电梯超载开关无载检测装置机械结构优化*

孙学礼，刘英杰，陈志刚，武星军

（广州特种机电设备检测研究院研发中心，广州 510802）

0 引言

超载保护是电梯的一项重要安全保障，若其失效，轻则可能出现电梯平层精度差、各部件损坏速度加快、轿厢变形，重则可能出现轿厢蹲底、开门运行的严重后果[1]。因此，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［2-3］要求必须进行的一项工作任务。相关文件中并未明确加载试验是有载荷还是无载荷试验，载荷的种类也未作要求。目前比较普遍的是采用租赁砝码进行超载试验，该方法很难满足日常现场检验要求，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[4]。

针对现行检测方法的缺点，国内外设计了各种不同原理的电梯超载开关测试仪[5-7]。其中广州特种机电设备检测研究院设计的OST-I型电梯超载开关测试仪[8]，采用伺服电机、谐波减速机组合的驱动装置产生压力直接作用在电梯轿厢的减震垫或电梯曳引钢丝绳头减震弹簧等弹性元件上，模拟轿厢内的载荷重量，可简便地验证电梯超载开关的有效性。相对于传统的电梯超载开关检测方法，该方法无需搬运砝码，省时省力，但仪器偏重，且多次工作后，因动夹块内的平面直线滚针轴承会发生脱槽，导致动夹块会出现运动不畅的问题。本文针对此问题，对OST-I型电梯超载开关测试仪的结构进行分析，搭建试验平台、制作试验模型进行试验，并依据实验结果对OST-I型电梯超载开关测试仪机械机构进行优化，解决重量偏重、动夹块运行不畅的问题。

1 电梯超载开关无载检测原理

电梯超载保护装置的工作原理大都是由行程开关或传感器来监测由轿厢载荷变化所引起的弹性元件的形变量，当形变量达到一定值后产生触发信号，该信号经处理放大后驱动声光报警系统并控制门机系统，以达到对超载情况的控制与保护。根据信号采集装置装设的位置可分为轿底式、绳头式[9-10]。

1.1 轿底式

轿底称重式超载装置位于轿厢轿底与轿底支架之间。当轿厢超载时，轿厢轿底受到载重的压力向下运动压缩减震垫，缩短轿厢轿底与轿底支架之间的距离从而触发超载开关。

测试时，在4个减震垫或2个对角减震垫处施加压力，如图1所示。测试仪的一端作用于轿厢轿底，另一端通过压力传感器作用于轿底支架处。测试仪开始施力后，活动轿底向轿底支架靠近直至超载开关动作，此时压力传感器的值即为模拟电梯超载开关动作时轿厢内所承重的重量。

图1 超载开关测试仪作用于轿底

1.2 绳头式

电梯钢丝绳悬挂采用2∶1绕法时，部分电梯超载开关安装在机房钢丝绳绳头支撑板与绳头拉板之间。当轿厢超载时，绳头拉板受到载重的拉力向下运动使弹簧变形，缩短了绳头支撑板与绳头拉板之间的距离从而触发超载开关。

测试时，在绳头拉板与支撑板的四周或对角安放电梯超载开关测试仪，如图2所示。检测仪的一端作用于绳头支撑板，另一端通过压力传感器作用于绳头拉板处。测试仪开始施力后，绳头拉板向绳头支撑板靠近至超载开关动作，该时压力传感器的值即为电梯超载开关动作时轿厢内所承重的重量。

图2 超载开关测试仪作用绳头

2 机械结构的优化

2.1 OST-I超载开关测试仪机械结构

OST-I电梯超载开关检测仪包括定夹块及支架、梯形丝杆、动夹块、压力传感器和驱动装置，如图3所示。定夹块及支架组合为一个整体，用于支撑和夹紧超载开关一端的作用板；梯形丝杆设置于定夹块及支架部分，旋转时驱动动夹块上下移动；动夹块装配于梯形丝杆上，用于夹紧超载开关另一端的作用板；压力传感器安装与动夹块上，用于测量动夹块所夹紧超载开关一端的作用板上的力；驱动装置固定于定夹板及支架上，由伺服电机、谐波减速机及连接法兰等组成，用于输出力矩，驱动梯形丝杆旋转运动。伺服电机选用100 W的安川伺服电机，体积约为40 mm×40 mm×77 mm，质量约为0.4 kg，其额定速度为3 000 r∕min，额定输出扭矩为0.31 N·m[11]，谐波减速机采用的减速比为100∶1[12]，经减速机放大后，驱动装置可输出31 N·m的扭矩。

图3 OST-I型电梯超载开关检测仪机械结构

为实现动夹块的运行顺畅，在动夹块组件两端4个槽内，如图4所示，装有4个平面直线滚针轴承。应用中，发现经过多次使用后，尤其施力较大的工况下，平面直线滚针轴承会脱出轴承槽而造成动夹块运行不畅。

图4 OST-I型电梯超载开关检测仪动夹块

2.2 超载开关测试仪优化的机械结构

优化后的超载保护装置测试仪机械结构如图5所示，包括压力传感器、动夹块组件、定夹块、导向杆、驱动装置、底座、梯形丝杆、把手、第一接触板、第二接触板。第一、二接触板直接作用于超载开关处，其通过螺栓分别固定在定夹块、压力传感器，接触板的有多种形式以应对不同形式的超载开关；压力传感器通过螺栓固定在动夹块组件上，用于测量施加在超载开关两端的力；定夹块与导向杆通过螺纹连接，导向杆为定夹块提供支撑；定夹块中间内装有深沟轴承，用以为梯形丝杆上端提供径向的支撑；动夹块组件与导向杆滑动连接，由梯形丝杆驱动上下移动；驱动装置由伺服电机、谐波减速机、连接法兰等组成，其输出端驱动梯形丝杆旋转；底座的上端两侧连接导向杆，下端连接驱动装置，中间装有深沟轴承与平面轴承，为梯形丝杆下端提供径向、轴向的支撑，并减少丝杆旋转的阻力，保障梯形丝杆的正常旋转；把手上装有电机驱动开关，超载开关测试开始安装时，向上按下该按钮，动夹块向上移动，为测试仪提供安装的预紧力，超载开关测试结束时，向下按下该按钮，动夹块向下运行，方便测试仪在夹持位的拆卸；驱动装置采用与OST-I型电梯超载开关测试仪相同的配置。

图5 超载开关测试仪优化的机械结构

为使动夹块在导向杆上滑动顺畅，动夹块两端装有自润滑铜套石墨直线轴承，如图6所示。轴承以铜套为基体，在摩擦面上打有排列有序、大小合适的小孔，孔内镶入石墨充当了润滑油，在起到润滑作用的同时，又不需花过多精力进行维护。该轴承通过螺丝固定在动夹块上，避免了OST-I超载开关测试仪中直线滚针轴承长期使用后脱槽、动夹块运行不畅的问题。

图6 自润滑铜套石墨直线轴承

3 实验

3.1 搭建测试平台

为模拟电梯现场曳引钢丝绳，搭建平台如图7所示，试验架上通过螺杆固定一个轿厢减震垫，用以模拟轿底的工况。超载开关测试仪试验模型，如图8所示，包括施力端压力传感器、液压缸端压力传感器、动夹块组件、定夹块、导向杆、液压缸、底座、第一接触板、第二接触板。相对于应用版的测试仪，试验模型采用分离式液压缸驱动，该分离式液压千斤顶可输出5 t的顶升力；试验模型在液压缸的柱塞处、动夹块组件的施力端处各装有一个压力传感器，用来测试装置的机械效益；在定夹块、动夹块组件留有多处安装第一、二接触板的位置，用以测试不同力偶臂对装置机械效益的影响；动夹块内可装不同高度的自润滑铜套石墨直线轴承，用来测试不同高度的直线轴承对测试仪机械效益及机械结构的影响，选择最佳的优化方案。本实验中选用了内径16 mm直线轴承，长度分别为37 mm、70 mm的LMK16及LMK16L，如图6所示。

图7 测试平台

图8 超载开关测试仪试验模型

图10 压力传感器信号显示软件

为测量两个压力传感器的值，开发了相应的电路板及软件，如图9~10所示。传感器信号采集板采用STM32F103RB为主控芯片，AD7190为模数转换芯片，采用两路差分输入，可同时测量液压缸端压力传感器、施力端压力传感器压力传感器的值；压力传感器信号显示软件基于串口屏开发，可同时显示两压力传感器的值，界面上，对两传感器值设有单独清零功能。

图9 压力传感器信号采集电路板

3.2 超载开关测试仪试验模型测试

安装LMK16L直线轴承到动夹块内，调节第一接触板、施力端压力传感器在定夹块、动夹块组件上的位置，从远离液压缸端到近液压缸端，分7次安装超载开关测试仪试验模型于测试平台，如图11所示，第一接触板作用于轿厢减震垫上方，第二接触板作用于轿厢减震垫下方，操作手动泵使柱塞通过液压缸端压力传感器顶升动夹块组件向定夹块方向移动，当液压缸端压力传感器值为1 t时，记录下施力端压力传感器的值。安装LMK16直线轴承到动夹块内，按LMK16L时的步骤试验、记录，所得数值如表1所示。

图11 压力传感器信号显示软件

表1 提升试验实测数据

由表1数据可以看出：两传感器距离越短，即力偶臂越小，在液压缸输入相同力的情形下，施力端获得的力越大，机械效益越高；采用LMK16L、LMK16自润滑铜套石墨直线轴承，两传感器距离在101.8~155.68 mm时，LMK机械效益更佳，两传感器距离在47.92~83.84 mm时LMK16L机械效益更好，但选用LMK16可有效地减小动夹块的尺寸，减轻测试仪的质量，故选用LMK16型直线轴承更佳。

4 结束语

通过超载开关测试仪实验模型在试验平台上的试验，可知由导向杆替代原测试仪的支架可有效的减轻测试仪的质量，因导向杆的结构简单，替换后，可减轻0.7 kg左右的质量；采用自润滑铜套石墨直线轴承可有效解决轴承脱槽的问题，该轴承采用螺丝固定在动夹块内，不会发生脱槽、移位的问题，且该轴承采用自润滑，稳定、可靠；采用LMK16与LMK16L规格的直线轴承对测试仪的机械效益影响不大，但与LMK16的对应的动夹块体积、质量更小，所以采用LMK16直线轴承的方案更佳；不同的力偶臂对测试仪的机械效益有一定影响，力臂越大，机械效益越差，可根据本实验的结果，综合应用的环境，选择最佳的力偶臂方案；根据本实验的结果，综合成本、体积、质量等因素选择最佳的驱动装置，对超载开关测试仪进行优化。