例说曳引力与启动转矩对电梯曳引系统的影响_晏勇瑞.pdf

39中国电梯 第 33 卷，第 24 期 2022 年 12 月 15 日 晏勇瑞/YAN Yongrui云南省特种设备安全检测研究院，昆明 650228例说曳引力与启动转矩对电梯曳引系统的影响Influence of Traction Force and Starting Torque on Elevator Traction System曳引力与启动转矩是电梯曳引系统中比较重要的参数，也是决定电梯是否安全、舒适及稳定的重要因素。如果电梯的曳引力不足或启动转矩偏弱就会发生打滑、抖动、溜车等危险情形，容易造成安全事故。另外，当曳引机制动器打开瞬间，由于曳引轮两边的不均衡载荷，电动机负载力矩会发生突变，导致轿厢出现溜车和抖动等不稳定的现象，从而影响电梯启动的舒适感和安全性。为应对此问题，提出了预转矩功能的概念。预转矩功能是使曳引机提前输出一个电磁补偿转矩，实现电梯的平稳启动，常见的预转矩功能是由带称重装置检测来实现的。在本文中，笔者通过一个案例来说明曳引力和启动转矩对电梯曳引系统的影响。1 电梯曳引系统对曳引力的要求在曳引式电梯的曳引系统中，曳引轮两边悬挂着轿厢和对重(见图 1)。无论是采用钢丝绳悬挂还是采用钢带悬挂，曳引轮两侧张力差通过钢丝绳或钢带与曳引轮相互作用，即在曳引轮轮槽上产生的摩擦力，使钢丝绳或钢带在曳引轮上保持相对静止而不滑移。这就是在本文中笔者将要讨论的曳引力。在电梯曳引系统中，相互成为摩擦副的两个部件钢带与曳引轮或钢丝绳与曳引轮槽，它们之间相互接触的曳引环境在很大程度上决定了这个曳引系统是否可以正常工作。当电梯提升高度超过 30m 时，在轿厢与对重下部会有补偿装置，该装置用于平衡部分钢丝绳或者钢带的重量，从一定程度上对曳引环境与条件形成补偿；另外，在永磁同步曳引系统中，如果额定载荷较大(重载荷载货电梯)，会单独为轿厢增加一条补偿链以增强曳引系统的曳引能力。以上措施 摘要 介绍了电梯曳引系统对曳引力的要求，并通过一个案例从曳引环境的改变与称重装置的故障来分析曳引力不足和启动转矩的改变对曳引系统的影响。指出应规范地进行电梯维护保养，确保曳引环境安全可靠，并提出了一种基于 ERN1387 编码器高分辨率的无称重装置的启动转矩补偿方法高精度位置偏差前馈控制法。关键词 电梯；曳引系统；曳引力；启动转矩；称重装置；转矩补偿 中图分类号 TU857 文献标识码 B 文章编号 1001-7151(2022)24-0039-04图 1 直驱曳引系统轿厢曳引轮导向轮 1 2对重+WPKQTT40China Elevator Vol.33，No.24 Dec.15，2022研究设计Research&Design均可减少在端站出现极端工况(如抖动)，并增加轿厢的舒适性与平稳性，保障电梯的安全启动和可靠运行。电梯曳引力是曳引驱动电梯在钢带与曳引轮或钢丝绳与曳引轮槽之间摩擦产生的力，以克服曳引轮两侧的张力差来实现曳引轮驱动轿厢上下运行。电梯曳引能力应满足在轿厢装载和紧急制停工况下提供足够的曳引力；在轿厢滞留工况下钢丝绳或钢带能在曳引轮槽中打滑或保持相对静止，以控制曳引力不发生冲顶或蹾底等危险情形。曳引系统分别满足：(1)在装载与紧急制停工况下，T1/T2 e f。(2)在轿厢(对重)滞留工况下，T1/T2 e f。式中：T1为曳引轮一侧较大的钢丝绳拉力；T2为曳引轮一侧较小的钢丝绳拉力；f 为钢丝绳与曳引轮的当量摩擦系数；为钢丝绳在曳引轮上的包角；e 为自然对数的底。在电梯曳引系统中，对曳引力的要求是应分别满足 GB/T 7588.1-2020电梯制造与安装安全规范 第1 部分:乘客电梯和载货电梯的 3 个要求：(1)轿厢装载到 1.25 倍的按 GB/T 7588.1-2020第 5.4.2.1 条或第 5.4.2.2 条规定的额定载荷的情况下，应当保持平层状态无沉降且悬挂装置不打滑。(2)保证在任何紧急制停的情况下，不管轿厢内是空载还是满载，轿厢或对重速度的值不能超过缓冲器(包括减行程的缓冲器)被动作时设计所能承受最大速度。(3)如果轿厢或对重滞留,应通过下列方式之一,不能提升空载轿厢或对重至危险位置：钢丝绳在曳引轮上打滑；通过符合 GB/T 7588.1-2020 第5.11.2 条规定的电气安全装置使驱动主机停止。(注:如果在行程的极限位置没有挤压的风险,也没有由于轿厢或对重回落引起悬挂装置冲击和轿厢减速度过大的风险,少量提升轿厢或对重是可接受的。)2 一则因曳引力与启动转矩不足导致电梯故障的案例简介在位于昆明市滇中新区某公司办公楼内，检验人员对一台安装验收后 3 年未进行年检的曳引驱动乘客电梯进行检验。初步检验后发现电梯存在以下问题：启动时抖动剧烈且运行不平稳；机房的温度相对室外较高且具有明显的闷热感；曳引轮下方红粉较多；钢丝绳沥油严重；曳引轮油迹油污深厚。检验人员还发现轿顶竟然放置有 3 块规格尺寸完整的对重块，由此进一步检测了电梯平衡系数，采用功率法测得平衡系数为 0.34，不能满足规范要求的 0.4；在底坑检查轿厢底部时发现缓冲减振胶垫已被压缩变形，同时轿厢底部的称重检测装置电涡流传感器的端面与轿底的被测面已经不是相互平行且距离缩短。检验人员查证安装验收资料，发现对重框内对重块比验收时少了3块。经过向现场保养人员问询得知，轿厢顶部的对重块是他们从对重侧拆卸下来的。检验人员把轿厢顶部对重块放回对重框内后再检验平衡系数，平衡系数为符合标准要求的 0.43；但电梯在顶层空载向下运行时出现钢丝绳剧烈抖动且相对曳引轮打滑现象。经过核实，轿厢安全钳并未动作，轿厢和对重也未被卡阻，检验人员初步判断该电梯存在曳引能力不足的问题。检验人员在与使用单位和维保公司的交流中了解到，电梯维保公司的人员存在变更频繁、入职时间短、维保经历少的问题，对该电梯保养不及时、不周全；电梯安装验收后因办公楼装修工程时间紧、任务重，使用单位在为电梯轿厢加装防护板以后就开始频繁地运送沉重的建材。后来发现当运送砖砂石料等较大载荷的建材时，电梯会出现剧烈抖动且不能启动等故障，如果保持正常只能轻载运行。维保人员到现场核对了曳引机和变频器等出厂部件清单和功率配置都没有发现问题，怀疑是因对重太重导致平衡系数过大引起的。为了保障电梯不影响装修使用，现场维保人员于是通过把对重块放在轿顸上的方式让电梯继续运行，但未进行相应的 125%额定载荷制动等曳引力试验。维保人员本以为解决了问题，但却埋下了较大安全隐患。3 案例故障原因分析3.1 曳引力因曳引环境条件不足而降低电梯机房在通风散热不良且高温多尘的情况下长期大负荷运行，导致个别批次的钢丝绳沥油严重，且在钢丝绳与曳引轮槽上油污附着严重(见图 2)。由上文中提到的曳引系统对曳引力的要求可知，影响曳引力的因素就是钢丝绳在曳引轮上的包角 和钢丝绳与 41中国电梯 第 33 卷，第 24 期 2022 年 12 月 15 日曳引轮的当量摩擦系数 f。为了保证电梯有足够的曳引力，就要满足 T1/T2 e f。电梯在设计制造环节中，制造厂家已经对电梯的曳引能力进行了精确计算，合格出厂的电梯的曳引能力能够满足要求。考虑到此电梯已经安装验收以及使用环境的特殊性，可以判定其包角 满足出厂的设计要求，但因缺少维护与清洁，油污严重，已经改变了其初始的当量摩擦系数。当因油污的影响使钢丝绳与曳引轮槽这一摩擦副的摩擦系数降低时，曳引力随之降低。为了让电梯满足装载工况的要求，维保人员并未从根本上解决曳引力减小的问题，而是简单地采取降低 T1/T2的比值的方法。安装在轿厢里面的防护板一方面为防止轿壁被建材刮划提供了保护支持，另一方面增加了轿厢侧的重量，与对重块转移至轿顶产生同向作用。在该案例中，电梯维保人员为了应对曳引力的降低，通过降低 T1、增加 T2来使 T1/T2降低，以实现 T1/T2 e f。从而保证电梯的正常运行，但这是建立在轻微载荷的基础上的。这看似正常的背后，隐藏着较大安全隐患：如果曳引力不足，当电梯重载/满载运行或者在 125%额定载荷这样极端装载工况的时候，T1/T2的值就会与该案例中正好倒置，导致 T1/T2 e f，造成的直接后果就是电梯出现溜车、打滑甚至蹾底和冲顶等危险状况1、2。3.2 称重装置发生故障后失去启动转矩补偿功能近年来采用永磁同步电动机的曳引系统正在逐步取代采用三相异步电动机结合蜗轮蜗杆减速曳引系统，成为当下电梯驱动系统的主流，它具有结构简单、几何尺寸较小、低频转矩大、转速稳定和低碳环保等优点。正常情况下永磁同步曳引机采用速度和电流双闭环的矢量控制方式驱动电梯上下运行，当电梯启动抱闸打开时，由于曳引轮两边悬挂不均衡载荷导致轿厢不能保持零速稳定，这时容易出现溜车和启动抖动的现象，影响了电梯启动的平稳性。该案例中的电梯是通过轿底的称重装置电涡流传感器采集轿厢在不同层站的静态载荷并传递给控制系统，控制系统根据载荷量的变化情况控制输出启动转矩的大小，使电梯平稳启动运行。针对该电梯在启动时出现剧烈抖动的情况，经检查发现是因电梯在长期运送沉重建材的过程中，轿厢底部的减振胶垫出现塑性变形，缩短了轿底与承重梁架之间的距离(见图 3)。该距离的缩小直接导致电涡流传感器采集到的轿厢载荷信号失真，本应该是轿厢远离平衡载荷的信号经过电涡流传感器错误采集后，控制系统得到的却是轿厢接近平衡载荷的指令，该指令在经过执行机构变频器输出后驱动转矩就变小了。这是因为在电梯驱动控制中，输出转矩的大小是与轿厢载荷呈反抛物线关系的，其中平衡载荷时输出驱动转矩最小，不平衡载荷越大对系统的转矩要求越高。同时从该案例也反映出，通过称重装置的信号反馈来实现启动转矩补偿易出现误差率高、稳定性差、精细度低等典型症状。4 案例改进措施经过对上述出现的典型症状及故障状态深入剖析可知，该电梯是因为缺乏正确的使用管理与有效的维护保养导致带故障运行而造成疲劳损伤的。鉴于此，笔者认为关于该电梯应该从以下几个方面着手采取改进。(1)加强使用单位、维保单位的管理机制和制度建图 2 曳引轮槽和钢丝绳上的油污图 3 轿厢减振胶垫42China Elevator Vol.33，No.24 Dec.15，2022研究设计Research&Design设，树立使用管理人员的法律意识，安全意识、制度管理意识；树立维保单位技术人员的质量管理意识，依循质量管理体系，规范进行电梯维护保养。(2)清理曳引轮槽和钢丝绳上的油污，在平衡系数调整合格的基础上进行曳引力试验以进一步检验曳引轮与钢丝绳的磨损情况。如符合要求则可以继续使用，反之则视磨损情况进行进一步处理。(3)检查轿厢底部减振胶块的形变情况，更换减振胶块，调整电涡流传感器位置，重新对轿厢进行称重自学习；或者对驱动控制系统进行改造，采用无称重转矩补偿方案。下面介绍一种无称重转矩补偿方案。该方案是以海德汉高精度、高分辨率的 ERN1387 增量式旋转编码器作为电动机转子位置反馈装置，通过控制器对正余弦模拟信号和方波信号运算处理后获得电梯高度准确的位置信息(见图 4)。对 ERN1387 编码器输出的 4 路信号进行处理，其中 2 路信号为 2048 线的方波信号，对其进行脉冲计数，用于速度和位置双闭环控制并作为高精度位置信息的高位；另外 2 路为正余弦模拟信号，经过 12 位 AD 采样和正余切细分解码，作为高精度位置信息的低位。此时已获得高精度位置信息通过偏差前馈控制法可加快系统对扰动的响应时间，快速计算和建立补偿力转矩，快速调整，减小位置与速度落差(见图 5)。该方法一路通过方波信号增量计数获取位置信息后计算得到该周期的位置偏差 P，同时比较系统速度曲线得到当下的速度偏差 v 用于速度反馈计算。另外一路在抱闸打开前初始化曳引机的高精度位置信息，同时将当前采样周期的位置信息与上一周期进行比较以获得该周期内的位置偏差 P。根据 P 对永磁电动机的转向判断，并根据此偏差 P调节电流环的给定电流，以快速建立所需补偿转矩值。该方法基于高精度的正余弦编码器的细分解码，以一个控制周期内位置偏移量为基准，计算必要的转矩，并叠加到转矩指令上，以实现对称重装