防爆电梯制动器紧急制停温升现场监测方法探究

文/欧阳惠卿 薛季爱 江 浩

在石油、化工、制药等产业快速发展的今天，电梯广泛地被应用于含爆炸性混合气体的工作场所中，故工作于此类场所的电梯必须具有防爆性能。防爆电梯在紧急制停时制动器产生的温升属于危险点燃源，欧盟EN 13463潜在性爆炸环境中的非电气设备系列标准1～4中明确提出了要控制该类危险温升。因此必须对此危险温升进行现场监控，并采取有效的温升控制措施。针对目前制动器温升现场测量和监控手段的不足，通过对比现有几种实时测温方法，本文提出适合防爆电梯制动器紧急制停时温升的测量和监控手段，为进一步揭示制动器的防爆特性、为防爆电梯的安全检验、为防爆电梯相关标准和技术规范的制定，提供良好的实验方法和数据分析基础。

一、防爆电梯制动器工作的基本原理和特性

1.曳引机与制动器

曳引式防爆电梯基本采用蜗轮蜗杆副作为减速装置，制动器安装在电动机与减速器之间。早期的防爆电梯大都使用单速或双速曳引机，无论是正常制停还是紧急制停，制动轮与闸瓦之间会产生滑动摩擦。为了防爆，制动器通常被封闭在隔爆箱内。目前，防爆电梯基本采用变频控制，正常制停属于零速抱闸，制动器几乎无摩擦热产生，因此，制动器都暴露在工作环境中。但在突然断电等情况下的紧急制动中，将产生高负荷的机械摩擦，导致制动器产生剧烈温升，由此成为爆炸性气体的危险点燃源。为此，对该类没有安装在隔爆箱内的制动器紧急制动时的温升规律我们展开了研究。

2.制动器的工作原理

电梯普遍采用机－电摩擦型常闭式制动器，电梯不运行时制动器在制动弹簧的作用下闭合，电梯运行时依靠电磁力使制动器松闸，因此又称电磁制动器。

如图1为一种典型的电梯用鼓式制动器，其主要组成部分包括：制动轮、制动闸瓦、制动电磁铁、制动连杆和制动弹簧等。制动力矩是由制动弹簧产生的，可以通过调整制动弹簧的伸缩量来调整制动力矩。

图1 一种典型的电梯用鼓式制动器

二、防爆电梯制动器制停温升监测方法

1.实验方法的比较和选择

由于电梯制停时间通常都比较短，而在整个制动过程中所产生的热量主要又是被制动轮吸收，且制动轮与外界环境的换热过程是伴随着摩擦热的产生过程同时发生的，因此对其温升的测定必须在运动过程中进行，即测量手段必须能够满足实时测量的要求。

① 热电偶技术

采用热电偶作为测温元件的测温装置，其数据传输无论采用有线还是无线，都属接触式测温方式，具有测温准确、易于检定的优点。

②红外测温技术

与接触式测温方式对应的是非接触式测温方式。当前的红外热像探测技术已经具备了快速响应能力，能够以视频输出图像，并具有了较高的温度灵敏度和空间分辨率，近年来得到迅速普及。

相对于热电偶，无论是红外线点温计，还是红外线热像仪，都存在着测量值易受被测物体表面辐照率和环境透射率等因素的影响，但是可以通过辐照系数修正等手段来减少测量值与实际值间的相对差值。

因结构和空间布局的限制，性能优异的红外热像仪更适宜进行制动器的温升测量。

2.实验对象

为了使测量的数据可靠并具有代表性，本文选用两台典型的曳引机作为实验对象，其主要参数如表1所示。

表1 实验样梯曳引机的参数

3.参数设计

本实验的主要目的是研究电梯在紧急制停情况下，制动器的温升是否能满足防爆要求，并且对实验原理和方案的有效性进行验证。通过调节电梯的速度和额定载重量，在实验对象上进行了8组试验，具体实验参数见表2。表2中所选定的实验工况均参照GB 7588－2003《电梯制造与安装安全规范》，假设防爆电梯处于最不利的工况下，该工况下的制动器温升状况就更能反映其防爆安全容量。

本实验采用“便携式红外热像仪+便携计算机控制”。用于实验的红外热像仪除了必须保证光谱响应范围和足够快的采样频率外，还应具备尽可能高的空间分辨率，能够满足实验现场的振动等环境适应性要求。除硬件平台外，配套的软件也必须要有丰富的数据后处理功能。

表2 进行验证性实验时所选取的参数

经过多方比较，本实验采用某德国公司的高精度红外热像仪，该仪器采用了当今最新非制冷型焦平面探测技术的热像仪，其光学分辨率达到640×480像素，解析度最高可达25μm，在正确设置被测物体辐射率、环境透射率参数后，设定量程内±1.5 K的精度能够满足本实验的精度要求；其50帧/s的测量速率及连续录制带测量数据的动态红外影像功能也基本满足实验的实时性要求；根据不同视场角需求更换镜头的功能解决了实验空间受限等环境制约问题；操作抗震性能适应实验过程中的振动；其各项参数均可满足实验要求；与该仪器配套的软件，除了可以完成热像仪的在线操控、数据采集、红外热图浏览、图库管理和分析外，还可以进行区域或点的温度-时间趋势、线温趋势图、直方图、逐点或区域辐照率修正、测量模式修正工具等功能，可以方便地对红外数据进行深入、精确分析和评估。该仪器的主要参数见表3。

三、监测过程与结果

首先，确定环境温度和湿度是否符合实验仪器设备要求。然后测试前电梯在空载情况下进行数次试运行，直至稳定为止；采取措施保证测试过程中被测电梯独立操作，不受干扰。

调整并固定好红外热像仪位置，以闸瓦和制动器接触面（沿制动旋转离去闸瓦端方向）为目标进行对焦，必要时更换镜头以保证视窗和景深。首先断开超载保护装置，并调整轿厢砝码的加载量至设定值。如采用砝码加载比较困难，可采用其他加载形式。轿厢行至顶层端站平层位置，确保轿厢内没有乘客，启动电梯从顶层端站向底层端站下行，待轿厢行至井道中部（电梯达到额定速度后），开启红外热像仪实时数据采集，并在延时2 s后启动紧急制停操作。需要注意的是待完全停止后继续记录热像图2 s～3 s后停止。

表3 所选用的红外热像仪主要参数

1.监测数据采集

为获得尽可能好的测量效果，正式开始前我们分别尝试了各种视场角度和焦距，对比不同视场度和焦段下的采样效果。

在电梯紧急制动时，整个制动器的最高温可能位于制动轮与闸瓦摩擦接触面，但此接触不与周围爆炸性环境接触，所以在防爆时只需考虑暴露于外界空气的高温点。制动器在紧急制停时可能存在两个与外界空气接触的最高温度点：一个点位于制动闸瓦的外露表面，另一个位于制动轮由制动闸瓦旋出的外表面。实际上，闸瓦摩擦片导热性能很差且吸收热量少，制动时产生的大部分热量被制动轮吸收。因此，制动轮温升较快，制动器与外界空气接触的最高温升点位于制动轮由制动闸瓦旋出的外表面（如图2所示），实验结果也验证了该推断。所以本实验中所有的热图像都是以仰视角度测量制动轮旋出制动闸瓦部分表面温度。

图2 制动器旋转方向与暴露高温表面位置

本实验按照表2的实验参数，先后共测量了10组有效的红外线热图像数据，每组数据都进行了重复测试，单次采集时间持续10 s（500帧），热图像采集时的焦距主要为30 mm镜头，在个别拍摄角度较差的情况下为50 mm镜头。

为评价采集数据的可重复性，实验过程中对热像仪所采集热图的一致性进行了现场分析比较，数据的可重复性较好。

2.监测结果分析

图3 最高温度区域热图像示例

图4 每帧最高温度点的时间序列曲线

从图3这幅热图像中可以看到，该实验梯的最高温度区域出现在制动闸瓦外侧边缘的制动轮上。在选定的测量区域内IRBIS®3软件可以自动捕捉最高温度点，通过序列回放可在热图像区直观地跟踪温度变化过程，图4所示为额定速度为1 m/s、载荷为1 250 kg规格的实验样梯，以超载125%向下运行工况时的紧急制停验证性实验热图像序列中的截图，最高温度出现在第83帧，温度值为49.13℃。

根据上述实验方案和表2设计的实验参数，我们进行了多组实验，得到了8组有效的温升对比数据，所测得的温度值均在设定的量程范围（－40℃～100℃）内，而制动轮的辐射率经初始环境温度下的比对测量可认为接近1.0，且透射率因实验梯机房内空气环境无异常也认为接近1.0，本实验采样的红外热像仪所测温度数据的误差值不大于±2℃，处于可接受的误差范围内。

四、结语

针对防爆电梯制动器紧急制动情况下，温升测量和监控手段缺乏的问题，本文选用红外热像仪作为测量手段，根据现场情况设计了实验方案，并且在一台具有典型性的防爆电梯上进行了8组实验，实验结果表明，本文提出的测量方法可以作为制动器紧急温升现场监控的有效方案，同时，可以进一步被应用于防爆电梯制动器紧急制停温升的实验研究。希望本方法能够为今后进一步揭示制动器的防爆性能和特点、设计参数优化，为防爆电梯的安全检验，为防爆电梯相关标准和技术规范的制定，提供良好的实验方法和数据分析基础。