高速电梯的机械安全部件的分析与研究

刘 威

（杭州市特种设备检测研究院，浙江杭州 310051）

0.引言

从电梯诞生之初到现在，它的运行速度可谓是发生了翻天覆地的变化：1962 年奧的斯8m/s 高速电梯，1978年的10m/s 的超高速电梯，2001 年日本三菱的18m/s 超高速电梯与东芝的16.8m/s 超高速电梯都是电梯行业发展历史中的一座座丰碑，标志着人们对电梯运行速度的不懈探索。随着电梯运行速度的不断提升，对电梯安全部件安全性的要求也越来越高。这当中，当属对安全钳和缓冲器的发展最为重要。很早以前的瞬时安全钳只能用于不大于0.63m/s 电梯的速度，现在的蓄能型缓冲器用于速度1.0m/s 以下的电梯；在人们的不懈努力下，开发出了能适用于任何速度的渐进式安全钳和耗能型缓冲器，让电梯的安全性更高[1]。

1.下行安全钳分析与建模

1.1 安全钳动力学模型

轿厢运行速度等于额定值后，将速度传感器反馈的数据输入到控制系统，通过分析后会输出相应的指令信号给限速器，从而实现安全钳制动。在此过程中，轿厢所受到的制动力是非线性的，伴随非线性能耗出现。根据达朗贝尔系统动力学理论，可以很好地解释这个制动过程，使轿厢在安全钳的作用下可靠地在导轨上停下，减速动作如何实现是分析的重点[2]。

利用滚轮导靴的作用，导轨能可靠接触轿厢，即使轿厢在快速地进行直线运动，滑轮也不会在导轨间滑动，滚轮与轿厢之间存在摩擦力，在制动时，导轨与安全钳间也有摩擦力，二者之和用F来表示，如图1 所示。

图1 下行轿厢受力分析

在这工况下，轿厢的加速度为

公式中:

Ff—轿厢单侧承受的制停力；

P—轿厢质量；

Q—额定载重量；

g—重力加速度。

1.2 轿厢结构分析

通常在垂直电梯中把导靴设置在轿厢左右侧能保证和电梯导轨接触良好，每个导靴都会有3 个滚轮。如此设计，第一是为了让轿厢顺着导轨升降，做直线运动；第二是为了对轿厢的运动进行限定，保证不会出现偏转[3]。

利用安全钳的制动会使系统承受多个外力，如导靴阻力、导轨在轿厢上的制动力、重力以及导轨的阻力。

轿厢上升速度等于额定值时会切断拽引电机，所以在制动系统的下降运动时，系统所承受的外力仅为阻力与自身重力。为便于分析，轿厢中安全钳制动时的阻尼作用忽略不计，只考虑导轨与安全钳间的摩擦力以及导轨与轿厢间的摩擦力等外力作用[4]。

1.3 安全钳的制动理论分析

通常分析制动力时会假定安全钳对制动轿厢的力不变，所以安全钳的制动轿厢的行程是根据平均制动力确定的，满载轿厢的下落过程中安全钳制动平均减速为0.2g ～1.0g 时则不会产生不适感。

1.4 制动轿厢问题分析

以下是安全钳制动时的各类情形：

（1）曳引机的转动暂停。此时无动力，下降速度可能会超速，则需要断开控制电路，并制动曳引机，发出动作命令，进而制动安全钳。在图2 中展示了轿厢上升过程对应的动力学模型图。

图2 轿厢提升动力学模型

（2）通过曳引机驱动电机运转，轿厢速度也可能会超速。此时，在曳引轮上产生的上升加速度同第（1）种情况所述恰好是相反的，具体的受力方程为：

2αF+Gg-α(P+Q+W)g=[G+α(P+Q+W)]a

式中：

W—曳引钢丝绳质量，对应单位是kg；G—对重重量，对应单位是kg；

F—安全钳的制动力，对应单位是N；A—曳引系数；

P—轿厢的重量（kg），对应单位是kg；Q—负载的重量（kg），对应单位是kg。

（3）轿厢发生自由下降。此时，需要断开钢丝绳，轿厢开始做自由落体运动，该过程对应的受力方程为：

此时轿厢加速度公式为：

1.5 安全钳安装

一定要将导轨与安全钳相互配合，如此才可达到制动轿厢的目的，对于独个安全钳是起不到作用的。所以，电梯企业在对导轨与安全钳进行选择时，一定要先对该型号的导轨与安全钳开展破坏性的试验，保证二者是可以良好配合的，与具体安全要求也是相符的。

还未安装安全钳时，一定要清理好导轨。

（1）铲除导轨油腻（油）。电梯的导轨上禁止出现油脂，防止安全钳制动对安全产生妨碍作用，涂层出现防锈油，就要先把导轨的表面铲除干净，才能安全地去装安全钳。

（2）加入导轨润滑油。假如有必要将润滑油加入到导轨中，那么开展相关的安全钳试验进行确认后才可使用该润滑油。

（3）定期清扫导轨。由于电梯导轨一般都是在井道中进行安装的，且建好建筑外壳前就已经安装好了电梯的井道，因此，在进行建筑物的施工时，不可避免会在井道中出现大量的灰尘，而灰尘会同导轨的润滑油以及防锈油等相结合，这种混合后的物质具有黏性，对导轨和安全钳之间的制动性能可能会产生影响，进而导致安全事故的发生。所以，有必要定期清扫导轨表面，比方说，每半个月进行一次清理等。

2.下行缓冲器分析

缓冲器利用轿厢可以消耗掉对重产生的能量，从而制动或者减速，是轿厢的又一个安全保护装置。当电梯运行时，因不同的原因导致故障发生，如电梯控制系统故障、曳引机故障、安全钳故障等，使超速到达底层，此时会急速冲向缓冲器，缓冲器就会体现其保护作用，防止轿厢直接与地面相撞，轿厢中的乘客与货物便可得到一定的保护[5]。

2.1 设计原理及结构

油压缓冲器根据液体流动形成的一定阻尼作用对轿厢的冲击作用产生一定的缓解。

为了让缓冲过程更加平稳，需要对排油截面进行合理的设计。根据相关理论设计其排油截面，使得其锥度在合理区间。使用流体理论对排油截面进行计算，理论计算的结果，需要通过调节杆的连续变化实现，类似于锥面，在测量与加工上的难度就会很大。在实际中，调节杆的锥度往往要进行多次试验后根据结果确定[6]。

2.2 缓冲器数学模型

如果电梯发生了事故，轿厢就会表现出一种冲向底部的趋势，并以高速向液压缓冲器撞去，此时的缓冲器中柱塞受到冲击作用后，连着同时向下运动。由于受到冲击，缓冲内部开始动作，液压油流入缓冲柱塞内部的方式是通过节流芯棒上的节流孔。由于冲击力大缓冲过程，所用时间很短，轿厢冲击产生的动能转化为液压油的热能，相当于液压油吸收了能量达到缓冲的效果。在缓冲器的复位弹簧作用下，缓冲器的柱塞筒上移到初始位置，这是轿厢离开缓冲器后导致的，由于液压油回流到油缸内，使得油缸内的体积变大，油压缸内部压力减小。液压缓冲器的内部结构及工作原理如图3 所示。

2.3 油压缓冲器的单自由度分析

从机械学震动原理可知道，当两物体面对面发生碰撞时，冲撞物与柱塞杆的运动是复杂的，不会一定从相同面撞击。为了简易的分析与研究，把3 个元素其中的油压缓冲器的阻尼，弹簧与其质量看成理想的状态，其中系统的运动方向和物体所受到的外力都会沿着冲撞物的方向去，它的速度为85，所以形成了单自由度振动模型，如图4所示。在图4 中M为轿厢的质量、轿厢自由落体的速度被称为V%，柱塞杆的质量被称为m，液压缓冲器系数被称为c，复位弹簧的刚度被称为k。

图4 油压缓冲器单自由度振动模型示意图

由上图中图4 油压缓冲器工作的示意图，重量为m的在对轿厢的工作冲撞下，整个系统运动方程为：

3.结语

本文综合地叙述了高速电梯在安全的情况下发展和研究的趋势。基于某品牌的高速电梯，深入地研究电梯在运行过程中会发生的安全事故，轿厢安全部件的制动过程。通过了研究与分析，概述了电梯的结构及工作原理，对制动器、安全钳、缓冲器的结构与工作原理进行了分析。对于制动轿厢的安全钳，从受力分析及校核两方面对电梯导轨进行安全计算，采用系统动力学的方法解析安全钳制动轿厢的过程,得到其系统动力学方程。针对缓冲器对其主要部件进行了安全校核计算，根据缓冲器的工作原理及对轿厢作用缓冲器的缓冲过程的分析，建立了缓冲过程的数学模型。