基于电梯开关门新型安全保护装置研究与设计

徐祝青 张今朝 张锐 杨小泽

摘 要：电梯门锁结构中电气触头常会出现短接等问题，导致电梯门还未完全关闭，电梯便开始运行，从而引发了剪切事故和坠落事故。针对这些问题提出了一种新安全保护装置，本装置采用增加一个有高速开关二极管控制的电路与电气触头形成一种双重保障，从而保证电梯安全有效的运行。

关键词：电梯；门机系统；电气触头；高速开关二极管

中图分类号：TP23 文献识别码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0046-04

Abstract： The electrical contact in the structure of elevator door lock often has problems like short circuit and so on， which leads the elevator door to be not completely closed， and the elevator will start to run， thus causing the shear accident and fall accident. Aiming at these problems， a new kind of safety protection device is put forward. In this device， an additional circuit controlled by high speed switch diode and electric contact are added to form a kind of double guarantee， so as to ensure the safe and effective operation of the elevator.

Keywords： elevator； door crane system； electrical contact； high-speed switch diode

引言

隨着人们生活水平的提高以及高层建筑的发展，电梯的应用越来越广泛，同时对电梯的要求也越来越高，其中包括可靠性和安全性方面的要求。门机系统是电梯运行过程中出现问题最多的部分，其性能的好坏直接影响电梯的整体效果。

目前客梯中绝大部分都是采用电梯安全开关和门电气联锁开关串联形成的一条门锁回路，当该回路开路时则电梯无法正常运行，从而起到保护作用。目前该回路已趋向完善，门锁开关触点的抖动也可通过RC电路、RS触发器等克服抖动干扰[1]。但是该回路过于单一，一旦某一环节出现问题，极易引发剪切，碰撞、坠落井道等事故。

本文在此基础上，用二极管特有的单向导电性质，做进一步的改进可做安全开关装置来使用。此装置可以加强电梯的自诊断功能，对骄厢门与层门的关闭和开启协调性有了进一步安全保障。

1 门机系统主要功能与原理

电梯门系统可以分为两种，装在井道入口层站处的为层门，装在轿厢入口处的为轿厢门。层门和轿厢门按照结构形式可分为中分门、旁开门，垂直滑动门、铰链门等。电梯层门和轿厢门一般由门、导轨架、滑轮、滑块，门框、地坎等部件组成。门一般由薄钢板制成，为了使门具有一定的机械强度和刚性，在门的背面配有加强筋。

轿、层门是无孔的门，净高度不得小于2m。自动层门的外表面不应有大于3mm的凹进或凸出部分（三角形开锁处除外）。这些凹进或凸出的部分边缘应在两个方向上倒角。装有门锁的层门应具有一定的机械强度。在水平滑动门的开启方向，以150N的人力（不用工具）施加在一个最不利点上时，门扇之间及门扇与立柱、门楣之间的间隙不得大于30mm。

目前，许多电梯都使用如图1所示的门锁回路。此电路将厅门锁、轿门锁回路串联作为一个检测信号，送到控制回路，作为运行的必要条件之一。从电路本身来看，是符合国家标准的，即如果一个层门或多扇层门中的任意一扇门开着，在正常操作情况下，应不能启动电梯或保持电梯继续运行。然而当门锁继电器JMS出现故障时，例如继电器机械卡组故障、继电器触头粘连、在断开继电器线路时线圈仍带有一定电压没有释放等，门锁对剪切的保护将失去，以致产生电梯开门运行的情况[2]，这样就会产生剪切等事故，不符合安全运行的要求。

据不完全统计，电梯门系统故障与事故占电梯故障与事故80%以上[3]。电梯门系统故障种类较多，如门不能关闭或打开，反复关闭不到位后又重开，未关闭完全或未关闭前即走梯，运行中非正常停梯、关门后不走梯、停梯后突然走梯，门滚轮磨损、自动关闭失效以及门滑块松动或缺失等等故障。发生于门系统的事故也形式多样，总结起来主要包括乘客出入厅、轿门时间发生的剪切、挤压、撞击以及人员坠落事故。门系统事故率的高发固然与门系统的结构运行特点密不可分，电梯每一次运送行程都有一次启动前与到站后的开关门过程，门系统的工作频繁特点引起的门体部件、门机系统与门锁机械、电气部件等加速老化，磨损、弹性减弱与配合失效是其故障与事故多发的主要成因[4]。

例如济南某公司一工作人员（受害者）下班后乘电梯回4楼办公室，后匆匆返回，看到4层厅门仍然开着，误认为电梯仍停在4层，便一头扎入，跌进井道，造成重伤。

事故分析表明，该电梯轿门联锁触点，数月前因经常发生故障而被违章短接，事故发生的那天下午，4层厅门电气联锁失灵，维修人员没有及时修理便违章短接继续使用。当受害者进入办公室的时候，恰巧1层有人呼梯，由于此时电梯4层厅门、轿门电气联锁触点处于短接状态，故电梯响应呼梯指令运行到1层，当受害者返回时，尽管看到电梯4层层门是开启状态，但轿厢却在1层，导致事故发生。

由以上案例可见，在用的客梯绝大部分都是采用门锁的电气安全触点来验证电梯的层门和轿门的开关状态，只有当锁钩和钩挡的啮合深度达到或者超过7mm时，电气触点才能正常接通。在电梯的使用过程中，门锁回路中锁钩和钩挡的啮合一旦出现问题，会直接影响到整个电梯的运行，而且层门和轿厢门与乘客的安全密切相关，若发生门锁开关被短接、门锁开关触点不能可靠断开、门锁电路被短接等，会直接导致层门和轿厢门开启或还未完全关闭，电梯便开始运行，从而引发了剪切和坠落等事故。

因此，对门锁电路进行改进，可以进一步加强电梯使用时的安全保障，从门锁系统考虑，增添一种装置与此系统构成双重保障，以保障电梯的安全运行。

2 门机系统驱动

2.1 轿厢门与层门协调运行

电梯门的关闭和开启的动力源是门电动机，通过传动机构驱动轿门运动，再由轿门带动层门一起运动。永磁同步电动机以其体积小、节能、控制性能好、调速范围宽、可通过调频进行调速等优点，在电梯门机系统上也得以开发应用。其运行噪声低、电梯平层精度和乘客舒适感都优于以前的驱动系统。

永磁同步电机驱动的基本方程包括電压方程、磁链方程和转矩方程，以这些基本方程为依据，对永磁同步电机的驱动建立数学模型[5]，首先假设以下几点：（1）不考虑磁路的饱和并且磁路呈线性变化；（2）不考虑漏磁通和谐波的影响；（3）不考虑电动机的涡流和磁滞损耗；（4）电动机具有正弦反电动势，定子电流为三相对称正弦电流，产生的定子磁场正弦分布。则在三相定子坐标系和转子坐标系变换下的数学模型为：

ia、ib、ic-三相定子电流，A；id、iq-转子d、q轴电流，A；i0-零轴电流，此值可人为假设。

p-电动机的极对数；ω-转子角速度，rad/s；e0-空载反电动势，v；Xd、Xq-d、q轴的感抗，H。

2.2 层门、轿厢门开关速度

如图2所示，按关门按钮SB2，电梯轿厢门即关闭，启动低速运行（S1）加速运行（S2）高速运行（S3）减锁门动作（S5）关门完成（S6）。按开门按钮SB1，电梯轿厢门即打开，启动低速开门（S7）加速运行（S8）高速运行（S9）门锁锁定电梯门（S11）开门完成。S形速度曲线开关门不仅要安全平稳可靠，而且要让乘坐电梯的乘客感觉舒时速度变换时应该做到平滑。因此选择适合的门机速度曲线对制很重要。目前一般有如下曲线：梯形速度曲线、正弦速曲线。相比于梯形速度曲线，加速度不是恒定值的S形曲改善速度控制曲线的平滑性。相对于正弦速度曲线，S形曲线计的优势更加明显。综合考虑S形速度曲线是最适合门机开关门要把S形速度曲线运用到门机控制中，需要先对S形速度曲线是理想的S形曲线如图2所示，加减速处理更是一个非常重要的环节[6]。

3 系统平台构建

3.1平台构建的理论基础

高速开关二极管的原理：二极管的核心部分是PN结，PN结具有单向导电性，这也是二极管的主要特性，所谓单向导电性就是晶体二极管在正向电压作用下，二极管导通，而在反向电压作用下，二极管不导通。二极管有很多分类，本装置中选用开关二极管，主要由半导体或氧化物组成。高速开关二极管是一种新型二极管，其PN结除具有肖特基二极管的大电流特点外，还有肖特基二极管不具备的高反压特性，并具有正向电阻低、反向漏电流小、反向恢复时间短、开关频率快等优点[7]。

扩流原理：本新型装置只要由扩流电路、电阻、高速开关二极管、相关触点组成的电路构成。其中扩流电路由恒流二极管、晶体管和保护电阻组成的闭合电路，其电路如下图3所示。扩流电路的扩流效果明显，电路结构简单，成本低廉[8]，在本电路中能起到扩大电流，传达准确的开、关信息，使控制系统对电梯做出准确的指示。扩流电路中恒流二极管可采用2DH5C型，晶体管可采用JE9013。

平台构建位置：本装置中触点通过弹簧固定在层门上，且触点成对安装在每扇层门上，如图4所示。

层门上触点的接触方式如图5所示，其中2表示层门、9表示弹簧、5表示层门两侧的触点。触点在此回路中起到重要作用，触点也直接决定着回路的安全功能是否有效[9]，所以触点材料可选用银氧化镉（AgCdO），AgCdO触点较常规工艺具有组织均匀、复银界面良好的特点，其具有良好的耐磨损性，抗熔焊和导电导热性，接触电阻小而稳定，相对成本低。

3.2平台构建设计

本装置确保了层门关闭后，客梯才能运行，有效防止因电梯安全触头短路而发生的事故，本装置的实验设计图如下图6所示。（①中两触头表示电梯原有安全触头，当锁钩和钩挡的啮合深度达到和超过7mm时，电气触头才能接通。②中触点为按上文所述方法安装在层门两边的触点）

本装置中的触点安装在电梯每扇层门上，与电梯原有的安全触头和轿门锁等相串联，当电梯层门打开时，电梯安全触头和新装置中的触点都断开，电梯无法运行；当电梯层门关闭时，电梯安全触头闭合，此时如果层门没有关闭，两层门的触点相距一定距离，即触点不闭合，电路中开关二极管反向电流内阻很大，相当于断路，即整个回路未导通，电梯不能运行。必须在层门完全关闭，触点闭合时，开关二极管被短路，整个回路导通，反馈给电梯PLC控制系统，电梯才能开始正常运行，否则电梯不运行。

触点材料采用银氧化镉，触点间采用面接触能提高耐磨度。每层门设置两个触点并连接触点处增加一个轻质弹簧，使触点间接触充分且保护触点，延长触点的使用时间；触点用导线并联，并联能减小触点接触产生的电阻，保证电流表的正常示数；弹簧不参与电路，导线从外围穿过连接触点。

平台运行流程：本装置的运行过程（如图7所示），轿门锁闭合，电梯原有门锁闭合，①触头接通，回路仍是断开状态，不能使电梯运行。当层门完全闭合，②触点接通，当①和②两触点都是接通状态时，回路才能完全导通，反馈于控制系统，由此启动电梯，电梯开始正常运行。

4 结束语

应对以上所述电梯门锁常出现的问题，本装置对单一