安全钳提拉机构的提拉力解算研究*

赵海燕

(苏州市职业大学，江苏 苏州 21500)

0 引 言

电梯作为特种设备与我们日常生活正日益密切相关，因此对于电梯的安全性能要求也越来越高。安全钳制动系统作为电梯安全的重要子系统，其安全钳制动系统的有效动作是重中之重。在实际工程中，安全钳触发机构误动作、不动作的情况时有发生，原因各有不同，其中安全钳触发机构设计占有很大一部分原因。

笔者以某一企业实际产品为模型，探讨安全钳提拉机构提拉力与提升高度，弹簧产生的拉力因素之间的关系，借助Excel的VBA工具，筛选出不同提高度与不同弹簧拉力之间最佳的配合数据。

1 限速器安全钳工作原理

图1为电梯限速器(传统型)系统原理图[1]，图中：Jgov.为限速器轮的转动惯量；Jten.为张紧轮转动惯量；Mrope.为限速器钢丝绳质量；Fgov.为限速器系统惯性力；a.电梯正常起动、制停加速度。限速器安装在井道顶部或机房中，通过钢丝绳与轿厢的安全钳触发机构联接。当电梯速度超过额定速度115%时[2]，限速器发出电信号，切断电梯安全回路，曳引机断电抱闸，致使电梯减速，若电梯速度继续升高，触发限速器机械动作，夹紧钢丝绳。当轿厢下降时，钢丝绳拉动安全钳触发机构运作，使安全钳对电梯导轨产生摩擦力，将轿厢迅速制动在导轨上，电梯轿厢停止运动。电梯的张紧装置(安装于电梯井道底部)提供钢丝绳张力，保证限速器正常运转。

图1 电梯限速器系统原理图

图2为某公司安全钳的提拉机构模型[3]，图示为下置式提拉机构，轿托是用来安装轿厢的托架；成型角钢用来连接轿架直梁和安装弹簧；旋转杆与安全钳锲块、限速器钢丝绳、联动杆连接。限速器机械动作时，钢丝绳拉动旋转杆旋转，旋转杆带动安全钳锲块，夹紧电梯导轨。联动杆是为了保证左右两个安全钳动作协调一致，确保轿厢两侧的安全钳同步夹紧电梯导轨。弹簧是为了提供反作用力，电梯正常起停时不致于触发安全钳提拉机构误动作，引发安全事故。

图2 安全钳提拉机构

2 安全钳提拉机构计算

轿厢正常起动制停时，安全钳提拉机构能保证不产生误动作，这个需要安全钳提拉机构提供反制限速器系统的惯性力。如图1(b)，Jgov为限速器轮的转动惯量，Jten为张紧轮转动惯量，Mrope为限速器钢丝绳质量，此数据与电梯的提升高度相关，R为限速器轮和张紧装置轮的半径，此两轮半径相等。Fgov为限速器系统惯性力，由此可得下列等式[4]：

(1)

关于电梯正常起动、制停加速度a的取值，大多数电梯公司取0.5～0.6 g，但设计时会留有一定安全余量，一般最大值可为0.8 g，因此计算时可取a为0.8 g。

限速器钢丝绳质量Mrope与电梯的提升高度相关，同时与电梯井道的顶层高度与底坑深度亦有关联：

Mrope=2×(R+K+S+2πR)×ρrope

(2)

式中：R为电梯的提升高度；K为电梯井道的顶层高度S为电梯井道的底坑深度；ρrope为钢丝绳密度。

图3所示为安全钳提拉机构结构图，初始状态时，旋转杆角度α为17.06°，安全钳动作时，旋转杆角度α为5.13°。

图3 提拉机构结构图

单个弹簧在初始状态产生的垂直方向的拉力为Fspring1=41.3 N，安全钳动作时产生的垂直方向拉力为Fspring2=101.4 N(此处因涉及到弹簧安装角度、多个零件尺寸及弹簧刚度等参数，略过计算过程直接引用结果数据)。

单个安全钳锲块的质量Msafety=2.44 kg，提拉机构摩擦力Ffr=40 N，此值在限速器钢线绳连接处测量，方向为垂直方向。此值会因联动杆长短有少许变化，但对整个机构影响较小，可以忽略不计。

根据图4旋转杆所示尺寸，可以得到限速器钢丝绳位置的拉力为：

图4 旋转杆尺寸图

Fpull1=(2×Fspring1×171×cosα+2×Msafety×244.3×cosα×a)÷(70×cosα)+Ffr

(3)

式中：Fpull1为限速器钢丝绳拉力；Fspring1为弹簧在初始状态产生的拉力；Msafety为单个安全钳锲块的质量；Ffr为摩擦力；α为旋转杆角度。

此外，安全钳锲块作用在旋转杆上点距旋转杆旋转中心线距离为244.3 mm。

同样，弹簧在安全钳动作时的拉力、安全钳锲块、摩擦力折算到限速器钢丝绳位置的力为：

Fpull2=(2×Fspring2×171×cosα+2×Msafety×241.5×cosα×a)÷(70×cosα)+Ffr

(4)

此时，安全钳锲块作用在旋转杆上点距旋转杆旋转中心线距离为241.5 mm。

图5 旋转杆受力图

查询限速器产品数据，可得其最小提拉力PTF为1 820 N。

3 安全钳提拉机构验证

在国标[5]中规定：限速器动作时，限速器绳的张力不得小于以下两个值的较大值：①安全钳起作用所需力的两倍；②300 N。

因此，安全钳提拉机构合格的条件必须符合两个条件：限速器惯性力Fgov

表1 计算数据

限速器惯性力Fgov因与提升高度R密切相关，在其它参数不变的情况下(其它数据参见表1)，R从3 m到140 m，计算不同R所对应的Fgov。由图6可知，随着提升高度R的增加，限速器惯性力Fgov亦增加，提升高度127 m其对应的限速器惯性力Fgov为328.1 N，已大于Fpull1，说明此安全钳提拉机构已不能克服限速器系统的惯性力，存在安全钳误动作的风险，此型安全钳提拉机构最大理论提升高度不能超过127 m。如果再考虑到限速器钢丝绳的弹性等其它因素，此值还得往下调。

图6 提升高度-Fgov

此型安全钳提拉机构弹簧的安装位置是不可调整的，如果改为可调整，只需将图2中成型角钢弹簧安装座由圆孔改为长腰孔即可。同理，我们亦可以验证不同提升高度，不同弹簧调整值是否符合设计要求。此安全钳选用弹簧的刚度是1.76 N/mm，自由长度是106 mm，最大拉伸长度是176 mm。Fspring1的取值范围1.76～105.6 N，由表1可以看出，对应的安全钳动作时弹簧拉力Fspring2的值比弹簧初始拉力Fspring1大60.1N(此处忽略弹簧安装角度影响)。通过Excel VBA[6]分析计算不同提升高度与不同弹簧调整值时的弹簧初始拉力Fpull1和安全钳动作时弹簧拉力Fpull2，同时还得满足限速器惯性力Fgov

图7 为Excel VBA部分程序界面

图8 弹簧拉长与提升高度关系

据图8可知，当提升高度是60 m，弹簧的最小预拉伸范围是1～51 mm。参照弹簧的技术条件：最大拉伸长度是176～106=70 mm，弹簧的最小拉伸长度是10 mm，安全钳锲块的提升行程为50 mm，可以得到弹簧最小预拉伸长度为10～20 mm。这里没有考虑到弹簧刚度误差的影响，业者可根据实际产品精度具体考虑。图6与图8的原始数据因采用Excel VBA计算，数据量太大，不便展示，仅用图表展示部分数据。

4 结 语

安全钳提拉机构作为电梯重要的安全子系统之一，如果设计是有效的，能充分保证限速器安全钳有效运行，为电梯安全运行保驾护航。文中针对安全钳提拉机构理论分析其受力模型，给出计算公式，同时运用Excel VBA方法，获取大量数据进行分析，取得最佳设计组合数据，给业界同仁有很好的指导性。针对部件计算，业者也可以依据力学计算结果进行有限元分析，计算其强度是否足够，以及疲劳强度，借助现有市面上的有限元软件，皆可以顺利实现。