电梯制动器性能检测方法的研究_谢小鹏

图３ １５０％ 额定静载下系统的简化模型
２．３ 动载荷试验时制动器的动力学模型 当轿厢承受１２５％ 额定载荷，并以额定速度ｖ
向下运行时，系 统 的 简 化 模 型 如 图 ４ 所 示。 假 设 钢丝绳与曳引轮之间无相对滑动。
图１ 外抱式制动器受力图
根 据 上 述 分 析 ，不 论 哪 种 曳 引 式 电 梯 系 统 ，最 终都可简化为如图 ２ 所 示 的 模 型，电 梯 制 动 器 依 靠摩擦力使电梯系 统 停 转，基 于 能 量 转 化 原 理 对 制动器制动进行动 力 学 分 析 可 得：电 梯 制 动 器 工 作 时 ，一 方 面 要 克 服 由 系 统 （包 括 轿 厢 、对 重 、载 荷 和 钢 丝 绳 等 ）在 速 度ｖ下 引 起 的 惯 性 载 荷 ；另 一 方 面要消耗由系统（包 括 轿 厢、对 重、载 荷 和 钢 丝 绳 等 ）负 载 引 起 的 偏 载 载 荷 。
电 梯 制 动 器 性 能 检 测 方 法 的 研 究 ——— 谢 小 鹏 牛 高 产 浦 汉 军 等
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电梯制动器性能检测方法的研究
谢 小 鹏１ 牛 高 产１ 浦 汉 军１ 张 怀 继２ 曾 梓 峰２
１．华 南 理 工 大 学 ，广 州 ，５１０６４０ ２．深 圳 市 特 种 设 备 安 全 检 验 研 究 院 ，深 圳 ，５１８０２９
＝
１２Ｄ［Ｑ（１．２ｉ５－ψ）＋ρｇｎ（Ｒ１
－Ｒ２
＋２
ｔ０ｖｄｔ）］
０
（２）
式中，ρ为钢丝绳的线密度；ｎ 为钢丝绳 的 根 数；Ｒ１ 为 初 始 状态下，轿厢与曳 引 轮 间 钢 丝 绳 长 度；Ｒ２ 为 初 始 状 态 下，
对重物到曳引轮间钢丝绳长度；ｇ 为重力加速度。
惯性载 荷 是 由 轿 厢、对 重 和 钢 丝 绳 系 统 的 惯
摘要：研究了电梯行业的安全标准和电梯制动器型式试验细 则，总 结 出 了 电 梯 制 动 器 的 试 验 工 况， 并建立了试验工况下制动器的动力学模型。针对在电梯整机上进行电梯制动器的型式试验存在的缺 陷，基于对试验工况下制动器动力学模型的分析，提出了实施电梯制动 器 性 能 检 测 的 新 方 法，并 设 计 了 性能检测试验样机。建立了试验样机中电机转矩加载的数学模型，基于 能 量 补 偿 的 方 法 建 立 了 电 机 的 加载算法，从而保证了电梯制动器在试验样机上和在电梯整机系统上的制动规律相一致 。
假设钢丝绳与曳引轮之 间 无 相 对 滑 动，易 知 制动器所承受力矩为
Ｔａ ＝ １２Ｄ［Ｑ（１．５－ψ）＋ Ｈ］
当 考 虑 曳 引 比 时 ，得 到 制 动 器 承 受 的 力 矩 为
Ｔ１ ＝ １２Ｄ［Ｑ（１．５ｉ－ψ 为额定载荷；ψ 为平 衡 系 数；ｉ为 曳引比；Ｈ 为钢丝绳引起的差重；Ｑ０ 为电梯轿箱的重量。
（３）
ｍ
＝
Ｆ ｇ
ｖ
＝
ωＤ ２ｉ
烎
式中，Ｆ 为电梯系统（轿箱、对重和钢丝绳）的合力；ｍ 为与
Ｆ 相对应的质量；ω 为 曳 引 轮 的 角 速 度；Ｉｓ 为 电 梯 系 统 的
等效转动惯量；Ｉｚ 为 曳 引 机 系 统 等 旋 转 部 件 的 等 效 转 动
惯量。
由 式 （３）可 得 电 梯 系 统 的 等 效 转 动 惯 量 为
在这种 情 况 下，制 动 器 承 受 的 载 荷 由 两 部 分
构 成 ：偏 载 载 荷 和 惯 量 动 载 荷 。 偏 载 是 由 轿 厢 、对
重和钢丝绳系统的重力引起的。
偏载引起的制动器制动力矩与１５０％ 静载下 的情况分 析 相 似，因 此 易 知，制 动 器 制 动 偏 载 力
矩为
∫ Ｔｓ
关 键 词 ：电 梯 制 动 器 ；性 能 检 测 ；动 力 学 模 型 ；试 验 样 机 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２７６ 文 章 编 号 ：１００４—１３２Ｘ（２０１１）２２—２６６７—０５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｌｅｖａｔｏｒ Ｂｒａｋｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｘｉｅ Ｘｉａｏｐｅｎｇ１ Ｎｉｕ Ｇａｏｃｈａｎ１ Ｐｕ Ｈａｎｊｕｎ１ Ｚｈａｎｇ Ｈｕａｉｊｉ ２ Ｚｅｎｇ Ｚｉｆｅｎｇ２
Ｔ２ ＝ Ｔｓ ＋Ｔｖ
２．４ 上行超速保护试验时制动器的动力学模型 当空载轿厢以一定速度ｖ０ 向上运 行，制 动 器
做上行超速保护型 式 试 验 时，系 统 的 简 化 模 型 如
图５所 示。 假 设 钢 丝 绳 与 曳 引 轮 之 间 无 相 对 滑动。
惯性力矩为
Ｔｖ１ ＝Ｉｓ１β０ 式中，β０ 为电梯制动器制动时的角减速度。
Ｉｓ ＝
∫ ［２Ｑ０ ＋Ｑ（１．２５＋ψ）＋ｉρｇｎ（Ｒ１ －Ｒ２ ＋２ ｔ０ｖｄｔ）］Ｄ２
４ｇｉ２
０
＋Ｉｚ
（４）
故进行１２５％ 动载 荷 试 验 时，电 梯 制 动 器 制
动的惯性力矩为
Ｔｖ ＝Ｉｓβ
（５）
式 中 ，β 为 电 梯 制 动 器 制 动 时 的 角 减 速 度 。
所 以 ，此 种 情 况 下 制 动 器 的 制 动 总 扭 矩 为
图２ 曳引电梯系统简化模型
２．２ 静载荷试验时制动器的动力学模型 根 据 曳 引 电 梯 系 统 的 简 化 模 型 ，电 梯 整 机 中 ，
平衡系数ψ 为０．４～０．５，轿厢加上１５０％ 额定静 载 荷 时 ，系 统 简 化 模 型 如 图 ３ 所 示 。
图４ １２５％ 额定动载下系统的简化模型
制动器的制动总力矩为
Ｔ３ ＝ Ｔｓ１ ＋Ｔｖ１
（８）
３ 制动器性能检测方法与试验样机
３．１ 制动器的性能检测方法 针对在电梯整机上进行电梯制动器的型式试
验 存 在 检 测 参 数 少 、结 构 庞 大 、操 作 不 便 和 检 测 范 围小等缺点，本文 通 过 模 拟 电 梯 制 动 器 试 验 工 况 下的动力学特性，开 发 出 用 于 制 动 器 检 测 的 模 拟 试验机，该试验机 能 够 模 拟 加 载 制 动 器 制 动 操 作 时的能量状况。 图６ 为模拟试验机的原理框图， 试验机加 载 系 统 是 一 种 水 平 放 置 的 旋 转 加 载 装 置 ，它 能 模 拟 加 载 制 动 器 试 验 工 况 下 的 能 量 状 况 ， 使制动器满足试验 工 况 下 的 动 力 学 特 性，制 动 器 系统通过制动操作消耗掉加载系统加载的能量。 与此同时，装在试 验 机 上 的 各 种 传 感 器 进 行 信 号 采 集 ，经 过 信 号 调 理 后 ，采 集 到 的 信 号 经 数 据 线 传 送到计算机建立测控系统。本文采用一种水平模 拟试验机对制动器 进 行 型 式 试 验，该 试 验 样 机 具 有操作方便、结 构 尺 寸 小、检 测 范 围 大 等 优 点，克 服了在电梯整机上进行电梯制动器的型式试验存 在的缺点。
２ 制 动 器 试 验 工 况 的 动 力 学 模 型
２．１ 曳 引 电 梯 系 统 的 模 型 简 化 按照制动器与 曳 引 轮 轴 之 间 的 连 接 方 式，制
动器可分为外抱式制动器和盘式制动器 。 ［７］ 不 论 哪种制动器，其 在 工 作 的 过 程 中，都 受 到 摩 擦 力 ｆｓ 和重力ｆｇ 的作用，其中，摩擦力ｆｓ 是产生扭矩 使曳引轮停转的力，重力ｆｇ 是由电梯系统引起的 作用在制动器上的力，重力ｆｇ 的作用会最终通过 转化为摩 擦 力 的 形 式 体 现。 因 此，对 制 动 器 进 行 受力分析可知，制 动 器 摩 擦 力 产 生 的 扭 矩 使 曳 引 轮停转，并 使 电 梯 停 止 运 行。 以 外 抱 式 制 动 器 为 例 ，其 受 力 示 意 图 如 图 １ 所 示 。
１ 制 动 器 试 验 工 况 的 建 立
通过研究与电梯制动器相关的安全和技术标 准以及型式试验 细 则，得 出 电 梯 制 动 器 需 要 进 行 如 下 试 验 ：① 静 载 荷 试 验 。 即 电 梯 整 机 中 ，平 衡 系 数ψ 为０．４～０．５，轿厢加 上１５０％ 额 定 载 荷 下，制 动器的可靠 性 能 试 验。 ②１２５％ 动 载 荷 试 验。 即 当轿厢载１２５％额定载荷，并以额定速度ｖ 向下运 行时，制 动 器 的 制 动 性 能 试 验。 ③ 上 行 超 速 保 护 试验。即当空载轿厢以一定速度ｖ０ 向 上 运 行 时，
收 稿 日 期 ：２０１０—１２—１５ 基 金 项 目 ：国 家 质 检 总 局 科 技 计 划 项 目 （２００７ＱＫ２６４）
本文通过研究电梯行业的安全标准和与电梯 制动器相关的型 式 试 验 细 则，总 结 出 了 电 梯 制 动 器的试验工况，并 建 立 了 试 验 工 况 下 制 动 器 的 动 力学模型。通过对试验工况下制动器动力学模型 进行分析，提出了 实 施 电 梯 制 动 器 性 能 检 测 的 新 方法，并设计 了 性 能 检 测 试 验 样 机。 建 立 了 试 验 样机中加载电机 的 数 学 模 型，并 基 于 能 量 补 偿 方 法建立了电机的加载算法。
性引起的，由刚体力学 计 算 公 式［８］ 及 牛 顿 力 学 公
式得
电 梯 制 动 器 性 能 检 测 方 法 的 研 究 ——— 谢 小 鹏 牛 高 产 浦 汉 军 等
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１ ２
（Ｉｓ
－Ｉｚ）ω２
＝
１ ｍｖ２ ２
烌
Ｆ ＝ ２Ｑ０ ＋Ｑ（ｉ１．２５＋ψ）＋
∫ ρｇｎ（Ｒ１ －Ｒ２ ＋２ ｔ０ｖｄｔ）烍 ０
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中 国 机 械 工 程 第 ２２ 卷 第 ２２ 期 ２０１１ 年 １１ 月 下 半 月
制动器的上 行 超 速 保 护 型 式 试 验 。 ［３－６］ 每 种 试 验 工况 下，都 要 进 行 制 动 距 离、制 动 减 速 度、制 动 力 矩 、摩 擦 片 温 升 和 主 轴 转 速 ５ 个 参 数 的 测 量 。