曳引驱动电梯超载保护装置测试技术发展综述*

张宏亮，殷彦斌，谢柳辉，黄柳元

（广东省特种设备检测研究院东莞检测院，广东东莞 523120）

0 引言

电梯作为一种主要设置在建筑物内部或者外部提供人员或货物运输服务功能的机电设施，随着社会经济的发展进步，其综合性能飞速提高，电梯的保有量也在保持每年20%以上的增长，截止2020年底，全国的在用电梯量达786.55万台，成为世界上电梯保有量、年产量、安装量较高的国家，电梯真真切切地给社会化生产和人民高品质生活带来福利。但另一方面，电梯的生产和使用过程的安全问题也给社会造成了恶劣影响，引起社会公众恐慌。据资料显示，电梯因使用、管理不当发生的事故，约占总起数的73.85%，超载保护装置是电梯的一个重要安全保护装置，是监测和有效控制电梯轿厢内承载载荷的一项安全保障技术措施。超载保护装置处于失效状态，给电梯安全运行埋下严重安全隐患。

（1）长期超载运行，增加轿厢钢结构、曳引系统疲劳损坏，导致轿厢变形、钢丝绳过早拉伸、各主要部件加速损伤、平层准确度精度差等问题。

（2）对电梯的制动系统和限速器-安全钳系统等提出更高的制动动作性能要求，一旦超过其极限载荷范围，将导致电梯下行速度过快、无法有效制停而梯坠人伤。

（3）电梯超载保护装置的失效还会导致轿厢开门运行，剪切、挤压坠落事故发生。

（4）超载运行会增加曳引机的能源消耗，不符合《特设法》“节能环保”的工作原则。

对超载保护装置定期进行加载试验保证其功能有效是电梯检规和标准［1-2］要求必须进行的一项工作任务。功能有效指超载保护装置在一个合理的范围内动作即可，最迟在轿厢内的载荷达到110%额定载重量时动作，虽然没有规定动作的下限，但动作应尽量接近额定载重量，既不能过早误动作也不能过迟不动作。

现行的检规要求的是电梯轿厢张贴标识电梯额定载重量和额定人数的铭牌（图1）及进行加载试验的方法控制超载，轿厢铭牌只充当警示标志作用，并不能真正起到防止超载的功能。

图1 轿厢内铭牌

载荷试验并未明确是有载荷试验还是无载荷试验，载荷的种类也未作要求。目前比较普遍的是采用租赁定额砝码进行超载试验，对于额定载重量在1 000 kg以下的电梯能够满足检验要求，对于大吨位的电梯则由于人机比紧张很难满足现场检验要求，且由于人员需要频繁进出电梯轿厢搬运载荷，费时、费力还存在极大的安全隐患，难以消除人为因素对超载保护装置的动作误差。

国内外的高校、检验机构及科研机构等学者对如何高效、快速地实施超载检测进行了大量的研究，本文对目前主流的超载保护装置的检测方法：无载荷测试、微载荷及有载荷测试方法及相关的仪器设备的现状与发展进行综述和分析，希望能够为业内超载保护装置的检测技术研发提供借鉴。

1 超载保护装置的类型及机理

目前，曳引驱动电梯的超载保护装置的类型按照设置位置有机房称重式、轿顶称重式、轿底称重式。按照动作机理的不同主要有微动开关、接近开关（光电式、电感式、电容式、霍尔感应式、超声波与微波接近开关）、压力传感器、应变片。

工作机理：通过压力传感器压力感知传输到载荷控制器，将电信号转化为载荷信号；弹簧（橡胶）受压缩产生位移，触发电气开关动作；霍尔传感器与固定永久磁体之间的位移变化实现磁通量的变化，基于霍尔磁效应原理而产生相应的线性电压信号；钢丝绳附着应变片感应钢丝绳受拉力等测量原理来实现轿厢承载载荷大小的测量，当轿厢内的载荷达到超载预设动作值时，会发出警示信号，使轿厢不能运行。

当然，也有部分学者何俊杰[3]、修志杰等[4]利用机器视觉技术、图像识别技术实现对轿厢内情况的实时监控，通过轿厢内的人员数量识别达到阻止超载情况的发生，无法识别人员的总体重量。

2 超载保护装置测试方法

2.1 有载荷检测法

有载荷测试法是目前应用最普遍的超载保护装置功能符合性检测方法。测试的过程基本一致：将实体载荷按照目标电梯的额定载重量逐渐加载或一次性运送到电梯轿厢内，人工观察电梯超载的音响或者发光信号是否正常，电梯不能正常启动及再平层，动力驱动的门完全打开，手动门保持在未锁状态。

利用标准砝码（10 kg、20 kg、25 kg、30 kg等）作为载荷进行超载试验，如图2所示。使用单位需要去砝码租赁公司或组织租赁一定数量的砝码，运载到现场运用人力或借助载荷运输设备将砝码载荷运输到电梯轿厢内进行试验，试验完毕后将砝码运出轿厢，返还租赁公司。该种方法简单明了、技术含量低、对人员无特殊技术要求，但是需要人力（搬运人员）、财力（租赁费、人工费、安全防护费，单台至少500元以上）、物力、试验周期长，对电梯轿厢有一定的损伤，还要担一定的安全风险且根本无法消除人为进出轿厢时对超载保护装置的动载荷影响。因此，很多使用单位、维保单位等实际上并未定期进行超载保护装置的功能有效试验。

图2 超载试验及铸铁砝码

目前，国内学者主要的研究方向是变换载荷类型、机器替人载荷搬运两方面。周前飞等【5】利用传感器技术、人工智能与传统的机械、液压技术有力结合，研制了一套高效安全的电梯载荷试验方法及成套装置，利用遥控控制试验小推车将试验水箱进入到电梯轿厢，然后向水箱快速注水代替原始的人工搬运砝码的方法，可以实现自动均匀地加载所需载荷，大大缩短加载试验的时间，超载保护装置试验的效率大幅提高4倍以上，人员劳动强度大大降低且该装置能够完成电梯所有的载荷试验过程。有学者曾发明一款利用转运小车和带重量刻度线的圆柱结构水袋实现试验的装置，利用水代替铸铁砝码，如图3所示。

图3 水载荷试验原理及装置

孟国刚等［6］设计了一款利用安装在车体前部的旋转吊臂配合蓄电池驱动的卷筒、钢丝绳、吊钩、压力传感器的载荷试验小车装置，减轻了载荷试验人工劳动强度，缩短了实验时间，提高了试验效率，采用细节设计避免了撞击、压损以及电梯制动带来的剪切风险，如图4所示。

图4 载荷试验小车

邓明旭[7]、龚隆政等［8］设计了一款蓄电池履带驱动的可调整电梯载荷装置，包括方形车架、控制装置、动力装置、履带式车轮、车轮缓冲层、镂空状砝码筐、称重传感器、显示器、限位支架、支撑住等，将一定数量的标准砝码装入砝码筐，通过控制装置实时调整移动轨迹到轿厢完成载荷试验，如图5所示。

图5 履带驱动载荷试验小车

当然，也有的采用袋装水泥、大桶水、对重块等作为载荷进行试验，该种方法由于实际载荷重量未能准确确定所以检验过程中是不可取的，对于采用“人肉”载荷进行试验应当严禁执行，存在人员伤亡风险。

李华忠等［9］研究一种轮式砝码用于电梯的载荷试验，结构简单，便于操作，一定程度上降低劳动强度，但是未从根本上消除砝码搬运的繁琐过程。如图6所示。

图6 轮式砝码

2.2 微载荷检测法

微载荷测试法是介于有载荷和无载荷测试之间的利用远小于额定载重量的载荷加载，即可完成对超载保护装置的检测的一种方法。庞涛等［10-12］分析了超载信号在轿底的保护装置基本原理，建立了电梯轿厢数学模型，研制了一款电梯超载保护装置检测仪，检测仪样机实物如图7所示，由总质量50 kg、每块质量为1 kg的试验块和分成两组的矩形钢板构成试验载荷与光栅测微装置及位移监测系统组成。

图7 检测仪样机实物

通过对轿厢施加载荷后，轿底中心位置会产生微小的变形位移，变形位置再由光栅测微仪检测后输出方波信号，经过倍频电路细分后，将位移脉冲信号传输给控制器，实现对轿厢底中心位置的检测，通过小载荷时轿底中心与结构梁之间的距离变化推算大载荷时的距离变化量，进而检测电梯超载保护装置是否有效。

经过试验验证后相对误差在5%以内，检验效率大大提高，检测时间由原先的40 min下降到10 min。该装置已经进入到试用阶段，应用前景广阔，但是该检测仪初期针对的是超载信号采集器安装在轿底且减震装置为线性（如弹簧）的情况，适用范围受一定限制。

2.3 无载荷检测法

电梯无载荷超载保护装置测试法是近几年研究最热门的一种载荷试验方法，其省去了载荷使用的费用、人力资源占用，降低了设备和人员损伤风险，不论是经济性、准确性还是效率方面都具有显著优势，国内特种设备检验机构及相关研发单位经过几年的研究也取得了一定的成果，根据加载的位置及方式，主要有轿内加载式、轿底加载式、超载夹持式等。

（1）轿内加载式

张健等[13]研制的基于机电液一体化的电梯称量装置智能检测设备，利用“钳子”式杠杆机构对电梯轿厢地板与轿厢底部进行加载测试模拟轿厢加载载荷，测试超载保护装置是否有效，该设备已经投产市场化使用。但是其只针对超载保护装置设置在轿底的形式进行测试，对于其他形式的超载保护装置不适用。如图8所示。

图8 “钳子”式超载检测装置实物

罗立辉等[14]利用杠杆原理将杠杆的一端设置在轿厢内并设置重量传感器感知施加给轿厢的载荷大小，另一端设置在层站处利用液压千斤顶施加载荷，杠杆装置的中间设置调节孔用销钉固定在整个机构上，上下两端抵靠撑紧在厅门的上下坎，提供固定支承点。该种形式的载荷测试方法简单便捷，但需考虑电梯的厅门上坎是否能够承受系统施加的极限载荷造成损坏，轿厢内施加载荷的均匀性需进一步研究，还有整体装置的形状不规整及轻量化设计需要进一步优化。如图9所示。

图9 层站杠杆式超载检测装置实物

（2）轿底加载式

许竞等[15]通过在电梯底坑位置设置基坑预埋板提供固定支撑点在轿厢底部设置拉环提供施加轿厢拉力载荷的连接点的形式，利用液压缸实现载荷拉力的载荷加载。该种方式需要对电梯底坑进行改造，设置具备相应拉力载荷承受能力的基坑预埋板，这是该装置的核心部件。如图10所示。

图10 基坑预埋板式超载检测装置实物

龙枫等[16]在轿厢底部安装一套包括称重装置、施压装置及一套支撑架组成的检测装置。支撑架需要通过拉杆安装在目标电梯的底梁上，称重装置和液压千斤顶安装在支撑架和轿厢架底梁之间，液压千斤顶通过支撑架和轿厢架的底梁对轿厢施加载荷，最后由称重装置测得相应数据进行判断。其便携性和安装效率需要进一步改善和提高。如图11所示。

图11 轿底支撑架式超载检测装置

（3）轿顶加载式

卢明技等[17]利用液压技术在轿顶位置导轨处安装紧固安全钳装置配合液压缸对轿顶施加载荷测试超载保护装置有效性。该装置对于设置在轿厢底部的超载保护装置无法实现检测。如图12所示。

图12 轿顶加载式超载检测装置

（4）超载夹持式

超载夹持式方法主要是通过液压、电动方式驱动夹持夹紧装置对超载保护装置处施加夹持力或者压力达到检测超载保护装置的目的，一般都具有体积小、便携、输出载荷力有一点限制等特点。

孙学礼等[18]研制一款电驱动夹持式超载检测装置，通过220驱动的伺服电机、谐波减速机、T型丝杆传动方案，能够有效的对绳头处、轿底处的超载保护装置实现检测，但是对于部分电梯超载开关的可检测位置过小或绳头开关只是测部分弹簧压缩量的情况不能验证，需要进一步优化设计。如图13所示。

图13 电驱动夹持式超载检测装置

於浩等[19]利用电控液动对超载装置同步对角位置施压，模拟载荷加载，2台同步施压可达16 000 N，目前已经更新到第四代产品（SCTJ-CZ-4），已获取5个品牌（日立、蒂森、奥的斯（中国）、奥的斯机电、迅达）的46个型号，载重为1 000 kg的精度试验K修正值的获取，精度最大达到2%。如图14所示。

图14 对角加压式超载检测装置

庞涛等［20］提出了一种压力式超载保护装置检测仪，适用于设置在机房或井道顶部绳头处的超载保护装置的检测，其结构与实物如图15所示。利用液压千斤顶作为载荷源，压力表实时监测施加载荷力的大小，通过万象水平仪和调节机构使装置底板始终处于水平位置，保证绳头处受力均匀，模拟实际轿厢加载情况。但是对于安装在轿顶或者轿底的超载保护装置则无法实现检测，使用有一定局限性。

图15 压力式超载检测装置

3 各检测方法对比分析

目前，现有的各种检测方法技术各有特点，都需要进一步的进行细化研究，其对比分析优缺点如表1所示。

表1 各检测方法对比分析

经过上述几种检测方法的对比分析，可以看出无载测试和微载荷测试及图像视觉测试法是有一定优势的。有载荷测试无法从根本上摆脱实体载荷限制，而微载荷测试方法受限于超载装置的减振装置形式，对于非线性的减振装置的研究还需要花费一定精力，如果能够准确获得各种减振装置的力学性能曲线，那么该方法将很有发展前景。图像视觉法是唯一能够实现实时在线监测的方案，但是目前仅针对乘客人数的判定识别是远远不够的，对于载货电梯更是无法实现超载检测，下一步对每个乘客或货物的重量识别将是研究的重点。

无载荷测试在超载保护装置试验乃至电梯的其他载荷试验中研究最为热门，解决了检验检测过程中的人机比问题、效率问题、安全问题及资源利用问题，其中轿内“杠杆”式、超载夹持式和基坑预埋板轿底加载式值得进一步深入研究，对于轿内“杠杆”式方法需要解决的是大吨位、大面积的电梯其额定载重量及面积都会增大，轿厢中心位置距离层站厅门的距离会变大，进而使得整个装置的体积、重量也会相应增加，而且对于厅门上坎的承受能力也提出了很高的要求，如果厅门坎无法承受相应载荷，那么该装置将无法实现功能。基坑预埋板轿底加载式需要解决的是现有及未安装电梯的底坑位置的预埋件设计，需要经过使用单位或建筑设计单位的同意及载荷测试通过后方可执行，还要注重做好后期的预埋件的维护及承载能力监测。超载夹持式的方法具有便携、效率高等优点，是比较理想的超载装置测试的方案，但是其输出载荷力的能力及夹持方式与夹持结构件的设计需要进一步优化，以适用于更广范围的超载测试。

4 结束语

电梯的超载保护装置对电梯安全极其重要，必须对其功能进行准确可靠的检测。通过本文分析得出：砝码有载测试是目前应用最普遍的一种超载测试方法；微载荷测试方法研究比较少，如何准确识别不同减振装置的力学性能变化原理是今后的重点，该方法也是今后比较有潜力的一种方法；无载测试是今后应该着重研究的方向，尤其是寻求一种可靠并能直接对轿厢进行加载测试的方案应用前景最为广阔。