一种无载的电梯平衡系数检测方法及其实现

孙学礼，黄国健，刘英杰，何 山，彭启凤

(广州特种机电设备检测研究院，广东 广州 510663)

一种无载的电梯平衡系数检测方法及其实现

孙学礼，黄国健，刘英杰，何 山，彭启凤

(广州特种机电设备检测研究院，广东 广州 510663)

针对现行电梯平衡系数测试方法(电流-载荷曲线法)效率低、成本高和精度差的问题，提出了一种新的平衡系数检测方法，并研制了相应的装置。电梯平衡系数是反映轿厢和对重质量关系的一个比例值，测出轿厢及对重质量即可得出电梯平衡系数。根据电梯平衡系数定义开发的检测装置，在夹持住轿厢(对重)上方一端钢丝绳组后，利用伺服电机驱动T型丝杆将钢丝绳组张力转移到力传感器上，因钢丝绳张力等于其悬挂重物质量，读取力传感器值即可得出轿厢的(对重)质量。该装置在试验室、现场作了大量测试。试验结果表明：钢丝绳组所悬挂重物质量测量误差在0.005以内。该装置适用于钢丝绳牵引且无补偿绳的曳引式电梯，可测量的梯型占曳引式电梯90%以上。现行电梯检测过程中，超载开关验证也需搬运砝码，故计划改进检测装置，使其既可测出电梯平衡系数的值，又能验证电梯超载开关的有效性。

电梯平衡系数； 电流-载荷曲线法； 伺服电机； 钢丝绳张力； 曳引式电梯

0 引言

曳引驱动理想的情况是曳引轮两端悬挂物质量相等，但由于轿厢内负载的大小是经常变化的，而对重在电梯安装调试完毕后已经固定，不能随时改变，因此很难实现。为使电梯的运行基本接近理想的平衡状态，就要选择一个合适的系数反映轿厢质量、对重质量及额定载荷间的关系。该系数称为电梯平衡系数。

现行检规中的平衡系数检测方法是“电流-载荷曲线法”。该方法需要反复搬运砝码，劳动强度大、作业时间长，且在测量过程中存在多处易产生误差环节，影响其数值的准确性和可重复性[1-10]。

针对现行检测方法的缺点，设计了一种直接称重空载轿厢、对重质量的平衡系数检测仪。该仪器通过测量钢丝绳张力，求得轿厢、对重质量，代入平衡系数定义公式，最后得到电梯平衡系数[11]。

1 装置测量原理

1.1 定义法实现原理

电梯在停止状态下，轿厢侧、对重侧上端钢丝绳所受张力即为轿厢、对重质量。定义法即测量钢丝绳张力，测量原理如图1所示。

图1 定义法测量原理图

测量时，将轿厢、对重升至同一高度，在轿厢(对重)上方选取一段钢丝绳组，将固定夹绳装置1、夹绳装置2于钢丝绳上，以夹绳装置1为支撑，利用伺服电机、谐波减速机组成驱动系统驱动T型丝杆提升夹绳装置2，使其中间所夹钢丝绳组松弛不受力。此时夹绳装置1与夹绳装置2间钢丝绳的张力转移到夹绳装置上，作用在夹绳装置1处为向下拉力，作用在夹绳装置2上为向上拉力。该力由传感器测出，其值即为轿厢(对重)的质量[12]，轿厢(对重)质量除以常数重力加速度g即可得轿厢(对重)的质量。

平衡系数检测仪操作的位置可在轿顶，也可在机房。当机房钢丝空间足够时(曳引轮两端钢丝绳长≥350 mm)，将轿厢、对重升至同一高度，安装平衡系数检测仪，分别测出轿厢侧质量G1、对重侧质量W1。假设从曳引轮处到轿厢、对重处的钢丝绳质量分别为M1、M2，电梯轿厢、对重质量分别为G、W，则G1=G+M1，W1=W+M2。由于轿厢、对重停在同一高度，M1=M2，代入平衡系数定义公式得到：

(1)

1.2 丝杆提升扭矩计算

提升夹绳装置2的力，可由液压系统提供，也可由丝杆提供。该方案丝杆选用梯形丝杆。丝杆是工具机械和精密机械上常用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。而梯形螺纹牙根强度高、对中性好，相比其他的螺纹更耐磨，且螺纹升角小于5°时具有自锁功能。驱动螺母力矩如式(2)所示：

Mq=Mt1+Mt2+Mt3

(2)

式中：Mq为驱动转矩；Mt1为螺纹摩擦力矩；Mt2为螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩；Mt3为螺旋传动径向轴承摩擦力矩。

设计中，在支撑面加入推力轴承与深沟球轴承，将螺旋传动轴向支撑面摩擦力矩Mt2、螺旋传动径向轴承摩擦力矩Mt3对系统的影响降到很小，在此将其忽略，故Mq的计算公式可简化为:

（2）试验材料 钢制安全壳材质为SA738Gr.B，其为美国ASME规范中的牌号，随着中国三代核电技术的引进、消化和再创新，目前我国已经具备SA738Gr.B钢板的自主制造生产技术。本文所用材料即为国内某钢厂研制的S A738G r.B钢板，供货状态为调质（淬火+回火）状态，板材规格为400mm×800mm×52mm，主要化学成分及力学性能如表1所示。

Mq≈Mt1

(3)

(4)

d2=d-0.5P

(5)

(6)

(7)

式中：d2为外螺纹中径；F为螺旋传动的轴向载荷；λ为螺纹升角；ρ′为当量摩擦角；d为外螺纹大径(公称直径)；P为螺距；s为导程；f为摩擦因数；α为槽型夹角。

2 部件介绍

平衡系数检测仪(balance coefficient measuring instrumont,BCMI)结构如图2所示。

图2 平衡系数检测仪结构图

该检测仪由左、右两部分组成。闲置、搬运时，左、右两部分单独存放；测量时，左、右两部分通过螺栓、螺母固定于电梯曳引钢丝绳上。

平衡系数检测仪单侧结构如图3所示。电机、减速机固定在上夹块，内衬块固定于夹块中，直接与钢丝绳接触。左、右两侧T型丝杆的螺纹不同向。提升时，电机旋转也不同向，但转速和旋转的角度相等。为了增加在机房测量的可行性，连接丝杆配有不同的规格。当测量空间有限且电梯曳引钢丝绳直径较小时，可选用短型的连接丝杆。

图3 平衡系数检测仪单侧结构图

2.1 驱动装置

本文所述驱动装置由伺服电机、谐波减速机、连接法兰及连接轴组成。伺服电机具有高速、高精度的特点。其采用位置控制模式，即以输入脉冲数来控制位置、以输入脉冲的频率来控制速度，能够满足电梯平衡系数检测的要求。伺服电机控制器采用STM32+TLP181组成的电路，STM32的GPIO端口可直接控制光电耦合器TLP181产生脉冲，控制电机旋转的速度和角度；光电耦合将控制电路与伺服电机驱动器隔离开来，避免了外界对控制电路的干扰；为了保持两侧电机同步，采用同一信号源进行控制，即两侧电机所接收到的为同一信号；在伺服驱动器处，设置一个电机正转、另一个电机反转，使电机在电梯曳引钢丝绳上产生的扭力相互抵消。所选用的安川伺服电机的尺寸约为40 mm×40 mm×77 mm，质量约为0.4 kg，其额定转速为3 000 r/min，额定输出扭矩为0.31 N·m。当采用100∶1的谐波减速机减速后，额定输出扭矩为31 N·m。根据前文可知，提起1 t重物需25 N·m，故选用2套100 W电机、100∶1谐波减速机，其可提升重物的质量理论上大于2 t。该提升质量在现场试验中得到了验证。

2.2 夹块及内衬块

为避免平衡系数测量过程中对电梯曳引钢丝绳造成损伤，采用硬度较小的内衬块与钢丝绳直接接触，内衬块嵌在夹块凹槽内；内衬块的绳槽规格与曳引绳直径对应，即不同直径的钢丝绳对应不同规格的内衬槽，绳槽最多为8个；内衬块材料选用安全耐磨的高分子材料，在保证钢丝绳安全的前提下，又与钢丝绳有足够的摩擦力，摩擦系数≥0.35。

夹块分为上夹块、下夹块，上、下夹块各有左、右两块，其两侧设有安装耳，安装耳上设有安装通孔。左、右夹块通过螺杆螺母安装一起，螺杆选用M16 12.9级规格；上夹块固定有驱动装置，且装有深沟轴承与推力轴承，用于减少T型螺母转动时与支撑面的摩擦力；夹块按提升2 t重物设计，材料选用42CrMo。

3 检测仪测试结果及分析

3.1 搭建试验平台

模拟电梯现场曳引钢丝绳的试验平台如图4所示。该平台由上拉板、下拉板、电梯曳引钢丝绳、吊环等组成。其中：上、下拉板有8个绳头孔，最多可放置8根钢丝绳；电梯曳引钢丝绳有Ф8 mm、Ф10 mm、Ф12 mm、Ф13 mm、Ф16 mm等规格；绳头可在拉板绳孔处进行上下调节；上拉板的吊环通过扁平吊带吊在起重机吊钩处；下拉板的吊环通过扁平吊带吊起2 t砝码。

图4 试验平台

3.2 提升试验

操作起重机，通过试验平台，吊起2 t砝码。安装电梯平衡系数检测仪，开启控制器，向伺服电机发送脉冲，使伺服电机以2 000 r/min的转速旋转90 000°，电机停止。由于谐波减速机的减速比为100∶1，谐波减速器的输出端旋转了900°。T型纹螺杆的螺距为2 mm，此时平衡系数检测仪的下夹块向上移动了5 mm，上、下夹块间的钢丝绳已经处于松弛状态，读取S型拉力传感器的值。同理，分别吊起1 000 kg、500 kg、20 kg的砝码进行试验，所得提升试验实测数据如表1所示。

表1 提升试验实测数据

在进行提升试验时，试验平台采用了5根Ф10 mm电梯曳引钢丝绳。由试验数据可以看出，平衡系数检测仪对砝码的称重误差控制在0.001 6以内(使用现场都远远大于20 kg，故20 kg的误差不考虑在内)；1 t的重复性误差为0.7 kg，2 t的重复性误差为0.9 kg，都在可接受的范围内。

4 结束语

根据电梯平衡系数定义，测出空载轿厢质量、对重质量，再将已知的电梯额定载荷代入平衡系数公式，即可得到电梯平衡系数的值。该方法原理简单、直接，没有过多中间环节、参数设定，减小了误差产生的可能性；检测过程为无载检测，无需搬运砝码；由于不改变曳引轮两侧的受力分布，且提升距离较短(≤20 mm)，安全可靠；与钢丝绳接触的内衬块，选用高分子材料，且各种直径的钢丝绳，有相应的绳槽与之对应，将对钢丝绳的损伤降低到最小。

采用伺服电机加谐波减速机作为提升驱动系统，具有体积小、质量轻、同步性好的特点。相比于液压驱动，伺服电机驱动系统在提升性能的同时又提高了设备的便携性和安装的简便性，并在提升过程中，无需人为干预，实现了电梯平衡系数的自动测量。

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[3] 赵国先.电梯平衡系数无载测试技术探讨[J].中国电梯,2007,18(5):55-58.

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[11]安徽中科智能高技术有限责任公司.一种电梯平衡系数的测量方法:CN200510075623.6[P].2005-11-16.

[12]广州特种机电设备检测研究院.一种基于丝杆拉升式的电梯空载平衡系数检测装置:CN201610158430.5[P].2016-08-31.

MethodandImplementationoftheBalanceCoefficientDetectionforUnloadedElevator

SUN Xueli，HUANG Guojian，LIU Yingjie，HE Shan，PENG Qifeng

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing,Guangzhou 510663，China)

In view of the disadvantages of current testing method (current-load curve method) of elevator balance coefficient,such as low efficiency,high cost and poor precision,a new testing method of elevator balance coefficient has been put forward and the corresponding device has been developed.The elevator balance coefficient is a proportional value that reflects the mass relationship between the car and the counterweight; by measuring mass of car and counterweight,the elevator balance coefficient can be obtained.The new testing device is developed according to the definition of elevator balance coefficient.After fixing clamps on a group of wire ropes’ above the car or counterweight,the servo motors drive T screw to transfer the wire ropes’ tension to force sensors.Because the wire rope tension is equal to the mass of hanging heavy objects,the value of sensors measured can conclude the mass of car and weight.A large number of tests have been done in lab and field,the test results show that the measurement error for mass of the hanging heavy objects is within 0.005.The device is suitable for the wire rope traction elevator without compensation rope,and the measurable elevator types occupy more than 90 percent of the traction elevators.Currently,the process of verification for the overload switch also needs weights,so the device will be modified.The improved device can not only test the balance coefficient,but also can verify the validity of the overload switches of elevator.

Elevator balance coefficient; Current-load curve method; Servo motor; Wire -rope tension; Traction type elevator

TP216;TH-39

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709015

修改稿收到日期:2017-04-14

广东省质量技术监督局科技基金资助项目(2016PT01)、广州市科技创新委员会科技计划基金资助项目(2015109010008)

孙学礼(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事检测仪器开发方向的研究。E-mail:641302712@qq.com。