基于定义法的电梯平衡系数丝杆提升检测装置的研究

孙学礼 黄国健 刘英杰 何 山 鹏启凤 陈 诲 刘文琴

（广州特种机电设备检测研究院 广州 510663）

基于定义法的电梯平衡系数丝杆提升检测装置的研究

孙学礼 黄国健 刘英杰 何 山 鹏启凤 陈 诲 刘文琴

（广州特种机电设备检测研究院 广州 510663）

电梯平衡系数是曳引式电梯的重要性能指标，关系到电梯的性能及安全。我国现行的法规要求，新装曳引式电梯、改变了平衡系数的改造梯电梯都要进行平衡系数测试，而现行电梯平衡系数测试方法存在效率低和检测成本高的问题，本文给出一种基于定义法的电梯平衡系数丝杆提升检测装置实现，即利用丝杆提升，依次测出轿厢重量、对重重量，再代入额定载荷、曳引比，求出电梯平衡系数，该方法适用于所有类型的曳引式电梯，测量过程无需载荷，简单便捷，精度高，可重复性好。本文中涉及的电梯平衡系数检测设备，已在现场做了大量的实验，结果稳定可靠。

电梯平衡系数 曳引式电梯 定义法 丝杆

电梯的驱动有曳引驱动、强制驱动、液压驱动等多种方式，曳引驱动是现代电梯应用最普遍驱动方式。曳引电梯的轿厢与对重通过钢丝绳分别悬挂于曳引轮的两侧，轿厢与对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮的绳槽内。电动机转动时由于曳引轮的绳槽曳引钢丝绳的摩擦力，带动钢丝绳使轿厢与对重作相对运动，轿厢在井道中沿导轨上下运行。

曳引驱动最理想的情况是曳引轮两端悬挂物重量相等，但由于轿厢内负载的大小是经常变化的，而对重在电梯安装调试完毕后已经固定，不能随时改变，为使电梯的运行基本上接近于理想的平衡状态，所以，就要选择一个合适的平衡系数。电梯的平衡系数k定义如下：

式中：

W ——对重重量；

G ——轿厢自重；

Q ——额定载荷重量；

k ——平衡系数。

当平衡系数k的值在0.4～0.5之间，对重能最大限度的平衡轿厢及轿内负载重量。现行检规中规定的平衡系数检测方法是“电流—载荷曲线法”。该方法是一种需要载荷的测试方法，要求轿厢分别承载30%、40%、45%、50%、60%额定载荷，进行沿全程直驶运行，分别记录轿厢上下行至同一水平面时的电流值，然后做电流—载荷曲线确定平衡系数。该方法已经沿用几十年，技术成熟，测试结果得到普遍认可；但该方法需要反复搬运砝码，劳动强度大，作业时间长，且在测量过程中，存在多处易产生误差环节，如电压波动、记录电流的时间点、曲线图绘制等等，这些环节影响其数值的准确性和可重复性[1-10]。

基于定义法的电梯平衡系数检测是一种无载的检测方法，即依次测出轿厢重量、对重重量，再带入额定载荷、曳引比，求出电梯平衡系数。基于此原理，笔者设计一种直接称重空载轿厢、对重重量的平衡系数检测仪，该仪器利用测量钢丝绳张力求得轿厢、对重重量，代入平衡系数定义公式中，求得电梯平衡系数[11]。

1 装置测量原理

电梯在停止状态下，轿厢侧、对重侧上端钢丝绳所受张力即为轿厢、对重重量，定义法即测量出钢丝绳张力，测量原理如图1所示：将轿厢、对重停至同一高度，在轿厢（对重）上方选取一段钢丝绳，固定夹绳装置1,夹绳装置2，以夹绳装置1为支撑，提升夹绳装置2，使其中间所夹钢丝绳松弛不受力，该时提升夹绳装置2的力即为电梯钢丝绳的张力，也是轿厢（对重）的重量[12-17]。

平衡系数检测仪操作的位置可在轿顶，也可在机房操作。当机房钢丝空间足够时（曳引轮两端钢丝绳长≥350mm），将轿厢、对重开至同一高度时，安装平衡系数检测仪，分别测出轿厢侧重量G1、对重侧重量W1，假设从曳引轮处到轿厢、对重处的钢丝绳重M1、M2，则G1= G+M1，W1=W+M2，由于轿厢、对重停在同一高度，M1=M2，代入平衡系数定义公式得式（1）。

图1 称重法实现原理

提升夹绳装置2的力，可由液压系统提供，也可由丝杆提供。该方案丝杆选用梯形丝杆，丝杆是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。而梯形螺纹牙根强度高，中性好，相比其他的螺纹更耐磨，且螺纹升角小于5°时具有自锁功能，结构如图2所示，驱动螺母力矩如式（2）所示：

式中：

Mq——驱动转矩；

Mt1——螺纹摩擦力矩；

Mt2——螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩；

Mt3——螺旋传动径向轴承摩擦力矩。

图2 梯形螺纹示意图

在产品设计中，笔者在支撑面加入推力轴承与深沟球轴承，将螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩Mt2、螺旋传动径向轴承摩擦力矩Mt3对系统的影响降到很小，在此将其忽略，故Mq的计算公式可简化为：

式中：

F ——螺旋传动的轴向载荷；

λ ——螺纹升角；

ρ′ ——当量摩擦角；

s ——导程；

f ——摩擦因数；

α ——槽型夹角。

根据公式可得，提升1t重物时，所需驱动扭矩约为25000N·mm。

2 部件介绍

平衡系数检测仪结构如图3所示，由左右两侧部分组成，单侧如图4所示，重约3.25kg，通过四套螺栓、螺母左右两侧连接成一个整体。单侧由上夹块、下夹块、内衬块、T型纹螺杆、T型纹螺母、S型拉力传感器、连接丝杆等组成。其中内衬块有多种规格，开有不同直径和数量的绳槽，分别对应不同的规格及根数的钢丝绳。连接丝杆的长度可根据钢丝绳直径的不同，进行选取，以降低对钢丝绳段长度的要求，增加在机房操作的可能性。

图3 平衡系数检测仪

图4 平衡系数检测仪单边

图5夹块夹持面中心位置设有凹槽，图6内衬块嵌在夹块凹槽内，由内衬块夹持住曳引绳。内衬块的绳槽规格与曳引绳直径对应，即不同直径的钢丝绳对应不同规格的内衬槽，绳槽最多为8个；内衬块材料选用高分子材料，在保证钢丝绳安全的前提下，与钢丝绳有一定的摩擦系数，摩擦系数≥0.35。

图5 夹块

图6 内衬块

夹块分为上下，上下夹块各有左右两个，夹块两侧设有安装耳，安装耳上设有安装通孔，左右夹块通过螺杆螺母安装一起，螺杆选用M 16 12.9级规格；上夹块装有轴承，用于减少T型螺母转动时与支撑面的摩擦力；夹块按提升2t重物设计，材料选用42CrMo。

3 钢丝绳损毁程度探伤实验

由于该基于称重法的平衡系数检测仪需夹持钢丝绳，为验证是否对钢丝绳造成了损伤，用夹具对钢丝绳进行夹持，加力到90N·m（在实验平台，夹具上的力加到90N·m时，可提升2t砝码），在夹持位置做标记。尔后使用TCK钢丝绳损伤定量检测系统对钢丝绳进行测试，TCK钢丝绳损伤定量检测系统包括弱磁加载仪、钢丝绳探伤仪。

在加载夹块前后，分别做两次探伤，对比其区别。对比结果如图7、图8所示：

图7 夹持前TCK曲线

图8 加持后曲线

本实验夹持位置位于2.97至3.2m处，从图7，图8中可以看出，夹持几乎没有对钢丝绳造成损伤。

4 检测仪测试结果及分析

测试对象为日立HGP永磁同步曳引机驱动电梯，额定载荷1000kg，额定速度1m/s，分别按“电流法”和“称重法”进行测量。“电流法”的测量位置位于轿厢和机房，如图9所示，“称重法”测量位置位于井道，如图10所示。测试过程中，下夹块只需向上移动5mm，上下夹块夹持段的钢丝绳即松弛，由于T型丝杆的螺距为2mm，即螺母旋转2.5圈即可，上夹块所显出的螺纹由5个变为2.5个。提升过程中，螺母每次旋转180°，以保证左右两边偏差不会造成丝杆的损坏。两种测试方法获得的平衡系数测试结果十分接近，“电流法”测量结果为0.389，测试时间35min；“称重法”测量结果为0.388，测试时间12m in。

测试由日立电梯（中国）有限公司、广州市辉卓机电工程有限公司相关人员进行了协助和观摩，“电流法”测试操作人员为4人，“称重法”测试操作人员2人。

图9 电流法

图10 称重法

通过比对实验，“称重法”在测量精度、现场检测时间与劳动强度等方面的优越性得到了明确、具体的展现。

5 结束语

根据定义法，称重空载轿厢与对重，代入平衡系数定义公式，原理简单、直接，没有过多中间环节、参数设定，减小了误差产生的可能；检测过程为无载检测，无需搬运砝码；设备单侧重3.25kg，总体不超过7kg，两人即可操作，测量时间10m in左右，省时省力；测量误差在±0.5%以内。

根据定义法设计的平衡系数检测仪，由于不改变曳引轮两侧的受力分布，且提升距离较短（≤20mm），安全可靠；与钢丝绳接触的内衬块，选用高分子材料，且各种直径的钢丝绳，有相应的绳槽与之对应，将对钢丝绳的损伤降低到最小。经过对比、实验、现场应用，该方法大大优于传统的检测方法。

参考文献

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[3] 赵国先．电梯平衡系数无载测试技术探讨[J]．中国电梯，2007，18(5)：55-58.

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[17] 广州特种机电设备检测研究院．电梯平衡系数检测装置及检测方法[P]．中国：CN201210121058，2014-02-26.

A Lead Screw Driving Elevator Balance Coefficient Detection Device Development Based on the Definition Method

Sun Xueli Huang Guojian Liu Yingjie He Shan Peng Qifeng Chen Hui Liu Wenqin
(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing Guangzhou 510663)

The elevator balance coeff cient is one of the important performance parameters of the traction type elevator, relating to the safe operation of the lift. Every installed traction elevator and modifed elevator which changed the balance coeff cient should be tested whether the elevator balance coeff cient is proper. The existing elevator balance coeff cient testing instruments have problems w ith low eff ciency and high cost. According to the defnition of elevator balance coeff cient, we developed a new balance coeff cient measurement droved by screw. We take the measurement to test the car’s weight and counterweight’s weight, and then we can get the balance coeff cient by taking the car’s weight, counterweight’s weight, rated load and traction ratio into a formula. The measurement can test all kinds of elevators w ithout loading. At present, the measurement has been tested under different conditions, and the consequence is closed to the real data.

The elevator balance coeff cient Traction type elevator Defnition method Lead screw

X 941

B

1673-257X(2017)06-0017-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.06.005

孙学礼（1982～），男，硕士，工程师，从事检测仪器开发，包括电气设计、机械设计、控制编程等工作。

孙学礼，E-mail: 641302712@qq.com。

2016-12-29）