电梯平衡系数快捷检测新技术研究

孙立新 戴广宇

(1.重庆市特种设备检测研究院 重庆 400121）

（2.天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

中国是全球最大的电梯生产国与电梯消费国，每年约有60 万部新电梯安装使用，其中，曳引式电梯占90%以上。按照现行的电梯技术规范与技术标准要求，这些新装电梯都要进行平衡系数的测试调整，合格后方可投入使用。因此，平衡系数检测是电梯行业一项量大、面广、要求高的技术工作。鉴于传统的检测方法费时费力，研究快捷的平衡系数检测新技术十分必要。

1 背景

平衡系数是曳引式电梯最重要的技术参数之一，合理的平衡系参数是保证曳引式电梯正常工作的必备条件。

1.1 平衡系数的定义

图1 是电梯曳引系统示意图。GB 7588《电梯制造与安装安全规范》的附录G 给出了电梯平衡系数的定义：“平衡系数，即额定载荷及轿厢质量由对重或平衡重平衡的量。”

按照电梯平衡系数的定义，其数学表达式为：

式中：

K ——电梯平衡系数；

W ——电梯对重系统质量，kg；

P ——电梯轿厢系统质量，kg；

Q ——电梯额定载荷，kg。

图1 电梯曳引系统简图

1.2 电梯标准提出的检测方案

GB/T 10059《电梯试验方法》提出的电梯平衡系数测试方案是：轿厢分别装载额定载重量30%、40%、45%、50%、60%作上、下全程运行，当轿厢与对重运行到同一水平位置时，记录电机的电流值，绘制电流-负荷曲线，以上下运行曲线的交点确定平衡系数。图2 是一个电流-负荷曲线图的实例。

图2 电梯负荷-电流曲线图

这种检测方案的测试原理是，电机的电流值可表征电梯负载大小，当装载为平衡系数×额定载重量时，曳引轮两侧的荷重相等，即轿厢系统与对重系统处于平衡状态，电梯向上或向下运行阻力相等，电机运行电流相同。绘制电流-负荷曲线图就是要找出电梯向上与向下运行电流相同的载荷值。

此检测方案的优点是技术成熟，不需要专用测量仪器；缺点是需要逐级加载测试，反复装卸试重砝码比较费时费力，现场作业时间通常超过1h。

“士人精神”影响的是知识分子或者更准确地说是中国读书人对自我的要求，即基于文化良知的健全人格或者是基于健全人格的文化良知。“士人精神”是一种教育与自我教育的结合。“士人精神”的第一自我要求便是坚守这种良知而为人处世。这是一个民族的自我追求，它不是体现在哪一个朝代或者历史时期，而是一种时间维度上的继承与拓展。

1.3 称重式空载静态测试方案

由于上述GB/T 10059 提出的检测方案比较费时费力，近年来空载平衡系数测试技术应运而生，取得了一些研究成果，如德国T V 公司开发的ADIASYSTEM 电梯检测系统、广州机电院研发的电梯空载平衡系数检测仪等。图3 是在电梯空载静止工况，使用测力传感器分别称量轿厢系统与对重系统自重的检测方案；图4 是在电梯空载静止工况，通过手动释放曳引机的抱闸，使用测力传感器直接测量曳引轮两侧重量差的检测方案。

图3 曳引轮两侧张力直接测量方案

图4 曳引轮两侧张力差测量方案

此检测方案的优点是省去了反复装卸砝码的环节，测试原理源于电梯平衡系数的定义，检测结果计算简捷。影响其推广使用的瓶颈主要有2 个：

1）采用的测力、称重等测试装置在检测现场安装不便捷，虽然省去了装卸砝码的环节，但增添了测力机构的现场安装调试，检测作业时间与工作效率提升并不显著。

2）机构静摩擦力的方向与大小会影响检测精度，正如ADIASYSTEM 电梯检测系统说明书所述：“此仪器对电梯平衡系数不是一种很精确的检测”。

2 快捷检测方法原理

为了提高检测工作效率，借鉴电梯行业在平衡系数检测领域的科技成果与工作经验,发明了电梯平衡系数快捷检测新技术，其检测原理清晰，数学模型严谨，检测作业只需10min。该技术已经获得多项授权发明专利，主要有ZL2012101635845《电梯平衡系数的检测方法》、ZL2012101635084《电梯平衡系数检测仪》、ZL201210163507《电梯钢丝绳位移测量装置》，以及美国发明专利US2015/0142339A1《ELEVATOR BALANCE COEFFICIENT DETECTION METHOD AND DEVICE》。

2.1 快捷检测方法简述

图5 是电梯平衡系数快捷检测方案系统图。

图5 快捷检测系统图

采用电梯空载工况动态检测方案，具体检测过程是：将功率测量装置接入驱动电机的电源线上，将速度测量装置置于曳引钢丝绳上；电梯轿厢空载工况从底层至顶层再由顶层至底层全程往返运行，实时测量并记录速度与功率数据；应用上述测量数据与被测试电梯的基本参数，依据电梯运行中能量传递关系，经数据处理终端计算得到电梯平衡系数的具体数值。其检测过程不需要加载，测试数据只有速度与功率两项，测试装置的安装方便快捷，其检测结果经多次对比试验表明与按GB/T 10059 提出的“电流-负荷曲线图”方法的测试值基本一致。

2.2 电梯空载下行工况电机功率

如图6 所示，电梯驱动电机的运行负载为曳引轮两侧的重量差；依据平衡系数定义，电梯空载时曳引轮两侧的重量差为KQ。

图6 电梯空载运行负载图

电梯空载下行时电机处于电动状态，由电机拖动负载运行，电机运行功率为负载的位移功率与机构传动损耗功率之和：

式中：Nx——电梯下行功率，W；

Vx——电梯下行速度，m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s2；

μ——机构传动损耗系数。

2.3 电梯空载上行工况电机功率

电梯空载上行工况的负载以及机构传动损耗与电梯空载下行相同。由于对重质量大于轿厢质量，此时的电梯负载依靠重力拖动电机运转，电机处于发电制动状态，电机功率为负载的位移功率减去机构传动损耗功率：

式中：NS——电梯上行功率，W；

VS——电梯上行速度，m/s。

2.4 平衡系数求解

由式(2)与式(3)可建立二元一次方程组：

在式（4）中，K、μ 二项是未知变量；其余的Q、Nx、NS、Vx、VS六项是电梯参数或测试数据，为已知变量。求解二元一次方程组式(4)，即可得到平衡系数K 的数值。

2.5 检测精度补偿

由于电梯曳引方式、配置参数的差别，会影响到测量精度，例如采用蜗轮蜗杆曳引机的电梯，由于蜗轮蜗杆的正向与反向传动效率相差较大，直接应用式(4)得到的测量结果可能存在较大的误差。

为了提高检测精度,可以依据不同曳引方式、不同配置参数电梯的检测结果进行更精确的补偿（修正）。对采用蜗轮蜗杆曳引机的电梯，我们通过大量检测数据的积累与分析，按功率因数、速度、曳引方式三个特征对损耗系数u 进行非线性补偿，其平衡系数检测结果的偏差在±0.02 以内。

3 试验

为了验证平衡系数快捷检测方法与标准推荐方法的符合性，研究者历经3 年在电梯现场进行了120 余部(次)的检测精度试验与不同检测方案的比对试验。

3.1 检测系统的构成

按照快捷检测方案的要求，研发了TYP 型电梯平衡系数智能检测仪，由以下3 个模块组成：

1）功率测量模块

采用三相交流变频功率测量模块，以适应现代电梯普遍应用VVVF 拖动电机的测量要求。测量范围1.0kW ～30kW，基本测量精度0.2%；

2）速度测量模块

通过测量曳引钢丝绳或限速器钢绳的位移,间接得到电梯运行速度。测量范围0.2m/s ～8m/s，基本测量精度0.2%；

3）数据处理模块

选用通用PC 为检测数据处理终端，研发了适用于电梯平衡系数快捷检测技术方案的计算机软件。

3.2 试验数据

表1 是对广州市不同规格的10 部电梯进行平衡系数检测的数据（检测时间:2014 年12 月7 日～12 日）。检测中使用了3 台同一型号TPY 型检测仪连续测量3次，取3 次测量数据的中间值为检测结果；表中的“按标准测试值”是指GB/T 10059 提出的“电流-负荷曲线图”检测方法的检测结果。

表1 10 台电梯的平衡系数检测结果

表2 是在同一部电梯上分别使用3 台仪器各进行10 次检测的数据（检测时间:2014 年10 月7 日～10日）。电梯参数为：额定载重量1050kg、额定速度1.5m/s、永磁同步曳引机、额定频率24Hz、曳引比2:1。

表2 3 台仪器10 次检测的平衡系数测试结果

3.3 数据分析

图7 相对误差分析图

从图7 可以看出，测量结果与标准值的最大正偏差0.012，最大负偏差0.01，可以认为测量结果与标准值基本一致；1#、2#、3#三台检测仪的检测数据离散型较小，最大相对差为0.005；发生在对序号L2 电梯的检测中。

图8是检测数据的偏差离散图，根据表2数据绘制。30 个测试数据的算数平均值为0.434，同一台仪器检测结果最大偏离为0.008，不同仪器之间的检测结果相互差为0.017。

图8 偏差离散图

从图8 可以看出，其中的27 个测试数据（占全部检测数据的90%）与平均值0.434 相差在0.003 以内；仅有3 个测试数据偏离较大，偏离最大值发生在2#检测仪的第9 次检测，为-0.010，可判断为随机误差。为了克服或减小检测随机误差，检测作业可以连续做三次，取三次测试值的中间数据为测试结果，可以有效地提高检测精度。

3.4 比对试验

由中国特种设备检验协会、上海三菱电梯公司、天津特检院、国家电梯质检中心（广东）等二十多家机构对该“平衡系数快捷检测技术”进行了比对试验，验证其检测结果与按电梯检规检测的平衡系数结果一致性较好，检测作业时间约缩短10 倍，可以显著提高检测工作效率。表3 是2015 年4 月7 日～4 月8 日，中国特种设备检验协会在广州广日电梯工业有限公司电梯试验塔，组织4 家检验机构4 种检测方法进行3台电梯平衡系数检测情况的汇总。

表3 四种平衡系数测试方法比对结果 2015-4-07

4 几种检验方案的比较

为了叙述方便，把本文1.2 叙述的检测方法简称为“国标方案”；1.3 叙述的检测方法简称为“称重方案”，2.1 叙述的检测方法简称为“快捷方案”，见表4。

表4 电梯平衡系数检测方法比较

由于传统的“电流-负荷曲线图”电梯平衡系数检测方法费时费力，致使“漏检验”、“假检验”时有发生。根据国家电梯产品质量监督检验中心近日对400 部老旧电梯技术状况抽查的统计分析，其中的208部电梯平衡系数检测不合格，占抽查总数的52%；部分电梯的平衡系数值在0.1 以下，已经成为严重安全隐患。因此，普及电梯平衡系数快捷检验技术，提高电梯平衡系数的检验合格率已经成为电梯安全监管的当务之急。

[1] 刘培.电梯平衡系数的检测方法[P].中国专利：2012101635845，2012-09-19.

[2] 刘培.一种电梯平衡系数的检测方法及其检测仪[P]. PCT专利:WO2013/174243 A1，2013-05-17.

[3] Shi Chenjiang, Zhao Yuzhu. The development of balance co-efficiency test device[J]. Machinery Design & Manufacture, 2010，10(2)：76-80.