孫學禮，黃國健，劉英杰，何 山，彭啟鳳

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

一種無載的電梯平衡系數(shù)檢測方法及其實現(xiàn)

孫學禮，黃國健，劉英杰，何 山，彭啟鳳

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

針對現(xiàn)行電梯平衡系數(shù)測試方法(電流-載荷曲線法)效率低、成本高和精度差的問題，提出了一種新的平衡系數(shù)檢測方法，并研制了相應(yīng)的裝置。電梯平衡系數(shù)是反映轎廂和對重質(zhì)量關(guān)系的一個比例值，測出轎廂及對重質(zhì)量即可得出電梯平衡系數(shù)。根據(jù)電梯平衡系數(shù)定義開發(fā)的檢測裝置，在夾持住轎廂(對重)上方一端鋼絲繩組后，利用伺服電機驅(qū)動T型絲桿將鋼絲繩組張力轉(zhuǎn)移到力傳感器上，因鋼絲繩張力等于其懸掛重物質(zhì)量，讀取力傳感器值即可得出轎廂的(對重)質(zhì)量。該裝置在試驗室、現(xiàn)場作了大量測試。試驗結(jié)果表明：鋼絲繩組所懸掛重物質(zhì)量測量誤差在0.005以內(nèi)。該裝置適用于鋼絲繩牽引且無補償繩的曳引式電梯，可測量的梯型占曳引式電梯90%以上。現(xiàn)行電梯檢測過程中，超載開關(guān)驗證也需搬運砝碼，故計劃改進檢測裝置，使其既可測出電梯平衡系數(shù)的值，又能驗證電梯超載開關(guān)的有效性。

電梯平衡系數(shù)； 電流-載荷曲線法； 伺服電機； 鋼絲繩張力； 曳引式電梯

0 引言

曳引驅(qū)動理想的情況是曳引輪兩端懸掛物質(zhì)量相等，但由于轎廂內(nèi)負載的大小是經(jīng)常變化的，而對重在電梯安裝調(diào)試完畢后已經(jīng)固定，不能隨時改變，因此很難實現(xiàn)。為使電梯的運行基本接近理想的平衡狀態(tài)，就要選擇一個合適的系數(shù)反映轎廂質(zhì)量、對重質(zhì)量及額定載荷間的關(guān)系。該系數(shù)稱為電梯平衡系數(shù)。

現(xiàn)行檢規(guī)中的平衡系數(shù)檢測方法是“電流-載荷曲線法”。該方法需要反復搬運砝碼，勞動強度大、作業(yè)時間長，且在測量過程中存在多處易產(chǎn)生誤差環(huán)節(jié)，影響其數(shù)值的準確性和可重復性[1-10]。

針對現(xiàn)行檢測方法的缺點，設(shè)計了一種直接稱重空載轎廂、對重質(zhì)量的平衡系數(shù)檢測儀。該儀器通過測量鋼絲繩張力，求得轎廂、對重質(zhì)量，代入平衡系數(shù)定義公式，最后得到電梯平衡系數(shù)[11]。

1 裝置測量原理

1.1 定義法實現(xiàn)原理

電梯在停止狀態(tài)下，轎廂側(cè)、對重側(cè)上端鋼絲繩所受張力即為轎廂、對重質(zhì)量。定義法即測量鋼絲繩張力，測量原理如圖1所示。

圖1 定義法測量原理圖

測量時，將轎廂、對重升至同一高度，在轎廂(對重)上方選取一段鋼絲繩組，將固定夾繩裝置1、夾繩裝置2于鋼絲繩上，以夾繩裝置1為支撐，利用伺服電機、諧波減速機組成驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動T型絲桿提升夾繩裝置2，使其中間所夾鋼絲繩組松弛不受力。此時夾繩裝置1與夾繩裝置2間鋼絲繩的張力轉(zhuǎn)移到夾繩裝置上，作用在夾繩裝置1處為向下拉力，作用在夾繩裝置2上為向上拉力。該力由傳感器測出，其值即為轎廂(對重)的質(zhì)量[12]，轎廂(對重)質(zhì)量除以常數(shù)重力加速度g即可得轎廂(對重)的質(zhì)量。

平衡系數(shù)檢測儀操作的位置可在轎頂，也可在機房。當機房鋼絲空間足夠時(曳引輪兩端鋼絲繩長≥350 mm)，將轎廂、對重升至同一高度，安裝平衡系數(shù)檢測儀，分別測出轎廂側(cè)質(zhì)量G1、對重側(cè)質(zhì)量W1。假設(shè)從曳引輪處到轎廂、對重處的鋼絲繩質(zhì)量分別為M1、M2，電梯轎廂、對重質(zhì)量分別為G、W，則G1=G+M1，W1=W+M2。由于轎廂、對重停在同一高度，M1=M2，代入平衡系數(shù)定義公式得到：

(1)

1.2 絲桿提升扭矩計算

提升夾繩裝置2的力，可由液壓系統(tǒng)提供，也可由絲桿提供。該方案絲桿選用梯形絲桿。絲桿是工具機械和精密機械上常用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。而梯形螺紋牙根強度高、對中性好，相比其他的螺紋更耐磨，且螺紋升角小于5°時具有自鎖功能。驅(qū)動螺母力矩如式(2)所示：

Mq=Mt1+Mt2+Mt3

(2)

式中：Mq為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；Mt1為螺紋摩擦力矩；Mt2為螺旋傳動軸向支撐面摩擦力矩；Mt3為螺旋傳動徑向軸承摩擦力矩。

設(shè)計中，在支撐面加入推力軸承與深溝球軸承，將螺旋傳動軸向支撐面摩擦力矩Mt2、螺旋傳動徑向軸承摩擦力矩Mt3對系統(tǒng)的影響降到很小，在此將其忽略，故Mq的計算公式可簡化為:

（2）試驗材料 鋼制安全殼材質(zhì)為SA738Gr.B，其為美國ASME規(guī)范中的牌號，隨著中國三代核電技術(shù)的引進、消化和再創(chuàng)新，目前我國已經(jīng)具備SA738Gr.B鋼板的自主制造生產(chǎn)技術(shù)。本文所用材料即為國內(nèi)某鋼廠研制的S A738G r.B鋼板，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)（淬火+回火）狀態(tài)，板材規(guī)格為400mm×800mm×52mm，主要化學成分及力學性能如表1所示。

Mq≈Mt1

(3)

(4)

d2=d-0.5P

(5)

(6)

(7)

式中：d2為外螺紋中徑；F為螺旋傳動的軸向載荷；λ為螺紋升角；ρ′為當量摩擦角；d為外螺紋大徑(公稱直徑)；P為螺距；s為導程；f為摩擦因數(shù)；α為槽型夾角。

2 部件介紹

平衡系數(shù)檢測儀(balance coefficient measuring instrumont,BCMI)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平衡系數(shù)檢測儀結(jié)構(gòu)圖

該檢測儀由左、右兩部分組成。閑置、搬運時，左、右兩部分單獨存放；測量時，左、右兩部分通過螺栓、螺母固定于電梯曳引鋼絲繩上。

平衡系數(shù)檢測儀單側(cè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機、減速機固定在上夾塊，內(nèi)襯塊固定于夾塊中，直接與鋼絲繩接觸。左、右兩側(cè)T型絲桿的螺紋不同向。提升時，電機旋轉(zhuǎn)也不同向，但轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)的角度相等。為了增加在機房測量的可行性，連接絲桿配有不同的規(guī)格。當測量空間有限且電梯曳引鋼絲繩直徑較小時，可選用短型的連接絲桿。

圖3 平衡系數(shù)檢測儀單側(cè)結(jié)構(gòu)圖

2.1 驅(qū)動裝置

本文所述驅(qū)動裝置由伺服電機、諧波減速機、連接法蘭及連接軸組成。伺服電機具有高速、高精度的特點。其采用位置控制模式，即以輸入脈沖數(shù)來控制位置、以輸入脈沖的頻率來控制速度，能夠滿足電梯平衡系數(shù)檢測的要求。伺服電機控制器采用STM32+TLP181組成的電路，STM32的GPIO端口可直接控制光電耦合器TLP181產(chǎn)生脈沖，控制電機旋轉(zhuǎn)的速度和角度；光電耦合將控制電路與伺服電機驅(qū)動器隔離開來，避免了外界對控制電路的干擾；為了保持兩側(cè)電機同步，采用同一信號源進行控制，即兩側(cè)電機所接收到的為同一信號；在伺服驅(qū)動器處，設(shè)置一個電機正轉(zhuǎn)、另一個電機反轉(zhuǎn)，使電機在電梯曳引鋼絲繩上產(chǎn)生的扭力相互抵消。所選用的安川伺服電機的尺寸約為40 mm×40 mm×77 mm，質(zhì)量約為0.4 kg，其額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定輸出扭矩為0.31 N·m。當采用100∶1的諧波減速機減速后，額定輸出扭矩為31 N·m。根據(jù)前文可知，提起1 t重物需25 N·m，故選用2套100 W電機、100∶1諧波減速機，其可提升重物的質(zhì)量理論上大于2 t。該提升質(zhì)量在現(xiàn)場試驗中得到了驗證。

2.2 夾塊及內(nèi)襯塊

為避免平衡系數(shù)測量過程中對電梯曳引鋼絲繩造成損傷，采用硬度較小的內(nèi)襯塊與鋼絲繩直接接觸，內(nèi)襯塊嵌在夾塊凹槽內(nèi)；內(nèi)襯塊的繩槽規(guī)格與曳引繩直徑對應(yīng)，即不同直徑的鋼絲繩對應(yīng)不同規(guī)格的內(nèi)襯槽，繩槽最多為8個；內(nèi)襯塊材料選用安全耐磨的高分子材料，在保證鋼絲繩安全的前提下，又與鋼絲繩有足夠的摩擦力，摩擦系數(shù)≥0.35。

夾塊分為上夾塊、下夾塊，上、下夾塊各有左、右兩塊，其兩側(cè)設(shè)有安裝耳，安裝耳上設(shè)有安裝通孔。左、右夾塊通過螺桿螺母安裝一起，螺桿選用M16 12.9級規(guī)格；上夾塊固定有驅(qū)動裝置，且裝有深溝軸承與推力軸承，用于減少T型螺母轉(zhuǎn)動時與支撐面的摩擦力；夾塊按提升2 t重物設(shè)計，材料選用42CrMo。

3 檢測儀測試結(jié)果及分析

3.1 搭建試驗平臺

模擬電梯現(xiàn)場曳引鋼絲繩的試驗平臺如圖4所示。該平臺由上拉板、下拉板、電梯曳引鋼絲繩、吊環(huán)等組成。其中：上、下拉板有8個繩頭孔，最多可放置8根鋼絲繩；電梯曳引鋼絲繩有Ф8 mm、Ф10 mm、Ф12 mm、Ф13 mm、Ф16 mm等規(guī)格；繩頭可在拉板繩孔處進行上下調(diào)節(jié)；上拉板的吊環(huán)通過扁平吊帶吊在起重機吊鉤處；下拉板的吊環(huán)通過扁平吊帶吊起2 t砝碼。

圖4 試驗平臺

3.2 提升試驗

操作起重機，通過試驗平臺，吊起2 t砝碼。安裝電梯平衡系數(shù)檢測儀，開啟控制器，向伺服電機發(fā)送脈沖，使伺服電機以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)90 000°，電機停止。由于諧波減速機的減速比為100∶1，諧波減速器的輸出端旋轉(zhuǎn)了900°。T型紋螺桿的螺距為2 mm，此時平衡系數(shù)檢測儀的下夾塊向上移動了5 mm，上、下夾塊間的鋼絲繩已經(jīng)處于松弛狀態(tài)，讀取S型拉力傳感器的值。同理，分別吊起1 000 kg、500 kg、20 kg的砝碼進行試驗，所得提升試驗實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 提升試驗實測數(shù)據(jù)

在進行提升試驗時，試驗平臺采用了5根Ф10 mm電梯曳引鋼絲繩。由試驗數(shù)據(jù)可以看出，平衡系數(shù)檢測儀對砝碼的稱重誤差控制在0.001 6以內(nèi)(使用現(xiàn)場都遠遠大于20 kg，故20 kg的誤差不考慮在內(nèi))；1 t的重復性誤差為0.7 kg，2 t的重復性誤差為0.9 kg，都在可接受的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

根據(jù)電梯平衡系數(shù)定義，測出空載轎廂質(zhì)量、對重質(zhì)量，再將已知的電梯額定載荷代入平衡系數(shù)公式，即可得到電梯平衡系數(shù)的值。該方法原理簡單、直接，沒有過多中間環(huán)節(jié)、參數(shù)設(shè)定，減小了誤差產(chǎn)生的可能性；檢測過程為無載檢測，無需搬運砝碼；由于不改變曳引輪兩側(cè)的受力分布，且提升距離較短(≤20 mm)，安全可靠；與鋼絲繩接觸的內(nèi)襯塊，選用高分子材料，且各種直徑的鋼絲繩，有相應(yīng)的繩槽與之對應(yīng)，將對鋼絲繩的損傷降低到最小。

采用伺服電機加諧波減速機作為提升驅(qū)動系統(tǒng)，具有體積小、質(zhì)量輕、同步性好的特點。相比于液壓驅(qū)動，伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)在提升性能的同時又提高了設(shè)備的便攜性和安裝的簡便性，并在提升過程中，無需人為干預，實現(xiàn)了電梯平衡系數(shù)的自動測量。

[1] 錢宇,朱翠芳.電梯平衡系數(shù)無載檢測的研究[J].中國電梯,2008,19(5):31-33.

[2] 郭琦,彭仁東,陳曙光,等.無載荷工況電梯平衡系數(shù)測量方法的應(yīng)用[J].中國特種設(shè)備安全,2007,23(4):1-4.

[3] 趙國先.電梯平衡系數(shù)無載測試技術(shù)探討[J].中國電梯,2007,18(5):55-58.

[4] 趙國先,萬蒞新.簡述電梯平衡系數(shù)無載測試儀的研制[J].中國電梯,2004,15(20):41-42.

[5] 安徽省特種設(shè)備檢測院,安徽中科智能高技術(shù)有限責任公司.電梯平衡系數(shù)智能測試儀:CN200520070660.3[P].2006-08-02.

[6] 吳予馨.曳引電梯平衡系數(shù)及其檢測方法研究[J].機械研究與應(yīng)用,2010,23(2):101-103.

[7] 楊鵬.靜態(tài)質(zhì)量差二次稱重法直接測試電梯平衡系數(shù)[J].中國特種設(shè)備安全,2008,24(9):34-39.

[8] 劉正保.電梯平衡系數(shù)平衡差值測量法[J].中國特種設(shè)備安全,2008,24(4):13-15.

[9] 石成江,趙玉柱,車怡蕾,等.電梯平衡系數(shù)測試儀的開發(fā)[J].機械設(shè)計與制造,2005(6):84-85.

[10]王健.電梯平衡系數(shù)的扭矩測試法及其測試裝置:CN200810014550.3[P].2008-07-23.

[11]安徽中科智能高技術(shù)有限責任公司.一種電梯平衡系數(shù)的測量方法:CN200510075623.6[P].2005-11-16.

[12]廣州特種機電設(shè)備檢測研究院.一種基于絲桿拉升式的電梯空載平衡系數(shù)檢測裝置: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

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技基金資助項目(2016PT01)、廣州市科技創(chuàng)新委員會科技計劃基金資助項目(2015109010008)

孫學禮(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事檢測儀器開發(fā)方向的研究。E-mail:641302712@qq.com。