电梯制动力预警的方法研究

王寅凯 高常进

（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

截至2016年底全国注册登记的电梯数量高达493.69万台[1]，占全球在用电梯的30%。天津全市注册登记的在用电梯数量也超过了8万余台，可以说人们的日常生活离不开电梯这种重要的垂直型交通工具。电梯作为八大类特种设备之一，其使用安全性得到了老百姓的普遍关注，与电梯相关的事件也涉及社会的和谐稳定。

根据国家质量监督检验检疫总局特种设备事故调查处理中心组织编写的《特种设备典型事故案例集》[2]，总结选取电梯方面的近400个典型案例，其中有关垂直电梯300余起。在这些案例中，非人为因素导致的电梯事故共173起，占比55.4%，较为典型并且多发事故即为轿厢意外移动导致的剪切、冲顶或蹲底。

根据相关参考文献[3]，按发生事故的系统位置将电梯事故的种类分为门系统事故（占80%左右）、冲顶或蹲底事故（15%）、其他事故（5%）。在这里需要解释说明的是，这里说的门系统事故既包含了人为非安全使用导致的门系统事故，又包含由于开关门功能失效导致的停梯事故，还包括了门口处轿厢意外移动导致的剪切。

另外，根据现场检验与历史经验，可以发现，排除不安全使用电梯和人为故意破坏电梯外，由于层门轿门的频繁开启特性与人为接触的固有属性，导致门系统事故的发生频率最高，但危害程度较小。但由轿厢意外移动导致的剪切、冲顶或蹲底事故所产生的危害程度最大，因此有必要以此为研究对象。

导致轿厢意外移动的原因可能很多，但由于同步机制动力不足而引起的轿厢意外移动是一个重要的不容忽视的原因（以下均以同步机为研究对象），轿厢的意外移动很大可能会产生剪切，甚至是冲顶或蹲底。所以有必要对制动力进行有效的数字化监测，并配合设置合理的阈值，对制动力进行预警。

1 制动器工作原理

电梯的制动器是曳引机的重要部件，在电梯正常的启动和停止过程，制动器进行相应的打开或者关闭动作。制动器的制动力与曳引机的驱动扭矩互相配合，在启动和停止过程中，使曳引机处于“零速”状态[4]。在此状态下，制动器的作用类似于汽车的驻车制动器（即汽车手刹），用于在车辆停稳后稳定车辆。在遇到紧急情况时，电梯曳引机和制动器断电，制动器抱紧曳引轮，使轿厢减速直至停止。此时的制动器功能类似于汽车的刹车系统，在行进过程中进行减速或者紧急制停。可以说制动器对于电梯的意义就如同刹车系统对于汽车一样，是最为重要的安全部件之一。

电梯制动器通电时，线圈得电，动铁芯克服制动弹簧作用力，使制动闸皮远离曳引轮；断电时，线圈失电，制动弹簧释放弹性势能，推动制动闸皮抱紧曳引轮实现制动[5]。即制动器在制动过程中处于断电状态，这对于直接监测制动器制动状态有很大的难度。

另外，制动器形式多样，空间结构紧凑，制动气隙微小，通过外置增加传感器的方式监测制动器，无论是在普适性上还是在准确性和可靠性上都有较大的不确定性。因此有必要对电梯的重要部件——制动器进行深入探索，提出一种普适性强的制动力预警方法。

2 制动力预警原理

在首先保证不影响乘客乘梯的情况下，电梯控制系统进入制动力预警模式，不再响应外呼和内选，以确保制动力试验的测试连续性和乘客的安全性。

电梯轿厢驶入预先设定的轿厢与对重相平的位置，用于减小钢丝绳和补偿装置（如果有）对测试结果的影响。

制动力预警试验开始后，制动器不执行上电打开抱闸的动作，完全由制动弹簧作用于曳引轮，提供制动力。在此情况下，设定初始转矩值（较小的转矩值），变频器在此扭矩下驱动曳引机旋转，若与曳引机同轴的编码器旋转输出脉冲数超出设定值，则输出此时转矩值；若未发生旋转，则按照一定的规律逐渐增大转矩值，直至曳引机发生旋转。

转矩值的增大过程可按照线性的形式逐步增大（例如转矩随时间线性增加）。为缩短计算过程，亦可选择二分法进行试验，即初始时在最小转矩设定值和最大转矩设定值之间选择一个中间扭矩作为给定驱动扭矩，不断通过寻找中间值的方法，以缩小范围快速确定曳引机扭矩所处的范围。

上述方法所获得扭矩值实为所施加的曳引机驱动扭矩值，由于轿厢和对重存在重量差，电梯制动器在进行制动力试验时不但需要克服驱动扭矩，还需要克服由轿厢和对重存在重量差所引起的不平衡扭矩差。由于驱动扭矩的施加方向不同，导致制动扭矩计算方式也不同。

当驱动扭矩的施加方向与不平衡扭矩的方向相同时（即朝对重向下运行的方向），上述驱动扭矩值为最小（不影响设备安全）。出于对变频器超载保护的考虑，选取此时的驱动扭矩值以及重量差引起的不平衡扭矩差值作为计算电梯当前的制动扭矩值的依据。配合设定的阈值范围，利用该数据评判曳引机制动器的健康状况。

图1 电梯轿厢与对重相平的位置

定义如下变量：

T对重：在抱闸制动器处于抱紧曳引轮状态下，曳引机强制驱动使对重朝向下方向运行时的临界驱动扭矩，即恰好是曳引机超过旋转脉冲时的最小驱动扭矩（N·m）；

T制动：制动器提供的制动扭矩（N·m）；

T质量差：由于对重和轿厢重量差而引起的不平衡扭矩（N·m），与平衡系数有关；

通过曳引机强制驱动，在制动器抱紧曳引轮的情况下，建立系统转矩平衡方程：

T对重+T质量差=T制动。

根据T对重和T质量差，即可以间接计算出T制动。但需要考虑解决三个方面的内容：电梯控制系统如何快速准确地获取T对重，如何根据平衡系数求解T质量差，以及如何确定危险阈值，用于判断求得的T制动现在处于何种状态。

3 制动力预警实施步骤

定义电梯如下参数：

额定扭矩：T（N·m）

额定载重量：Q（kg）

额定电流：I（A）

额定功率：P（kW）

轿厢自重：G（kg）

对重自重：W（kg）

电梯平衡系数：K

钢丝绳倍率：a

曳引轮节圆直径：D（m）

减速器传动比：b

传动系统总机械效率：η

制动器第一预警值：T1

制动器第二预警值：T2

在永磁同步电机中，定义减速器传动比：b=1，传动系统总机械效率：η=1

制动器预警试验整体步骤见图2。

1）选择在电梯交通流量低的时间段，通过电梯内置程序的方式，确认电梯轿厢内没有乘客，电梯制动力预警试验开始。否则，不能进行此预警试验。

2）电梯制动力预警试验开始后，关闭并持续锁紧轿门，不再响应电梯的内选与外呼操作，避免干扰测试。对等梯乘客给予必要的提示。

3）制动力预警试验开始后，电梯轿厢运行至对重和轿厢水平位置，以减少轿厢侧和钢丝绳侧的钢丝绳以及补偿装置重量的影响（如果有补偿装置）。

4）开始核心制动力预警模式：电梯制动器全程断电，抱闸抱紧曳引轮，即带闸运行。

5）电梯控制系统有两种方式获取驱动扭矩T对重（N·m）：

（1）通过定量连续法准确测量模式。

图2 制动器预警试验步骤

电梯在不打开抱闸制动器的情况下，按照轿厢上行方向，使曳引机主机输出0.5T至1.1T随时间连续变化的扭矩，通过检测编码器脉冲数变化，若超出脉冲数设定值，记录超出设定值时刻的主机输出最小扭矩：T对重（N·m）。

（2）通过定量二分法快速测量模式。

电梯在不打开抱闸制动器的情况下，驱动轿厢上行，按照二分查找算法逐一对曳引机施加定量扭矩，曳引机扭矩的施加范围为0.5T至1.1T，通过检测编码器脉冲数变化，若超出脉冲数设定值，则记录超出设定值时刻的主机输出最小扭矩：T对重（N·m）。

6）当电梯轿厢处于和对重相平位置，无曳引机动力驱动时，抱闸制动器需要克服对重与轿厢的重量差，作用在抱闸制动器上的扭矩为：对于永磁同步电机，定义减速器传动比：b=1，传动系统总机械效率：η=1，即简化为：

7）该电梯制动器提供的制动扭矩为：

8）定义制动器第一预警值：

定义制动器第二预警值：T2=1.1T1。

若T制动≥T2，该电梯制动器提供的制动扭矩大于等于制动器第二预警值，则制动器制动能力良好；

若T1＜T制动＜T2，该电梯制动器提供的制动扭矩介于第一预警值和第二预警值之间，则制动器制动能力有衰退迹象，应尽快调整；

若T制动≤T1，该电梯制动器制动提供的扭矩小于第一预警值，则制动器制动能力退化严重，应立刻调整。

4 制动器预警现场实例

电梯基础参数如下：

额定载重量：Q=1000（kg）

额定电流：I=39（A）

额定功率：P=17（kW）

额定扭矩：T=670（N·m）

钢丝绳倍率：a=2∶1

电梯平衡系数：K=0.45

传动系统总机械效率：η=1

重力加速度：g=10（m/s2）

曳引轮节圆直径：D=0.4（m）

电梯控制系统获取T对重=106%T=710.2（N·m），（K取0.45)，则该电梯制动器提供的制动扭矩为：T制动=T质量差+T对重=1160.2（N·m）。

制动器第一预警值：

制动器第二预警值：T2=1.1T1=990（N·m）。

根据T制动＞T2，即该电梯制动器提供的制动扭矩大于制动器第二预警值，表明制动器制动能力良好，符合新安装电梯的实际使用情况。

针对该电梯制动器提供的制动扭矩：T制动=1160.2（N·m），可以折算为：在该状态下轿厢内承载1.61倍的额定载荷（1610kg），并且轿厢在最底层时，制动器将无法克服曳引轮上驱动力矩，轿厢将开始滑移（忽略钢丝绳和补偿装置的影响）。

在该现场，通过标准砝码载荷试验进行辅助验证，将25kg的标准砝码，均匀有序摆放至轿厢内，当承载66块砝码时，轿厢突然开始下降，同时在机房内确认属于制动器打滑（排除钢丝绳的伸长影响及钢丝绳滑移的影响）。

当轿厢内承载25kg×66=1650kg的载荷时，轿厢突然开始滑移，这包括了导轨轿厢系统内的阻力以及钢丝绳的实际影响。通过标准砝码试验验证了该方法的准确性。

5 结论

本文通过电梯制动力预警方法[6]，分别获取单向驱动扭矩和对重轿厢质量差引起的不平衡扭矩，进而间接转化为曳引机制动器的实际制动扭矩。在获取驱动扭矩时，提出可以通过定量连续法准确测量和定量二分法快速测量两种模式进行驱动扭矩的确定。借助制动器的第一预警值和第二预警值判断制动扭矩的退化程度。最后通过对现场电梯进行制动力预警测试，验证了该方法的适用性和准确性。该方法对于无载荷情况下验证电梯制动器的制动能力具有重要的意义。

[1]质检总局关于2016年全国特种设备安全状况情况的通报[N].

[2]特种设备典型事故案例集[M]. 北京：航空工业出版社，2005.

[3]陈永玉. 电梯事故分析及检验对策[J]. 北京：中国高新技术企业，2015(14) ：88-89.

[4]李洪. 浅谈电梯制动器的结构型式与检验检测[J].电气开关，2012，50(03)：100-102.

[5]李普祥. 浅谈电梯曳引机制动器的设计[J]. 电梯工业，2015，93(03) ：60-65.

[6]赵秋洪，孙书成，王寅凯，等. 基于大数据的电梯曳引机制动力监测方法[P]. 天津：CN105905729A，2016-08-31.