一种自动平衡电梯钢丝绳张力差装置的研究设计

王 进 周显元

(湖南省特种设备检验检测研究院 长沙 410117)

1 前言

随着中国城市化进程的高速发展，高层建筑急速增加，电梯数量迅猛增长，电梯钢丝绳作为电梯的重要部件，悬挂承受着轿厢、对重以及乘客的重量，并由曳引轮摩擦牵引着上下运动，为了保证足够的安全系数，一台电梯的曳引钢丝绳数量一般都是4根以上，由于以下两个方面的原因会导致钢丝绳的张力不均[1]：

1）电梯安装时钢丝绳的基础静态张力不一致。

2）电梯投入使用一段时间后各钢丝绳结构性伸长不一致。钢丝绳的张力不均现象在高层、高速电梯上尤其严重，钢丝绳张力不均会使钢丝绳与曳引轮槽之间的磨损不均匀[2]，不均匀磨损的积累会造成各曳引轮槽的节圆直径差别增大，钢丝绳与曳引轮槽的相对滑移加剧，从而又进一步加大曳引轮槽的磨损，进而又导致相对滑移增大，恶性循环，电梯会因为滑移产生的振动和噪声而影响乘坐舒适性，钢丝绳或曳引轮的使用寿命也将会大大减小。如图1所示，因为曳引钢丝绳张力严重不均，有2个曳引轮槽已经过度磨损，需要对整个曳引轮大修更换。

电梯钢丝绳的张力情况是关乎电梯整体质量的一个很重要的项目，但现行的GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》和新修订的TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》对张力没有做明确要求，GB/T 10060—2011《电梯安装验收规范》的5.5.1.9项要求：“至少应在悬挂钢丝绳或链条的一端设置一个自动调节装置，用来平衡各绳或链条间的张力，使任何一根绳或链的张力与所有绳或链之张力平均值得偏差均不大于5%。如果用弹簧来平衡张力，则弹簧应在压缩状态下工作。”现今的绝大部分电梯的钢丝绳调节装置都如图2所示，压缩弹簧的变形程度可以反映对应钢丝绳的张力情况，维保人员可以通过日常维保来对钢丝绳的张力进行检查调整，但不能实现钢丝绳张力的自动调节，并且钢丝绳的张力调整并不简单，在曳引比为2∶1的电梯上，一根钢丝绳的两端都存在图2所示的张力调整装置，有丰富经验的技术人员都需要多次反复才能实现较好的效果，假如前期因为忽视张力不均而造成部分曳引轮槽磨损情况差别大，那么钢丝绳张力就很难通过调节再次达到满意的效果，所以优化钢丝绳张力调节装置，从产品设计上避免钢丝绳张力不均才是解决的根本之道，本文研究设计一种钢丝绳张力调节装置，实现钢丝绳之间的张力自动平衡，改善电梯的乘坐舒适感以及延长曳引轮和悬挂钢丝绳的使用寿命。

图1 曳引轮过渡磨损

图2 常规钢丝绳张力调节装置

2 自动调节装置的原理

帕斯卡定律：封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递。图2中F1、F2代表着两根钢丝绳承受的张力，两个液压缸固定不动，钢丝绳端部与液压缸伸出杆相连接，两个液压缸的有杆腔（高压腔）通过管路连接构成一个无源的密封油路，P1、P2为两油缸内的压强，A1、A2为两油缸有杆腔的截面积，F1=P1×A1，F2=P2×A2，图3（a）为电梯两根钢丝绳的长度一样，P1=P2，液压缸型号一样，A1=A2，所以F1=F2，两根钢丝绳张力保持一样；假如在同等张力的情况下两根钢丝绳的后期结构性变形不相同，如图3（b），1号钢丝绳伸长较多，1号液压缸的活塞杆会向上移动调整，由于两个液压缸通过管路连接构成一个无源的密封油路，2号液压缸的活塞杆则会向下移动调整，调整到位后，两液压缸有杆腔的压强依然相等（P1=P2），两根钢丝绳的张力通过自动调整达到相等平衡（F1=F2）。

图3 装置原理图

前文介绍的是两根钢丝绳的张力自动平衡，同样的道理，如果是多根钢丝绳，则采用多个油缸的组合，多个油缸的高压腔通过管路互通构成一个无源密封油路，实现多根钢丝绳的张力自动调整平衡。如图4所示，通过自动调整实现张力平衡（F1=F2=F3）。

图4 装置原理图

3 自动调节装置的设计及功能探讨

依据理论原理，设计了如图5所示的调节装置结构图，相对于图4的原理图，增加了绳头弹簧，液压缸采用单作用空心液压缸。绳头弹簧起到两个作用：

1）电梯突然制停时，能够减缓冲击，减轻振动，避免了封闭液压系统的缺陷。

2）弹簧的高度反映了对应钢丝绳的张力，高度相同则钢丝绳张力相等，通过观测可以知道液压管路系统是否存在阻滞而影响钢丝绳张力的自动调节。单作用空心液压缸的活塞杆在装置中的受压，正适合选择稳定可靠的受压绳头弹簧，中间空心，便于螺杆穿过安装。

图5 自动调节装置结构图

如图6所示，L为液压缸活塞杆伸出的长度，如果液压缸对应的钢丝绳相比于其他钢丝绳伸长较多，此液压缸活塞杆的伸出长度L值就会调整增大，直到多根钢丝绳张力平衡，但活塞杆伸长度受限于液压缸结构，如果对应钢丝绳伸长量相较于其他钢丝绳要大的太多，超过了活塞杆的伸出长度极限，那么此缸钢丝绳张力自动调整就会失效。D为固定螺母的位置尺寸，通过改变D的大小也可以调节钢丝绳张力，当活塞杆伸出长度即将达到极限时，调整螺母位置，增大D值，可以减小L值，减慢活塞杆伸出长度极限的到来，这就需要配置感应器以检测到伸出即将达到极限值来提醒进行人为的螺母位置调整，但D值受制于结构也是有极限的，当D值、L值都即将达到极限时就需要截短钢丝绳了。

图6 自动调节装置

图7 液压管路的液压原理图如图4所示，3个液压缸的高压腔互通组成无源封闭油路，每个液压缸的油路上有一个截止阀，设置一个对整个油路系统加压和泄压的接头。正常情况下，截止阀全部处于打开的状态，如果某一根钢丝绳（1号）需要截短或更换，可以关闭对应油路的截止阀，在接头处接入加压泵，注入压力油，其他液压缸活塞杆伸出并顶升钢丝绳承受全部载荷，1号油缸活塞杆不动，1号钢丝绳仅承受自身重量，这时就可以方便进行钢丝绳的截短或更换工作，工作完成后，打开截止阀，调整整个无源封闭油路的液压油量。

图7 液压管路图

前文中的结构设计针对的是3根钢丝绳的情况，3根以上可以完全参照，钢丝绳较多时，受限于液压缸的尺寸，在同一平面难以排布多个液压缸，可以设置高低两个平台来安置液压缸，功能不受影响。

4 总结

本文研究设计的钢丝绳张力自动平衡装置可以实现钢丝绳张力的自动平衡，在产品的设计制造阶段解决了钢丝绳张力的问题，能够有效改善电梯的乘坐舒适感，保证甚至延长曳引轮和悬挂钢丝绳的使用寿命，减小曳引轮和钢丝绳因为过早更换修理而造成的社会财产浪费。钢丝绳张力不均在高层、高速电梯上尤其明显，造成的曳引轮和钢丝绳不正常报废现象更加严重，也因此引发了很多社会矛盾，但现行的《电梯制造与安装安全规范》和《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》对钢丝绳张力没有明确要求，建议对一定范围内的高层、高速电梯增加钢丝绳张力自动平衡的要求，引导电梯制造单位从设计上优化钢丝绳张力情况，为大众提供更加先进可靠的产品。