在該位置將霍爾開關(guān)固定。經(jīng)超載試驗調(diào)整過的電梯在使用過程中，當(dāng)轎廂內(nèi)的載荷達(dá)到超載載荷M時，超載保護(hù)裝置即會動作，向電梯中控系統(tǒng)發(fā)出超載報警信號。

假定轎廂內(nèi)均勻加載小載荷X時，霍爾接近開關(guān)11與磁鋼9的距離變化量為Z。如果存在一種函數(shù)關(guān)系，可以根據(jù)X和Z推算當(dāng)轎廂均勻加載超載載荷M時霍爾接近開關(guān)11與磁鋼9的距離變化量Y，那么在轎廂空載時將霍爾接近開關(guān)11向磁鋼9方向移動距離Y，查看霍爾接近開關(guān)是否處于臨界點，如果是，則認(rèn)為超載保護(hù)裝置功能有效；如果不是，則應(yīng)上調(diào)霍爾接近開關(guān)11找到臨界點并固定。此后，如果向轎內(nèi)均勻加載超載載荷M，則超載保護(hù)裝置應(yīng)動作?？梢钥闯?，采用這種方法檢測或調(diào)整超載保護(hù)裝置時，無需對轎廂加載超載載荷M。

公式的提出

假設(shè)Z與X之間存在一定的函數(shù)關(guān)系：

一、Z與X之間函數(shù)關(guān)系確定

依據(jù)電梯設(shè)計圖紙對額定載荷為1000kg的電梯轎廂及轎廂架建立數(shù)學(xué)模型（見圖2）。其中轎廂內(nèi)尺寸為常見的1.6m×1.5m，轎廂及轎廂架等結(jié)構(gòu)件材料為Q235鋼板，多個減震墊分布于轎底與轎廂架之間的左、右兩側(cè)，列出模型的主要參數(shù)（見表1）。通過有限元方法分析（1）式中Z與X之間的函數(shù)關(guān)系。

圖2 轎廂及轎廂架數(shù)學(xué)模

利用有限元軟件Workbench 對模型進(jìn)行分析，共設(shè)置515420個節(jié)點、309232個單元，以上橫梁為支撐，在轎廂加載試驗塊模擬現(xiàn)場加載砝碼的情況（見圖3）。通過改變模型中試驗塊的重量來改變載荷X，記錄轎底中心與下橫梁之間的距離變化量Z，得到X與Z的關(guān)系（見圖4）。

表1 模型的材料參數(shù)

圖3 轎廂加載模型

從圖4可以看出，在轎廂均勻加載條件下，載荷X與距離變化量Z基本成線性關(guān)系。且當(dāng)X=M時，Z=Y，則存在關(guān)系式：

當(dāng)載荷X及其距離變化量Z已知時，超載距離變化量Y則可表示為：

以上計算要求轎廂及轎廂架在超載條件下只發(fā)生彈性變形，在去掉載荷后變形恢復(fù)到空載水平。以表1的模型材料參數(shù)通過有限元分析，當(dāng)電梯超載時各結(jié)構(gòu)件中最大應(yīng)力為112MPa，遠(yuǎn)低于Q235的屈服應(yīng)力235MPa，所以轎廂及轎廂架在該條件下只發(fā)生了彈性變形。

為了便于攜帶和檢測，載荷X不宜過大，一般取50kg左右，例如采用50塊、每塊重量為1kg的試驗塊在轎內(nèi)均布，使用儀器檢測距離變化量Z，通過公式（3）計算得到Y(jié)，再往磁鋼方向移動霍爾接近開關(guān)Y的距離，根據(jù)超載保護(hù)裝置的動作情況判斷其功能是否有效或進(jìn)行調(diào)整。

上述方法雖然可行，但在實際操作中試驗塊過小、數(shù)量太多，會使檢測工作趨于繁瑣，為此提出一種間接方式檢測距離變化量Z以代替均勻加載的檢測方式。

圖4 載荷X與距離變化量Z的關(guān)系

將Z分解成加載后減震墊的變形量與轎底的變形量之和，并對這兩部分分別進(jìn)行討論，設(shè)前者為Z1，后者為Z2，即：

二、Z1的檢測方法

轎底減震墊處的空間狹小，檢測距離變化量的儀器安裝困難，不便在該位置測量Z1。如圖3模型中的線L1、L2所示，在轎廂左右兩側(cè)緊貼轎廂壁，從內(nèi)至外各均勻加載25kg載荷。通過有限元分析可知，這種加載方式與轎廂均勻加載50kg載荷時減震墊的壓縮量是相同的，而且壓縮量Z1與所加載荷成線性關(guān)系。

試驗測得，以上左右兩側(cè)加載的模型相比于空載時，轎廂中心位置下降量為0.1447mm，減震墊的壓縮量為0.1438mm，前者相比于后者的誤差為0.6%，表明在該加載條件下，以檢測轎底中心位置距離變化量來代替減震墊的壓縮量Z1誤差非常小，對檢測精度產(chǎn)生影響在允許范圍之內(nèi)。

設(shè)空載時轎底中心與下橫梁的距離為T1，以上述方式加載后該距離為T2，則：

將（4）、（5）式代入（3）式得：

三、Z2的檢測方法

在載荷均布的條件下，Z、Z1均為線性變化，則Z2也為線性變化。將轎廂視作安裝在減震墊上的簡支梁，轎廂的寬度即為簡支梁的跨度，對于中心點的撓度，在轎廂內(nèi)均勻加載等同于簡支梁上均布載荷；在轎廂中心位置從內(nèi)至外線性施加載荷（如圖3中線L3所示）等同于簡支梁上中心位置集中加載。通過材料力學(xué)[9]的相關(guān)公式可得到，在不考慮減震墊變形的條件下，簡支梁上均布線性載荷q時，中間位置的撓度為：

其中E為彈性模量，I為截面慣性矩，l為簡支梁跨度；簡支梁中心位置加載載荷P時，中間位置的撓度為：

在同一模型中，當(dāng)ql=P，即均布載荷等于集中載荷時，存在：

在轎廂中間位置從內(nèi)至外線性加載載荷X，在轎底中心位置與下橫梁的距離為T3，考慮此時減震墊變形后可得：

整理得：

將（8）式代入（6）式可得：

上式中M、X為已知量，T1、T2、T3為測量值，因此，根據(jù)（9）式即可計算出超載距離變化量Y。

公式的驗證

將（9）式計算值Y與模型中的分析結(jié)果及實際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，對（3）式在現(xiàn)場檢測中進(jìn)行驗證。

一、（9）式模型驗證

依據(jù)電梯圖紙建立了三種常見額定載荷的轎廂模型，通過不同的轎廂尺寸、整體剛度及減震墊剛度等，驗證（9）式的正確性及通用性，對比數(shù)據(jù)從模型中取值，見表2。表中T1、T2、T3、Y如前文中定義，X為加載載荷，T4指轎廂均布超載載荷M時轎底中心與下橫梁的距離，T4-T1為超載時轎底中心與下橫梁的距離變化量Y1，作為計算相對誤差的真值，(9）式計算值Y與真值Y1之間的相對誤差計算方法為：

從表2中可以看出，(9）式計算值Y與模型分析值Y1的相對誤差較小，相符度較高。

二、（9）式現(xiàn)場驗證

表2 （9）式計算值與模型分析數(shù)據(jù)對比

表3為現(xiàn)場加載試驗的檢測數(shù)據(jù)與（9）式計算值Y的對比。試驗方法為：在空載時將千分表固定在下橫梁上，表頭緊貼轎底中心位置，讀取數(shù)據(jù)T5；載荷X分成不同長度的試驗塊若干，組合使用以滿足不同轎廂尺寸的要求。如圖3中L1、L2所示位置，緊貼轎廂左右兩側(cè)的轎壁從里至外加載X/2載荷，讀取數(shù)據(jù)T6；再將載荷X在轎廂中間位置從里至外加載，如圖3中L3所示，讀取數(shù)據(jù)T7。根據(jù)以上對于T1～T6的定義可知，讀取的距離量T4～T6和（9）式中的距離量T1～T3之間存在如下關(guān)系：

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)即可得到Y(jié)值。

清空轎廂，然后均布超載載荷M，讀取數(shù)據(jù)T8，T8-T5就是現(xiàn)場轎廂均布超載載荷時轎底中心與下橫梁的距離變化量Y2，作為計算相對誤差的真值，(9）式計算值Y與真值Y2之間的相對誤差計算方法為:

由于現(xiàn)場因素的影響，表3相對誤差大于表2的相對誤差，但均在5%以內(nèi)，滿足超載保護(hù)裝置安全性能的檢測要求。

三、（3）式現(xiàn)場驗證

表4為現(xiàn)場加載試驗的檢測數(shù)據(jù)與（3）式計算值Y的對比，試驗方法為：制作50個試驗塊，每塊重量為1kg，載荷X=50kg；在空載時將千分表固定在下橫梁上，表頭緊貼轎底中心位置，讀取數(shù)據(jù)T9；將50個試驗塊均布在轎廂內(nèi)，讀取數(shù)據(jù)為T10，則該載荷下距離變化量Z=T10-T9；清空轎廂，然后均布超載載荷M，讀取數(shù)據(jù)T11，T11-T9為現(xiàn)場轎廂均布超載載荷時轎底中心與下橫梁的距離變化量Y3，作為計算相對誤差的真值，（3）式計算值Y與真值Y3之間的相對誤差計算方法為：|Y-Y3|/Y3×100%。

表3 （9）式計算值與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對比

表4 （3）式計算值與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對比

從表4可以看出，（3）式計算值Y與現(xiàn)場加載值Y3的相對誤差較小，相符度較高。綜合表2、3和4中數(shù)據(jù)可以看出，以（9）式或者（3）式對應(yīng)的檢測方法來判斷超載保護(hù)裝置的有效性是可行的。

分析了安裝在電梯轎底的超載信號采集器的工作原理，通過有限元分析軟件對轎廂數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了加載分析，提出了以小載荷時轎底中心與下橫梁之間的距離變化量推算大載荷時的距離變化量，進(jìn)而檢測超載保護(hù)功能是否有效的方法，并在模型及現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)中得到了驗證，為研制該類超載保護(hù)裝置檢測儀提供了理論依據(jù)，使檢驗時無需搬運相應(yīng)超載載荷的砝碼，大大降低了檢測成本及勞動強(qiáng)度，檢測效率也大幅提高。

（作者單位：浙江省嘉興市特種設(shè)備檢驗檢測院）