孫學(xué)禮，黃國健，劉英杰，何 山，彭啟鳳

(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663)

一種無載的電梯平衡系數(shù)檢測(cè)方法及其實(shí)現(xiàn)

孫學(xué)禮，黃國健，劉英杰，何 山，彭啟鳳

(廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663)

針對(duì)現(xiàn)行電梯平衡系數(shù)測(cè)試方法(電流-載荷曲線法)效率低、成本高和精度差的問題，提出了一種新的平衡系數(shù)檢測(cè)方法，并研制了相應(yīng)的裝置。電梯平衡系數(shù)是反映轎廂和對(duì)重質(zhì)量關(guān)系的一個(gè)比例值，測(cè)出轎廂及對(duì)重質(zhì)量即可得出電梯平衡系數(shù)。根據(jù)電梯平衡系數(shù)定義開發(fā)的檢測(cè)裝置，在夾持住轎廂(對(duì)重)上方一端鋼絲繩組后，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)T型絲桿將鋼絲繩組張力轉(zhuǎn)移到力傳感器上，因鋼絲繩張力等于其懸掛重物質(zhì)量，讀取力傳感器值即可得出轎廂的(對(duì)重)質(zhì)量。該裝置在試驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)作了大量測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼絲繩組所懸掛重物質(zhì)量測(cè)量誤差在0.005以內(nèi)。該裝置適用于鋼絲繩牽引且無補(bǔ)償繩的曳引式電梯，可測(cè)量的梯型占曳引式電梯90%以上?，F(xiàn)行電梯檢測(cè)過程中，超載開關(guān)驗(yàn)證也需搬運(yùn)砝碼，故計(jì)劃改進(jìn)檢測(cè)裝置，使其既可測(cè)出電梯平衡系數(shù)的值，又能驗(yàn)證電梯超載開關(guān)的有效性。

電梯平衡系數(shù)； 電流-載荷曲線法； 伺服電機(jī)； 鋼絲繩張力； 曳引式電梯

0 引言

曳引驅(qū)動(dòng)理想的情況是曳引輪兩端懸掛物質(zhì)量相等，但由于轎廂內(nèi)負(fù)載的大小是經(jīng)常變化的，而對(duì)重在電梯安裝調(diào)試完畢后已經(jīng)固定，不能隨時(shí)改變，因此很難實(shí)現(xiàn)。為使電梯的運(yùn)行基本接近理想的平衡狀態(tài)，就要選擇一個(gè)合適的系數(shù)反映轎廂質(zhì)量、對(duì)重質(zhì)量及額定載荷間的關(guān)系。該系數(shù)稱為電梯平衡系數(shù)。

現(xiàn)行檢規(guī)中的平衡系數(shù)檢測(cè)方法是“電流-載荷曲線法”。該方法需要反復(fù)搬運(yùn)砝碼，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)時(shí)間長，且在測(cè)量過程中存在多處易產(chǎn)生誤差環(huán)節(jié)，影響其數(shù)值的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性[1-10]。

針對(duì)現(xiàn)行檢測(cè)方法的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種直接稱重空載轎廂、對(duì)重質(zhì)量的平衡系數(shù)檢測(cè)儀。該儀器通過測(cè)量鋼絲繩張力，求得轎廂、對(duì)重質(zhì)量，代入平衡系數(shù)定義公式，最后得到電梯平衡系數(shù)[11]。

1 裝置測(cè)量原理

1.1 定義法實(shí)現(xiàn)原理

電梯在停止?fàn)顟B(tài)下，轎廂側(cè)、對(duì)重側(cè)上端鋼絲繩所受張力即為轎廂、對(duì)重質(zhì)量。定義法即測(cè)量鋼絲繩張力，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 定義法測(cè)量原理圖

測(cè)量時(shí)，將轎廂、對(duì)重升至同一高度，在轎廂(對(duì)重)上方選取一段鋼絲繩組，將固定夾繩裝置1、夾繩裝置2于鋼絲繩上，以夾繩裝置1為支撐，利用伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)T型絲桿提升夾繩裝置2，使其中間所夾鋼絲繩組松弛不受力。此時(shí)夾繩裝置1與夾繩裝置2間鋼絲繩的張力轉(zhuǎn)移到夾繩裝置上，作用在夾繩裝置1處為向下拉力，作用在夾繩裝置2上為向上拉力。該力由傳感器測(cè)出，其值即為轎廂(對(duì)重)的質(zhì)量[12]，轎廂(對(duì)重)質(zhì)量除以常數(shù)重力加速度g即可得轎廂(對(duì)重)的質(zhì)量。

平衡系數(shù)檢測(cè)儀操作的位置可在轎頂，也可在機(jī)房。當(dāng)機(jī)房鋼絲空間足夠時(shí)(曳引輪兩端鋼絲繩長≥350 mm)，將轎廂、對(duì)重升至同一高度，安裝平衡系數(shù)檢測(cè)儀，分別測(cè)出轎廂側(cè)質(zhì)量G1、對(duì)重側(cè)質(zhì)量W1。假設(shè)從曳引輪處到轎廂、對(duì)重處的鋼絲繩質(zhì)量分別為M1、M2，電梯轎廂、對(duì)重質(zhì)量分別為G、W，則G1=G+M1，W1=W+M2。由于轎廂、對(duì)重停在同一高度，M1=M2，代入平衡系數(shù)定義公式得到：

(1)

1.2 絲桿提升扭矩計(jì)算

提升夾繩裝置2的力，可由液壓系統(tǒng)提供，也可由絲桿提供。該方案絲桿選用梯形絲桿。絲桿是工具機(jī)械和精密機(jī)械上常用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復(fù)作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。而梯形螺紋牙根強(qiáng)度高、對(duì)中性好，相比其他的螺紋更耐磨，且螺紋升角小于5°時(shí)具有自鎖功能。驅(qū)動(dòng)螺母力矩如式(2)所示：

Mq=Mt1+Mt2+Mt3

(2)

式中：Mq為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Mt1為螺紋摩擦力矩；Mt2為螺旋傳動(dòng)軸向支撐面摩擦力矩；Mt3為螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩。

設(shè)計(jì)中，在支撐面加入推力軸承與深溝球軸承，將螺旋傳動(dòng)軸向支撐面摩擦力矩Mt2、螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩Mt3對(duì)系統(tǒng)的影響降到很小，在此將其忽略，故Mq的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為:

（2）試驗(yàn)材料 鋼制安全殼材質(zhì)為SA738Gr.B，其為美國ASME規(guī)范中的牌號(hào)，隨著中國三代核電技術(shù)的引進(jìn)、消化和再創(chuàng)新，目前我國已經(jīng)具備SA738Gr.B鋼板的自主制造生產(chǎn)技術(shù)。本文所用材料即為國內(nèi)某鋼廠研制的S A738G r.B鋼板，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)（淬火+回火）狀態(tài)，板材規(guī)格為400mm×800mm×52mm，主要化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。

Mq≈Mt1

(3)

(4)

d2=d-0.5P

(5)

(6)

(7)

式中：d2為外螺紋中徑；F為螺旋傳動(dòng)的軸向載荷；λ為螺紋升角；ρ′為當(dāng)量摩擦角；d為外螺紋大徑(公稱直徑)；P為螺距；s為導(dǎo)程；f為摩擦因數(shù)；α為槽型夾角。

2 部件介紹

平衡系數(shù)檢測(cè)儀(balance coefficient measuring instrumont,BCMI)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡系數(shù)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖

該檢測(cè)儀由左、右兩部分組成。閑置、搬運(yùn)時(shí)，左、右兩部分單獨(dú)存放；測(cè)量時(shí)，左、右兩部分通過螺栓、螺母固定于電梯曳引鋼絲繩上。

平衡系數(shù)檢測(cè)儀單側(cè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)、減速機(jī)固定在上夾塊，內(nèi)襯塊固定于夾塊中，直接與鋼絲繩接觸。左、右兩側(cè)T型絲桿的螺紋不同向。提升時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)也不同向，但轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)的角度相等。為了增加在機(jī)房測(cè)量的可行性，連接絲桿配有不同的規(guī)格。當(dāng)測(cè)量空間有限且電梯曳引鋼絲繩直徑較小時(shí)，可選用短型的連接絲桿。

圖3 平衡系數(shù)檢測(cè)儀單側(cè)結(jié)構(gòu)圖

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置

本文所述驅(qū)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)、連接法蘭及連接軸組成。伺服電機(jī)具有高速、高精度的特點(diǎn)。其采用位置控制模式，即以輸入脈沖數(shù)來控制位置、以輸入脈沖的頻率來控制速度，能夠滿足電梯平衡系數(shù)檢測(cè)的要求。伺服電機(jī)控制器采用STM32+TLP181組成的電路，STM32的GPIO端口可直接控制光電耦合器TLP181產(chǎn)生脈沖，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和角度；光電耦合將控制電路與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器隔離開來，避免了外界對(duì)控制電路的干擾；為了保持兩側(cè)電機(jī)同步，采用同一信號(hào)源進(jìn)行控制，即兩側(cè)電機(jī)所接收到的為同一信號(hào)；在伺服驅(qū)動(dòng)器處，設(shè)置一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)、另一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使電機(jī)在電梯曳引鋼絲繩上產(chǎn)生的扭力相互抵消。所選用的安川伺服電機(jī)的尺寸約為40 mm×40 mm×77 mm，質(zhì)量約為0.4 kg，其額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定輸出扭矩為0.31 N·m。當(dāng)采用100∶1的諧波減速機(jī)減速后，額定輸出扭矩為31 N·m。根據(jù)前文可知，提起1 t重物需25 N·m，故選用2套100 W電機(jī)、100∶1諧波減速機(jī)，其可提升重物的質(zhì)量理論上大于2 t。該提升質(zhì)量在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

2.2 夾塊及內(nèi)襯塊

為避免平衡系數(shù)測(cè)量過程中對(duì)電梯曳引鋼絲繩造成損傷，采用硬度較小的內(nèi)襯塊與鋼絲繩直接接觸，內(nèi)襯塊嵌在夾塊凹槽內(nèi)；內(nèi)襯塊的繩槽規(guī)格與曳引繩直徑對(duì)應(yīng)，即不同直徑的鋼絲繩對(duì)應(yīng)不同規(guī)格的內(nèi)襯槽，繩槽最多為8個(gè)；內(nèi)襯塊材料選用安全耐磨的高分子材料，在保證鋼絲繩安全的前提下，又與鋼絲繩有足夠的摩擦力，摩擦系數(shù)≥0.35。

夾塊分為上夾塊、下夾塊，上、下夾塊各有左、右兩塊，其兩側(cè)設(shè)有安裝耳，安裝耳上設(shè)有安裝通孔。左、右夾塊通過螺桿螺母安裝一起，螺桿選用M16 12.9級(jí)規(guī)格；上夾塊固定有驅(qū)動(dòng)裝置，且裝有深溝軸承與推力軸承，用于減少T型螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與支撐面的摩擦力；夾塊按提升2 t重物設(shè)計(jì)，材料選用42CrMo。

3 檢測(cè)儀測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 搭建試驗(yàn)平臺(tái)

模擬電梯現(xiàn)場(chǎng)曳引鋼絲繩的試驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。該平臺(tái)由上拉板、下拉板、電梯曳引鋼絲繩、吊環(huán)等組成。其中：上、下拉板有8個(gè)繩頭孔，最多可放置8根鋼絲繩；電梯曳引鋼絲繩有Ф8 mm、Ф10 mm、Ф12 mm、Ф13 mm、Ф16 mm等規(guī)格；繩頭可在拉板繩孔處進(jìn)行上下調(diào)節(jié)；上拉板的吊環(huán)通過扁平吊帶吊在起重機(jī)吊鉤處；下拉板的吊環(huán)通過扁平吊帶吊起2 t砝碼。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 提升試驗(yàn)

操作起重機(jī)，通過試驗(yàn)平臺(tái)，吊起2 t砝碼。安裝電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀，開啟控制器，向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖，使伺服電機(jī)以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)90 000°，電機(jī)停止。由于諧波減速機(jī)的減速比為100∶1，諧波減速器的輸出端旋轉(zhuǎn)了900°。T型紋螺桿的螺距為2 mm，此時(shí)平衡系數(shù)檢測(cè)儀的下夾塊向上移動(dòng)了5 mm，上、下夾塊間的鋼絲繩已經(jīng)處于松弛狀態(tài)，讀取S型拉力傳感器的值。同理，分別吊起1 000 kg、500 kg、20 kg的砝碼進(jìn)行試驗(yàn)，所得提升試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 提升試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行提升試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)采用了5根Ф10 mm電梯曳引鋼絲繩。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，平衡系數(shù)檢測(cè)儀對(duì)砝碼的稱重誤差控制在0.001 6以內(nèi)(使用現(xiàn)場(chǎng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 kg，故20 kg的誤差不考慮在內(nèi))；1 t的重復(fù)性誤差為0.7 kg，2 t的重復(fù)性誤差為0.9 kg，都在可接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

根據(jù)電梯平衡系數(shù)定義，測(cè)出空載轎廂質(zhì)量、對(duì)重質(zhì)量，再將已知的電梯額定載荷代入平衡系數(shù)公式，即可得到電梯平衡系數(shù)的值。該方法原理簡(jiǎn)單、直接，沒有過多中間環(huán)節(jié)、參數(shù)設(shè)定，減小了誤差產(chǎn)生的可能性；檢測(cè)過程為無載檢測(cè)，無需搬運(yùn)砝碼；由于不改變曳引輪兩側(cè)的受力分布，且提升距離較短(≤20 mm)，安全可靠；與鋼絲繩接觸的內(nèi)襯塊，選用高分子材料，且各種直徑的鋼絲繩，有相應(yīng)的繩槽與之對(duì)應(yīng)，將對(duì)鋼絲繩的損傷降低到最小。

采用伺服電機(jī)加諧波減速機(jī)作為提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有體積小、質(zhì)量輕、同步性好的特點(diǎn)。相比于液壓驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在提升性能的同時(shí)又提高了設(shè)備的便攜性和安裝的簡(jiǎn)便性，并在提升過程中，無需人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了電梯平衡系數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。

[1] 錢宇,朱翠芳.電梯平衡系數(shù)無載檢測(cè)的研究[J].中國電梯,2008,19(5):31-33.

[2] 郭琦,彭仁東,陳曙光,等.無載荷工況電梯平衡系數(shù)測(cè)量方法的應(yīng)用[J].中國特種設(shè)備安全,2007,23(4):1-4.

[3] 趙國先.電梯平衡系數(shù)無載測(cè)試技術(shù)探討[J].中國電梯,2007,18(5):55-58.

[4] 趙國先,萬蒞新.簡(jiǎn)述電梯平衡系數(shù)無載測(cè)試儀的研制[J].中國電梯,2004,15(20):41-42.

[5] 安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院,安徽中科智能高技術(shù)有限責(zé)任公司.電梯平衡系數(shù)智能測(cè)試儀:CN200520070660.3[P].2006-08-02.

[6] 吳予馨.曳引電梯平衡系數(shù)及其檢測(cè)方法研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2010,23(2):101-103.

[7] 楊鵬.靜態(tài)質(zhì)量差二次稱重法直接測(cè)試電梯平衡系數(shù)[J].中國特種設(shè)備安全,2008,24(9):34-39.

[8] 劉正保.電梯平衡系數(shù)平衡差值測(cè)量法[J].中國特種設(shè)備安全,2008,24(4):13-15.

[9] 石成江,趙玉柱,車怡蕾,等.電梯平衡系數(shù)測(cè)試儀的開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(6):84-85.

[10]王健.電梯平衡系數(shù)的扭矩測(cè)試法及其測(cè)試裝置:CN200810014550.3[P].2008-07-23.

[11]安徽中科智能高技術(shù)有限責(zé)任公司.一種電梯平衡系數(shù)的測(cè)量方法:CN200510075623.6[P].2005-11-16.

[12]廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院.一種基于絲桿拉升式的電梯空載平衡系數(shù)檢測(cè)裝置:CN201610158430.5[P].2016-08-31.

MethodandImplementationoftheBalanceCoefficientDetectionforUnloadedElevator

SUN Xueli，HUANG Guojian，LIU Yingjie，HE Shan，PENG Qifeng

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing,Guangzhou 510663，China)

In view of the disadvantages of current testing method (current-load curve method) of elevator balance coefficient,such as low efficiency,high cost and poor precision,a new testing method of elevator balance coefficient has been put forward and the corresponding device has been developed.The elevator balance coefficient is a proportional value that reflects the mass relationship between the car and the counterweight; by measuring mass of car and counterweight,the elevator balance coefficient can be obtained.The new testing device is developed according to the definition of elevator balance coefficient.After fixing clamps on a group of wire ropes’ above the car or counterweight,the servo motors drive T screw to transfer the wire ropes’ tension to force sensors.Because the wire rope tension is equal to the mass of hanging heavy objects,the value of sensors measured can conclude the mass of car and weight.A large number of tests have been done in lab and field,the test results show that the measurement error for mass of the hanging heavy objects is within 0.005.The device is suitable for the wire rope traction elevator without compensation rope,and the measurable elevator types occupy more than 90 percent of the traction elevators.Currently,the process of verification for the overload switch also needs weights,so the device will be modified.The improved device can not only test the balance coefficient,but also can verify the validity of the overload switches of elevator.

Elevator balance coefficient; Current-load curve method; Servo motor; Wire -rope tension; Traction type elevator

TP216;TH-39

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709015

修改稿收到日期:2017-04-14

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技基金資助項(xiàng)目(2016PT01)、廣州市科技創(chuàng)新委員會(huì)科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2015109010008)

孫學(xué)禮(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事檢測(cè)儀器開發(fā)方向的研究。E-mail:641302712@qq.com。