电梯双向限速器触发理论与实验研究

李万莉, 卞开特

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

电梯双向限速器触发理论与实验研究

李万莉, 卞开特

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

近年来，我国的电梯上行超速冲顶或下行失控坠落事故不断出现,造成了建筑物、设备的损坏和人员的伤亡.目前,针对电梯安全件双向限速器的研究，大多为对试验和检测方法的研究,而对触发理论的研究较少.通过力学分析建立了双离心块-弹簧触发模型,并在Matlab中对其进行仿真计算.通过设计实验验证理论模型,得出绳轮节圆动作速度和离心块质量、触发弹簧刚度、触发弹簧压缩量之间的相互关系,为双向限速器的设计选型、驱动控制提供可靠的参考依据.

双向限速器; 双离心块-弹簧触发模型; 参数仿真; 实验验证

近10多年来,随着我国城市化进程的加快,建筑电梯数量也在高速增长.2003年以前,我国仅有30万台电梯,而截至2014年,我国电梯保有量达到了360万台,数量翻了11倍,我国已成为全球最大的电梯使用国[1].然而,巨大的电梯市场背后存在着许多安全隐患,我国电梯普遍存在的大客流、高负荷的使用情况,电梯安全形势日益严峻.尽管工程技术人员不断提升曳引电梯的安全性能,但各地时常有建筑里电梯上行超速冲顶或下行失控坠落安全事故的发生[2].

传统的限速器主要是通过随限速器绳轮转动机构所产生的离心力监控限速器钢丝绳及轿厢的运行速度,并触发执行机构实现安全装置的动作[3],但缺点在于单向作用,只能产生单方向的提拉力,不能与上下行安全钳配套使用.双向限速器是新一代电梯安全部件之一[4],但目前国内外研究大多面向电梯安全部件组成的整体机械系统,针对双向限速器的主要是试验和检测方法的研究,而对触发理论的研究较少.本文通过力学分析建立双离心块-弹簧触发模型,对其仿真分析,并设计实验过程验证,研究影响限速器的触发条件参数(离心块质量、触发弹簧压缩量与触发弹簧刚度)之间关系以及变化规律,为限速器的设计选型、驱动控制提供可靠参考依据.

1 双向限速器动作部件及力学模型

1.1 限速器系统动作机理

双向限速器系统主要包括机架、绳轮、棘轮、棘爪、锁销,机架上安装有电器开关,绳轮上绕挂有与电梯轿厢连接的钢丝绳,并以与轿厢相同的速度旋转,如图1所示.

图1 电梯双向限速器动作元件结构图 Fig.1 Triggering structure of the bi-directional elevator over-speed governor

当电梯正常下行运行时,限速器绳轮1逆时针旋转,当旋转速度超过设定速度时,在离心力作用下,上重块2相对绳轮1绕棘爪轴4顺时针旋转,同时与后触发爪6上的调速螺钉5发生接触,推动后触发爪6小角度顺时针转动,使后棘爪3释放.后棘爪3在拉簧8拉力作用下逆时针旋转,棘爪头部同压绳部件的棘轮7相啮合,棘轮7转动带动闸刀部件9向绳轮1方向摆动,固定于压闸刀部件9上的压绳块10压紧钢丝绳,绳轮1停止转动,钢丝绳提拉安全钳动作使电梯停止下行运行.支架11连接有电气开关12,闸刀部件9动作时与电器开关12触头碰撞,切断电梯电源.电梯上、下行驶时限速器绳轮转向相反,上行超速和下行超速则分别触动前后棘爪动作,实现双向限速功能[5].

1.2 双离心块-弹簧触发力学模型

双向限速器可实现上、下行两个方向的安全制动,以下行方向为例对该限速器的离心块座进行运动与受力分析[6],如图2所示.图中:V为临界动作线速度;Rs为绳轮直径;V0为重块质心线速度;R为重块质心半径.整个运动过程不考虑除重块其他零件的离心力,

图2 电梯双向限速器下行方向受力分析Fig.2 Force analysis on the downstream direction of the elevator over-speed governor

(3)

两个离心块受到的离心力分别为

(4)

(5)

因此,离心块的力矩平衡方程为

N1a+F1b=Fsprn+G1LG+Fac

(6)

N2a=F2b+G2LG

(7)

由于连杆两端的受力大小相同,联立上式可得

k1x1n+Fac

(8)

其中触发弹簧的弹力为

(9)

式中:触发弹簧的预紧力F0在临界状态前维持双离心块不动作,即离心块和棘爪间无作用力,则可得预紧力

(10)

后棘爪在后触发爪和拉簧的共同作用下受力如图3所示.

图3 后棘爪受力分析图Fig.3 Force analysis on the rear pawl

后棘爪受力满足:

Fplp=fqlq

(11)

(12)

后触发爪与调速螺钉联接,扭簧对后触发爪施加扭力,如图4所示.

图4 后触发爪受力分析图Fig.4 Force analysis on the rear triggering pawl

后触发爪的受力满足:

式中:T为后触发爪所受扭簧的扭矩;Fb为上重块因离心力转动时对调速螺钉的力;f摩擦力与f′是一对作用力和反作用力;μ为摩擦系数.

由上述分析可建立双离心块-弹簧触发力学模型方程为

(15)

考虑到限速器的重力平衡,两质量块质量取相同值,由此可简化方程式(15),得出触发时转轮节圆线速度V与触发弹簧的刚度k1、重块质量m和触发弹簧压缩量的关系方程为

(16)

2.3 动力学模型仿真分析

以上述双离心块-弹簧触发力学模型为理论依据,输入已知参数,利用Matlab进行模型仿真计算.选取离心块质量m、触发弹簧刚度k1和触发弹簧压缩量x1为主要变量,刚体间滑动摩擦系数取μ=0.1,不考虑除棘爪和触发爪外其余摩擦,设定仿真参数分别取以下数值:a=40.125 mm,b=53.6 mm,c=15.925 mm,n=39.9 mm,la=16.15 mm,lf=17 mm,lp=16.25 mm,lq=25.575 mm,x2=18.95 mm,k2=0.39×103N/m,T=0.285 6 N·m,Rs=115 mm,r+δ=66 mm.

将单个离心块质量和触发弹簧刚度作为研究变量,设定离心块质量的取值范围为0.5～1.5 kg,触发弹簧刚度的取值范围为0～18 000 N/m.当触发弹簧压缩量取恒定值0.01 m时,触发时转轮节圆线速度、触发弹簧刚度和离心块质量的关系图如图5所示.仿真计算结果显示,随着触发弹簧刚度的递增,离心块质量的递减,转轮节圆触发线速度逐渐增大,且触发弹簧刚度相比于离心块质量对触发线速度变化幅度的影响更大.

图5 动作速度、离心块质量和弹簧刚度的关系Fig.5 Relation between triggering speed,centrifugal block mass and spring stiffness

将触发弹簧压缩量和触发弹簧刚度作为研究变量,设定触发弹簧压缩量变化范围为0.01～0.06 m,触发弹簧刚度的取值范围为0～18 000 N/m.当单个重块质量为0.1 kg时,触发时转轮节圆线速度、触发弹簧压缩量和触发弹簧刚度的关系图如图6所示.随着触发弹簧压缩量的递增,以及触发弹簧刚度的递增,转轮节圆触发线速度也逐渐增大.

图6 动作速度、弹簧压缩量和弹簧刚度的关系Fig.6 Relation between triggering speed,spring compression and spring stiffness

将离心块质量作为研究变量,分别设定离心块质量为0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2 kg.当触发弹簧压缩量x1取为恒定值0.01 m时,仿真计算结果显示,在触发爪触发动作时,在触发弹簧刚度相同的情况下,离心块质量越大,转轮节圆线速度反而越小,如图7所示.

图7 动作速度随离心块质量变化关系曲线Fig.7 Relation curve of triggering speed and centrifugal block mass

将弹簧压缩量作为研究变量,分别设定触发弹簧压缩量x1为0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06 m.当离心块质量m取恒定值1.0 kg,仿真计算结果显示,在触发爪触发动作时,在触发弹簧刚度相同的情况下,触发弹簧压缩量越大,转轮节圆线速度也越大,如图8所示.

3 实验验证分析

3.1 试验平台搭建

试验地点选取在某工厂厂区内,搭建的试验平台由调试台和电气控制柜组成,可提供限速器上行和下行双向多种速度的测试环境.测试调试台如图9所示,将双向限速器样件固定在调试台上,调节电机支架高度,使电机轴上的橡胶轮紧靠在限速器绳轮凹槽,不发生打滑.

图8 动作速度随触发弹簧压缩量变化关系曲线Fig.8 Relation curve of triggering speed and spring compression

图9 限速器性能测试调试台Fig.9 Performance testing table of elevator over-speed governor

电气控制柜如图10所示,通过输入绳轮节圆直径、上下行方向、额定转速等参数控制速度信号的产生,并通过显示屏幕实时监测限速器电气动作速度和机械动作速度等系统测试结果.

本测试系统的硬件连接示意图如图11所示,其中可编程控制器采用三菱FX1N-24MT-001,通过输入输出接口与编码器相连进行实时数据采集;伺服驱动器采用J2S型伺服驱动器;旋转编码器选用脉冲率为1000PPR的欧姆龙增量型编码器,测速范围为0～5 000 r/min,用于检测转轮的实时转速.本系统检测精度达到0.01 m/s,测试的绝对误差小于±0.01 m/s,相对误差最大±0.1%,测试性能稳定、可靠.

图10 电气控制柜Fig.10 Electric control cabinet

图11 控制系统的硬件连接Fig.11 Hardware connection of control system

3.2 实验数据采集与分析

根据采样定理,采样频率应达到最高信号频率的两倍以上,采样值才能包含原始信号的所有信息,被采样的信号才可以不失真地还原成原始信号.根据国标GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》对电梯额定速度和限速器动作速度范围的要求,可得到动作速度规定范围，如表1所示[7].

表1 电梯双向限速器动作速度参数范围要求Tab.1 Required triggering speed range of elevator over-speed governor

试验中绳轮最大角速度为21.5 rad/s,最高信号频率f=3.42 Hz,根据采样定理,采样频率应为f′≥2f=6.84 Hz,即采集周期应至少小于0.146 s,因此,采样时间设定为0.1 s.

整个实验过程针对触发弹簧压缩量、触发弹簧刚度和离心块质量3个变量,分别进行3组对比实验.考虑到限速器棘爪每次动作后的冲击变形,每组对比实验以下行方向为例采集20组测试数据.为减少实验时间,在不影响实验结果的前提下,起步时电机驱动转轮以较大加速度加速,接近触发速度时则改以较小的加速度使绳轮缓慢加速,直到限速器发生动作.数据处理以时间为横坐标,以采集到的橡胶轮速度换算成绳轮节圆的线速度和加速度分别为两组纵坐标,将多组数据通过曲线拟合,得到绳轮转速和加速度随时间变化曲线.

3.2.1 触发弹簧压缩量和触发速度关系

实验选用弹簧规格材料为65 Mn,丝径φ1.4 mm,中径φ16.6 mm,有效圈数6圈,自由高度55 mm,两端压紧磨平,根据弹簧刚度计算公式k=Gd4/(8D3n),可得触发弹簧的刚度为1.38×103N/m.单个离心块材料选用16 Mn,质量为0.9 kg,绳轮节圆直径为241 mm.实验过程中分别取弹簧压缩量0.008,0.010,0.030 m,实验结果如图12所示.在触发弹簧刚度和离心块质量相同的情况下,触发线速度和触发弹簧压缩量成正比,即弹簧压缩量越大,相应的触发线速度也越大,该实验结果与仿真结果一致,且实际得到的触发线速度的值与式(16)也相吻合.

图12 触发速度和触发弹簧压缩量关系实验Fig.12 Experiment on the relation between triggering speed and spring compression

3.2.2 触发弹簧刚度和触发速度的关系

实验除了选用刚度为1.38×103N/m的弹簧之外,增加刚度为9.6×103N/m的弹簧,丝径参数为φ2.0 mm,中径φ14 mm,有效圈数6圈,自由高度55 mm,两端压紧磨平.单个离心块材料仍选用16 Mn,质量为0.9 kg,绳轮节圆直径为300 mm,取弹簧压缩量0.006 m.实验结果如图13所示,在触发弹簧压缩量和离心块质量相同的情况下,随着触发弹簧刚度的递增,转轮节圆触发线速度逐渐增大,与仿真结果给出的趋势相符,触发线速度的值也满足推导式(16)的理论计算值.

图13 触发速度和触发弹簧刚度关系实验Fig.13 Experiment on the relation between triggering speed and spring stiffness

3.2.3 离心块质量和触发弹簧速度关系

实验中单个离心块的材料分别选用16 Mn(离心块总质量为0.9 kg)和密度更大的Pn材料(离心块总质量为1.1 kg),绳轮节圆直径为241 mm,取弹簧压缩量0.006 m,触发弹簧规格为丝径为φ1.0 mm,中径φ16.6 mm,有效圈数6圈,自由高度55 mm,触发弹簧的刚度为335 N/m.根据如图14所示的实验结果可知,在触发弹簧压缩量和触发弹簧刚度相同的情况下,触发速度和离心块质量成反比,即离心块质量增加时,转轮节圆触发线速度反而减小,符合理论计算值和仿真计算结果.

图14 触发速度和离心块质量关系实验Fig.14 Experiment on the relation between triggering speed and block mass

4 结语

本文通过力学分析建立了双向限速器的双离心块-弹簧触发的理论模型,并对模型进行Matlab仿真计算.随后搭建了实验平台和硬件测试系统,采用科学的分析方法分析现场采集的实验数据,分析结果与理论分析相一致,得出双离心块-弹簧触发系统满足触发弹簧的刚度和压缩量越大,离心块质量越小,则触发爪触发动作时的转轮节圆线速度也越大的特性,为实际双向限速器的设计选型、驱动控制提供可靠的参考依据.

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Emulational and experimental research on the triggering theory of bi-directional centrifugal elevator over-speed governors

LIWanli,BIANKaite

(School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In recent years,accidents due to upward and downward over-speed elevator have occurred frequently,which have caused severe damage in construction and relevant equipment and injury even loss of life.The majority of the research on the elevator over-speed governors,one important safety assurance component in the elevator system,was related to testing and detection methods,rather than basic triggering theory.To solve this problem,this study firstly proposed the double centrifugal block-spring triggering model based on the mechanical analysis,then carried out simulation analysis by Matlab,and finally proved the theoretical model through experiment data and drew the conclusion of the mathematical relation between sheave triggering speed and centrifugal block mass,spring stiffness and spring compression,which provided solid reference for the design,selection and control of bi-directional elevator over-speed governors.

elevator over-speed governor; double centrifugal block-spring triggering model; parameter simulation; experimental verification

李万莉(1965—),女,教授,博士.E-mail:cnlwl@tongji.edu.cn

TU 857

A

1672-5581(2017)05-0377-06