根据效率曲线及负载特点合理配置扶梯主机

陈正

（广州奥的斯电梯有限公司，广东广州 510425）

根据效率曲线及负载特点合理配置扶梯主机

陈正

（广州奥的斯电梯有限公司，广东广州 510425）

叙述了扶梯的负载特点、扶梯主机效率曲线的应用、扶梯主机损耗和效率的影响因素、电机和减速箱的类型及其在扶梯中的应用特点，给扶梯主机的合理配置和节能应用提供了实用性的参考建议。

扶梯；主机；电机；减速箱；效率；节能；配置；应用

扶梯与电梯不同的一大特点之一，扶梯的动态载荷的增加与提升高度的增加成正比，变化范围相当的大。按GB16899的要求，梯级的宽度为1米时，扶梯每个梯级的制动载荷为120 kg。以一个梯级的高度为0.2米计算，提升高度为6米宽度为1米的扶梯，从梯上只有一个乘客到整个扶梯满载（参见图1），载荷变化范围是60～3 600 kg，提升高度为12米宽度为1米的扶梯，载荷变化范围是60～7 200 kg。对于难以精确预测和不可控制的动态负载，驱动主机和配电等设备都必须考虑最极限的状态下的功能配置达到要求。在非满载情况下如何节约电能，成为了扶梯行业一直探讨的课题。

图1 扶梯乘客载荷分布示意图

1 扶梯能耗与乘客载荷和主机效率的关系

扶梯的耗电计算取决于一台扶梯各种载荷变动周期内的负载率，在各种载荷变动周期内的工作效率，各种载荷变动周期内的累计工作时间。

η(1),η(2)···——主机各种载荷变动周期内的工作效率（%）；

t(1),t(2)···——主机各种载荷变动周期内的累计工作时间（小时）

例如，扶梯主机的额定功率P，负载模式如表1。

表1 扶梯能耗关系表

由上式看出扶梯的主要耗电与乘客的负载率和主机的效率有着密切的关系。

即假定每3个小时为一个周期，0.5小时满载，其余2.5小时载荷分别为60%和25%，同一主机在不同的负载工况下效率分别为82.7%和72.9%，平均耗电功率分别为额定功率的0.8倍和0.482倍。

如何恰当地配置扶梯主机，使扶梯在满载和非满载工况下主机都运行在高效率的工作状态，对长时间连续运转但多数时间工作于非满负载状态的扶梯，有着重要的意义。

目前国标型式试验对扶梯主机的效率评估，均是指达到热平衡时100%额定负载下的主机效率。但目前大部份的扶梯主机的效率都是随负载减小而降低，且在扶梯空载时低效率尤其明显。所以额定负载下的主机效率与主机实际工况下的工作效率是有差别的。

2 结合扶梯的负载特点看主机的效率曲线

如何评价和合理利用扶梯主机的效率曲线，主要看扶梯通常的工作载荷在主机效率曲线的哪一段。

试验及统计数据表明，当扶梯的额定功率按扶梯100%满载时配置时，通常扶梯空载时主机的驱动功率是主机额定功率的20%左右，而大部份扶梯的峰值载荷大约最多在主机额定功率的70%左右。

如图2，从效率对应于负载的变化率看，效率曲线呈先陡后平的趋势。从扶梯常处于非满载工作状态方面考虑，扶梯主机的效率曲线中满载效率η越高，低负载段L越短，满载效率与低载效率的差值△η越小，即具有高而平的效率曲线的主机，是比较理想的高能效的扶梯驱动主机。

图2 主机负载效率曲线

从扶梯使用的角度来看，把主机的效率曲线分为A、B、C三段。按规范要求，扶梯主机都是在空梯（不带乘客）时起动的，A段是主机功率小于20%额定功率，这一段的负载率只影响扶梯起动，由于起动时间很短，A段的效率对正常工作的扶梯影响不大。B段是主机功率20%～70%额定功率，这一段是扶梯带乘客负载连续工作的效率，这一段的负载大小及对应主机效率是扶梯能耗的主要组成部份。C段是主机功率70%～100%额定功率，大部份扶梯很少能达到如此高的负载率，且由于扶梯入口的空间限制和乘客行走速度的关系，梯速越快，提升高度越高，达到70%以上负载率的可能性越小。

3 什么类型的主机能够具备高而平的效率曲线

3.1 扶梯主机主要构成部件

目前扶梯主机的主要传动件构成是由减速箱、联轴器、电机和制动部份组成。

由于扶梯的驱动力矩较大，目前的扶梯主机都离不开减速箱。减速箱的主要作用如下。

（1）减速。把电机转速从1 000 r/min或1 500 r/min变为10～20 r/min，减速箱加上链条传动的总减速比接近100。

（2）增力。扶梯的工作力矩较大，驱动一个6 m、0.5 m/s的满载扶梯，在梯级驱动轮上需要大约6 000 N·m的驱动力矩，通过减速箱和链条的减速，主机高速轴的驱动力矩只需70 N·m左右。在减速的同时提高输出力矩，力矩输出的比例是电机的输出转矩乘以减速比，在把电机的高速转速转为扶梯的慢速运行时，把电机的转矩增大了几十倍。如果不带减速箱直接用电机驱动扶梯的话，电机将变得很大，现有的电机在尺寸、成本和配电上都难以满足扶梯的大驱动力矩的要求。所以，当需要转矩变化时，使动力机（电机）仍按额定功率工作，而由传动装置（减速箱）来增加转矩，通常这样做比较经济。

目前扶梯驱动电机的主要类型：

（1）交流异步电机；

（2）永磁同步电机。扶梯主机联轴器大部份采用带橡胶缓冲块的爪型联轴器。

目前扶梯减速箱的主要类型：

（1）螺旋伞齿轮+斜齿轮；

（2）蜗杆蜗轮+斜齿轮；

（3）蜗杆蜗轮；

（4）行星齿轮。

3.2 扶梯主机效率的主要影响因素

扶梯主机的效率：η=η电机·η联轴器·η减速箱。

联轴器效率η联轴器效率大约98%。

受动载影响的主要是减速箱的效率η减速箱和电机的效率η电机。

3.2.1 减速箱功率损耗的各个组成部份

减速箱功率损耗如下式所示。

从上式看到，与负载相关的功耗来自于齿轮的啮合和轴承的运转。Pvz是轮齿在传力时由于齿廓滑动-滚动引起的摩擦损耗，是功率损耗的主要部份。轮齿摩擦损耗Pvz大致随着载荷的增长而成正比例增长，随着油粘度降低而少量增加（因为高粘度在混合摩擦区有助于油膜压力的形成）。

减速箱的传动效率由三部份组成：

η减速箱=η啮合·η轴承·η搅油。

减速箱的效率主要取决于啮合效率，啮合效率与减速箱的类型有关。

3.2.2 各种类型减速箱在扶梯应用中的特点

各种传动类型的效率差异表明，交错轴传动（蜗杆传动，准双曲面齿轮传动，螺旋齿轮传动）由于沿齿长方向有滑动，因此效率会降低（当η低于50%时，有可能存在反作用力的锁紧作用和自锁），根据这一原理，效率比较高的是相交轴或平行轴的齿轮传动，即沿齿长方向没有滑动的齿轮传动，伞齿轮，直齿或斜圆柱齿轮传动[2]。

（1）螺旋伞齿轮+斜齿轮二级传动的减速箱属于相交轴+平行轴传动，齿轮传动是滚动摩擦加少量滑动摩擦，传动效率比较高，额定负载下传动效率达到η＞95%,起动效率大于90%。

（2）蜗杆蜗轮属于交错轴传动，滑动摩擦比较大，所以蜗杆蜗轮在额定负载下的传动效率比伞齿轮传动低6%～7%，在非满载的效率更低。伞齿轮传动与蜗杆蜗轮传动的典型的效率曲线比较如图3。Eff2是螺旋伞齿轮传动的效率曲线，Eff1是蜗杆蜗轮传动的效率曲线，螺旋伞齿轮传动在负载起点较低到较大负载时基本保持了平而直的高效率，而蜗杆蜗轮传动在负载较低时效率比较差。

图3 减速箱负载效率曲线（伞齿轮vs蜗杆蜗轮）

伞齿轮传动大部份是通过滚动啮合传递动力，滑动摩擦较小，因而效率较高，但啮合冲击产生噪音和振动比蜗杆蜗轮大。

蜗杆蜗轮滑动速度分量大，而冲击速度小，所以运转噪音低，振动小。蜗杆传动能在一级传动中实现较大的传动比，承载能力较好，在功率不大时，较二级传动的伞齿轮+斜齿轮传动成本低，所以，蜗杆蜗轮减速箱中也得到了一部份扶梯用户的认同，广泛应用于扶梯主机之中。但轮齿相对滑动大，发热通常成为蜗杆蜗轮一级传动不能用于大功率的限制。值得注意的是，用于扶梯的减速箱必须避免在力流反向时出现自锁，因为扶梯在负载下行及制动时，蜗杆蜗轮减速箱处于蜗轮驱动蜗杆的工作状态，如果蜗杆蜗轮付的升角小于5°容易产生自锁，造成对蜗轮的冲击和损坏，对于传动比大中心距小的蜗杆蜗轮减速箱影响比较明显，要避免这种情况，蜗杆蜗轮付的升角至少大于8°.

实际上各种类型的减速箱的优缺点都是相对的，目前用于扶梯的不同类型的减速箱都尽量在保留其优势的同时弥补其不足。

（1）采用准双曲面齿轮交错轴伞齿轮付，准双曲面齿轮付的小齿轮和大齿轮的轴线相交距离偏置，由于轴线的偏置，啮合齿面的纵向中会出现附加的滑动运动，因此降低了噪声。但同时也增加了发热，降低了效率，但效率仍高于蜗杆蜗轮传动。

（2）采用大升角多头蜗杆蜗轮+斜齿轮的减速箱。由于蜗杆蜗轮噪音低，传动平稳，减振性好，随输入转速的提高及速比的减小而效率提高。斜齿轮在较小的空间内传递较大力矩，低速时也能保证较高的传动效率，但转速高时噪音较大。所以，当蜗杆蜗轮位于高速级，斜齿轮位于低速级时，把蜗杆蜗轮传动和斜齿轮的优点结合起来，既提高了效率，又减少了噪音。使额定负载下的效率达到了92%，与螺旋伞齿轮+斜齿轮的减速箱的满载效率仅差2%～3%，噪音也比齿轮减速箱低了几个分贝。由于采用了大升角多头蜗杆蜗轮，反向驱动的效率（即蜗轮带蜗杆时）也较高，对有电能再生的系统带负载下行时的电能回收有利。

（3）单级的变齿蜗杆蜗轮付减速箱，由于其独特的多点分散啮合方式，改善了润滑和散热，满载传动效率接近90%。

3.2.3 电机在扶梯应用中的特点

扶梯电机的工作状态有两种：

（1）扶梯向上运送乘客时，电机处于驱动状态，电机的转速比同步转速稍慢，动力来自于电机的电磁转矩，电机转动方向与转矩方向相同，除了克服梯级、梯级链和扶手带的重量引起的摩擦力外，还要克服乘客引起的梯路和扶手带摩擦力。是电能转换为机械能的过程；

（2）扶梯向下运送乘客时，电机处于发电机状态，电机的转速比同步转速稍快，电机的转动方向与转矩方向相反，电机转矩起着制动的作用，维持扶梯以恒定的速度下行。动力来自于乘客重量，除了克服梯级、梯级链和扶手带的重量引起的摩擦力外，还要克服乘客的引起扶手带摩擦力和电机的制动转矩。

异步电机在扶梯中的应用，应考虑以下几点特殊要求。

（1）负载转矩与过载能力

由于扶梯经常处于非满载的工作状态，电机的负载转矩需按实际峰值载荷的需求而定。对于商务型的扶梯，如果客户确认最高负载率不超过70%的话，可以按负载的70%配置主机的额定功率。由于异步电机的短时间允许转矩过载能力为额定转矩的1.5～1.65倍，允许持续时间大于1分钟左右。所以在确认扶梯电机的短期最大过载转矩和主机整体的破断安全系数后，商务型的扶梯不一定需要配置太大功率的主机，过大的备用功率会令电动机的效率降低。过低的负载率会造成功率因素较差。即使使用变频器，可以改善功率因素，但也不能提高电机的效率。

（2）发热校验与过热保护

电机的容量需考虑峰值载荷的持续时间，否则电机有可能出现过热。

扶梯电机的绝缘等级多为F级（155℃），为了提高电机的使用寿命和可靠性，往往采用F级绝缘材料，但温升限制按较低的等级（例如B级132℃）设置保护，避免电机损坏。

（3）频繁启动

为了安全，扶梯的启动都是在空载下起动。但对于水平人行道等起动惯量较大，驱动功率不大时，决定电机功率要考虑起动的影响。对于较小功率的电机，带间歇操作模式，或检修状态下启动频繁时，容易造成电机过热，应考虑适当把电机功率提高一档。当电机转子的转动惯量与额定转速的平方乘积为最小时，能获得快速启动和制动的效果。空梯运行功率小于电机额定功率的三分之一时，配置电机的功率大小对星三角起动的影响较小。

（4）电机转速

当确定电机额定转速时，必须考虑机械减速机构的传动比，两者必须相互配合。当功率一定时，电机的转速越低，其尺寸越大，价格越高，效率也较低。所以，对于50 Hz电源，传递同样功率时，使用1 500 r/min四极电机比使用1 000 r/min六极电机尺寸小，价格低，效率高，电机轴负载转矩小。但同样功率的1 500 r/min四极电机比1 000 r/min六极电机噪音高3分贝左右。选用哪一种需根据扶梯的应用场所需求确定。

（5）电机效率

异步电机功率损耗来源于电机运行过程中能量的固定损耗和可变损耗。固定损耗包括铁损和摩擦损耗，与负载无关，一般电动机固定损耗的数值较小。可变损耗主要是铜损，铜损与电枢电流的平方成正比。异步电机的效率和功率因素随着额定功率的减小和负载率的减小而降低。

由于绿色环保的倡导，对于电机的效率提出了更高的要求。IEC国际电工技术委员会于2008年10月批准发布了IEC 60034-30:2008单速三相笼型感应电动机能效分级标准（IE代码），标准定义能效分级为：IE1标准效率，IE2高效率，IE3超高效率，IE是“国际能效分级”的缩写。2011年6月16日后，欧盟将IE2能效等级作为电机强制性最低能效标准。多数扶梯客户都选择IE2能效等级的扶梯电机。

近年来，由于永磁同步电机在电梯行业的广泛应用，带永磁同步电机的主机也开始用于扶梯。由于扶梯要求转矩较大，主机依然需要带上减速箱增力。永磁同步电机与感应电机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因素，减少了定子电流和定子电阻的消耗，从而使其效率比同规格的感应电机提高2～8个百分点。而且，永磁同步电机在25%～120%额定负载范围内均可保持较高的效率(0.93～0.96)和功率因素（0.93～0.99），使轻载运行时节能效果更为显著。

与三相感应电动机相比，永磁同步电动机没有转子损耗，铁耗，杂耗也比较低，由于损耗的减少和功率因素的增加，永磁同步电机的定子电流就要下降，定子铜耗也要下降，电机效率具有高而平的特点。对于负载在较大范围内变化的应用场合，会有明显的节能效果。据统计分析，小功率同步电机比感应电机效率提高5%～8%，功率因素提高10%～20%。从发展趋势看来，用永磁电动机取代感应电机是一项很有前途的研究方向[3]。

4 合理配置扶梯主机，匹配实际负载，提高能效利用率

（1）相交轴或平行轴传动的减速箱配置永磁同步电机组成的主机具备高而平的效率曲线，能在比较大的动载范围内达到能源的最高利用率。

（2）一个减速箱覆盖的功率范围不要太大。

额定负载变化太大时，分为两个减速箱，使实际负载功率尽量接近减速箱额定设计功率，使减速箱的实际工作负载在减速箱效率较高的一段，能提高电能的利用率。如图4，Eff3是一个减速箱覆盖较大功率范围的例子，Eff1和Eff2是用额定功率大小不同的两个减速箱分别覆盖功率范围的较小段和较大段的例子。很明显，分为额定功率大小不同的两个减速箱比用一个大减速箱工作效率高，而且对节约成本和机房空间有利。

（3）不宜对商务型扶梯配置过大的备用功率。运行功率越接近额定功率，电能利用率越高。对于商务型的扶梯，客户确认最高负载率不超过70%的话，可以按负载的70%配置主机的额定功率。但不按100%负载率配置主机必须符合GB16899的安全规范的要求，破断力矩具备5倍以上安全系数，短时间驱动力矩能带动满载的扶梯正常运行，并能在规定的距离内制停满载的扶梯。

（4）尽量采用较高速度的电机和较小减速比的齿轮箱，让传动件工作在较高的转速，可以使传动件工作于同样功率下承受相对低一点的负载转矩，可提高传动件在同样负载下工作的安全系数及使用寿命。

（5）针对不同的使用场所的特点，选用合适类型的驱动主机。

图4 减速箱负载效率曲线（额定功率vs工作负载范围）

斜齿轮的效率比蜗杆蜗轮高，蜗杆蜗轮的噪音比斜齿轮低。所以，对于公交运输的比较热闹的地方，噪音的影响相对小，用斜齿轮的减速箱比较好。而对于高级商场、图书馆、医院等比较安静的地方，噪音的影响相对大，用蜗杆蜗轮减速箱比较好。

（6）提升高度太小，或水平人行道，由于没有下行重量的势能存在，对电能再生没有意义。当控制系统带有电能再生系统时，多台扶梯一起使用，电能的消耗会比使用单台扶梯时有利。

（7）间歇操作是扶梯节能模式之一，但应选择适当的间隔以避免过多的频繁起动，过少的停梯时间，起不到省电的作用反而造成对传动系统的过多冲击和磨损。

（8）调整操作简单，维保成本低对于主机的配置非常重要，及时换油，通风良好对主机的工作性能和寿命有较大的影响，良好的维保措施的制定和执行才能保证主机长时间工作在高能效状态。

5 结束语

本文关于合理配置扶梯主机及节能所提及的参考建议，是基于目前已经广泛应用于扶梯主机的电机和减速箱的成熟的技术和产品，寻求比较优化的应用途径。期待随着今后新技术的问世和新产品的换代，扶梯主机在安全、节能、环保方面将有进一步的提升。

［1］G.尼曼，H.温特尔.机械零件：第三卷［M］.北京：机械工业出版社，1991.

［2］G.尼曼，H.温特尔.机械零件：第二卷［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［3］刘益标，陈钧.基于DSP的电梯永磁同步电机的DTC控制系统［J］.机电工程技术，2011（11）：28-31.

［4］魏静微.小功率永磁同步电机原理、设计与应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

(编辑：王智圣)

表2 三种结构在不同厚度下的静态特性分析结果

4 结论

经过大量计算表明，针对十排钻床身不同结构形式及不同厚度存在以下规律：

（1）十排钻机床的非对称载荷工况是其最危险工况，此时床身位移最大；

（2）对同一矩形管壁厚的十排钻床身采用一字型筋板及X型筋板结构时，其位移明显比无筋板结构减小；

（3）通过对不同结构及矩形管厚度a的综合分析，得出最优床身设计方案为：a=9 mm的X型筋板结构。

参考文献：

［1］倪晓宇，易红，汤文成，等.机床床身的结构有限元分析与优化［J］.制造技术与机床，2005（2）：47-50.

［2］骆圆圆，钱瑞明，朱宏陪.基于ANSYS的水平定向钻机大梁的模态分析与改进设计［J］.中国制造业信息化，2006（8）：34-36.

［3］浦广益.ANSYS Workbench基础教程与实例讲解［M］.北京：中国水利电力出版社，2010.

［4］ Mostaka， Yoshimeura.Analysis and optimization of Structural Dynamics of Machine Tool by a Synthesis of Dy⁃namic Rigidity Program System.MTDR，1975，16th：201-203.

［5］邓金贵，容世桢，欧宏伟，等.十排多轴钻孔机床国，200920050408［P］.2009-01-19.

［6］M.Yoshimua.Computer Aided Design Improvement of Ma⁃chine Tool Structure Incorporating Joint Dynamics Data［J］.Annals of the CIRP，1979，28：241-246.

［7］吴鸿庆，任侠.结构有限元分析［M］.北京：中国铁道出版社，2000.

［8］肖利利.大型龙门加工中心结构优化设计及快速仿真平台开发［D］.南京：南京航空航天大学，2011.

第一作者简介：陈敬敬，女，1985年生，山东济宁人，硕士研究生。研究领域：机械设计及优化仿真。已发表论文1篇。

(编辑：向 飞)

Configuration of Escalator Machine Based on Efficiency Curve and Load Pattern

CHEN Zheng
（Guangzhou OTIS Elevator Co.，Ltd.，Guangzhou510425，China）

Describe escalator load pattern characters,escalator machine efficiency curve,escalator machine power loss and efficiency impact factors,analyze motor and gearbox type and respective application purpose for escalator,recommend practical reference comment for escalator machine reasonable configuration and energy-saving application.

Machine Motor Gearbox Efficiency Energy-saving Configuration Application

TU857

A

1009－9492(2014)03－0103－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.03.032

陈 正，女，1961年生，广东人，大学本科，工程师。研究领域：扶梯驱动主机。

2013－12－18