电梯超速保护装置的相关探讨

马发朝

（广东康力电梯有限公司，广东 中山 528400）

随着社会的不断进步，高层建筑逐渐增多，电梯增长量逐步变大，成为人们生活中不可或缺的交通工具，所以保证其安全可靠运行至关重要。安全钳是电梯安全系统的重要部分，其工作的有效性直接影响到乘客的生命安全。在国家新标准《电梯制造与安全规范》（GB 7588—2003）中明确要求电梯安装超速保护装置，并进行了强制性规定。因此，对电梯超速保护装置的研究就显得尤为重要。

1 电梯安全钳的结构设计

根据双楔块渐进式安全钳的工作原理，对客运电梯轿厢超速保护用安全钳进行结构设计与参数确定。安全钳由钳座1、固定楔块2、U形板簧3、提拉杆4、调节螺栓螺母5、导板6、钳块7、调节螺母8等组成，安装在轿厢底部，随轿厢一起沿导轨方向同步上下运动。电梯正常运行时，安全钳的制动块在重力的作用下位于正常位置，钳块和导轨工作面之间留有一定的间隙。当电梯轿厢的运行速度超过额定速度的1.15倍时，安全钳工作，限速器被触发，配套的限速器使限速轮停转，通过轮槽和绳缆之间产生的摩擦力提升安全钳的提拉杆4，带动钳块7与导轨工作面接触，当钳块与导轨工作面接触后，依靠摩擦力使钳块7相对于钳座1继续向上移动，通过固定楔块2与U形板簧3产生对轿厢的夹紧力，最终依靠钳块2与导轨工作面之间的摩擦力和U形板簧的弹性力使电梯制停在导轨上。由于钳块7与固定楔块2之间有滑移，且含有弹性元件U形板簧，所以，在制停轿厢时冲击力大大减小。

2 安全钳部分参数确定

2.1 安全钳固定楔块和钳块角度确定

取客运电梯额定载重P=1 000 kg，根据GB 7588—2003电梯制造与安装安全规范的规定，取自重系数为1.6，确定电梯轿厢的自重Q=1 600 kg。假设绳缆因疲劳原因发生断裂，轿厢自由下坠，触发电梯安全钳动作，电梯轿厢被制停在导轨上。则此时作用在钳块上的力为U形板簧对导轨提供的正压力FN和导轨工作面反作用在钳块表面的压力所产生的制动力FZ.为了确保轿厢内的乘客安全，电梯额定运行速度按2 m/s计算，设安全钳动作时的速度为电梯额定运行速度的115%，电梯轿厢制停后速度vt=0，制停距离为S，制停减速度为a，则：

其中，v0=2.0×115%=2.3 m/s。经计算得a=－7.56 m/s2，取a=－7 m/s2，代入式（1）得S=0.38 m。

根据牛顿第二定律ΣF=Σm·a，得：

将相关参数代入式（2），计算得FZ=43 700 N。根据能量守恒定律，电梯安全钳动作前动能和势能的总和E为：

将相关参数代入式（3），计算得E=16 600 N·m。

根据电梯轿厢的受力情况可得：

式（4）中：μ为钳块与导轨工作面之间的动摩擦系数，取0.20.

则：

将相关参数代入式（5），计算得FN=54 630 N。设轿厢的总重力为Mg（包括轿厢的自重和额定载重，M为满载轿厢的质量），钳块的楔角为α，根据轿厢平衡时竖直方向的受力情况可得：

将相关参数代入式（6），计算得tanα=0.23。即α≈13°。

这是安全钳钳块能够自锁在导轨上的极限情况下的角度值。考虑实际情况，安全钳在安装过程中，要求钳块与工作面之间的距离为2～3 mm。为了保证安全钳在正常运行中不会误动作和制动时的减速度，设计钳块与导轨间的间距为2 mm，取楔角α=8°。

2.2 安全钳固定楔块和钳块高度确定

设钳块从电梯正常运行时的初始位置上升到安全钳工作时钳块与导轨接触的运动距离为h1，h1=2tan8°=14.23 mm。根据Solid Works Siulation的分析得，U形板簧的单侧位移量达1.61 mm，固定楔块发生横向位移的距离为1.61 mm，使得钳块与固定楔块在竖直方向产生相对位移h2，h2=.安全钳在初始位置安装时，钳块的顶面与固定楔块底面之间的距离h3约为45 mm。钳块夹紧导轨后，上方仍应预留一段距离，以防在超速过多的情况下钳块不能有效地卡住导轨而产生失效，取预留距离h4=25 mm。则固定楔块的高度h=h1+h2+h3+h4=95.68 mm，取h=100 mm。

安全钳的钳块动作时由提拉杆提起，所以对钳块质量和尺寸有所限制，由于钳块的上表面与固定楔块下表面的距离h3=45 mm，所以取钳块的高度h=60 mm。装配后，调整钳块的高度，从而确保钳块与导轨的工作面间距为2 mm。

3 安全钳固定楔块和钳块有限元分析

根据上文计算的参数进行固定楔块和钳块的建模，钳块由动楔块和制动块装配而成。进一步对其进行有限元仿真，固定楔块和动楔块的材料选用40Cr，制动块材料选用20CrNiMo，材料属性如表1所示。

对固定楔块的斜面施加固定几何体约束，对固定楔块与安全钳钳座上板接触面施加电梯额定载重和自重之和，对固定楔块与U形板簧的接触面施加大小为54.63 kN的均布力，将网格参数中的标准网格改为基于曲率的网格。计算分析得出的安全钳固定楔块的应力、合位移、应变和安全系数分布云图，可知双楔块渐进式安全钳固定楔块的最大应力集中在钳块与固定楔块接触面的顶部，其大小为340.9 MPa，小于40Cr的屈服强度785 MPa；最大合位移为2.237 mm×10－2mm，最大应变为1.137 mm×10－3mm，位移量和应变都较小，几乎可忽略，因此，满足本安全钳的设计和工作要求。对动楔块的楔面施加固定几何体约束，对制动块施加正压力和竖直向上的摩擦力，在划分网格前设置好连接件的连接作用，添加螺钉连接。钳块最大应力为202 MPa，未超过20CrNiMo和40Cr的屈服强度；钳块的最大合位移为9.823 mm×10－3mm，最大应变为6.293 mm×10－4mm，产生的合位移、合应变都很小，因此，其满足本安全钳的设计和工作要求。

表1 20CrNiMo和40Cr的材料属性

4 结论

综上所述，电梯是我们现代日常生活中不可或缺的一项运送工具，在方便我们生活的同时，也给我们的人身安全带来了隐患。加强电梯的下行超速保护装置措施是防止电梯出现下行超速的有效方法。在实施过程中，不仅要掌握轿厢下行超速保护装置的组成、动作速度、制停减速度和作用方式等，还要对轿厢下行超速保护装置以及相关的底坑缓冲器、顶部间距安全性作综合考虑。只有这样，轿厢下行超速保护装置才能对下行轿厢的速度失控起到保护作用。针对自重1 600 kg、额定载荷1 000 kg、额定运行速度为2 m/s的电梯，设计了相应的超速保护装置。通过Solid Works Simulaton插件对楔块和固定钳块进行静力学的有限元分析，结果表明设计满足材料强度要求，可为电梯轿厢超速保护装置提供参考。

参考文献：

［1］陈煜华，钟志权.浅谈电梯轿厢上行超速保护装置［J］.大科技，2015（31）.

［2］郑明华.电梯轿厢上行超速保护装置类形及检验方法［J］.建材发展导向（上），2016（02）.

［3］赵参宇.电梯轿厢上行超速保护装置浅析［J］.机电信息，2015（30）.