钱嘉俊

上海三菱电梯有限公司 上海 200245

1 研究背景

缓冲器是电梯的重要安全部件,设置于电梯井道底坑内轿厢和对重的下方,是电梯轿厢或对重发生意外沉底时的最后一道安全保障。根据现行标准GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》和国际上其它主流电梯标准要求,当电梯额定速度不超过1 m/s时,可以配置线性蓄能型缓冲器[1-3],如图1所示。线性蓄能型缓冲器因为结构简单、可靠耐用,被普遍应用于低速载客电梯、载货电梯和杂物电梯中。

图1 线性蓄能型缓冲器

2 线性蓄能型缓冲器性能要求

根据GB 7588—2003要求,作为安全部件,电梯缓冲器必须经国家批准机构所进行的型式试验证明合格,取得对应的型式试验证书后,方可用于电梯产品。参照TSG T7007—2016《电梯型式试验规则》中与缓冲器相关的附录N要求,线性蓄能型缓冲器的适用参数范围和配置表中应包括参数最大缓冲行程,见表1。规程特别指出,当缓冲器的参数最大缓冲行程改变后,需要重新进行型式试验[4]。

表1 线性蓄能型缓冲器参数配置表

在GB 7588—2003和TSG T7007—2016中都明确规定,对于线性蓄能型缓冲器,其适用的撞击质量范围由型式试验中实测的压力压缩行程载荷图根据计算式得到:

Cr/4≤M≤Cr/2.5

(1)

式中:Cr为完全压缩缓冲器所需要的质量,kg;M为缓冲器适用质量范围,kg。

用做轿厢侧缓冲器时,范围M应覆盖对应电梯的轿厢质量加上额定装载质量。用做对重侧缓冲器时,范围M应覆盖对应电梯的对重质量。

对于线性蓄能型缓冲器可能的总行程,GB 7588—2003中还有要求,应至少等于对应于115%额定速度的重力制停距离的两倍,且无论如何,此行程不得短于65 mm。完全压缩缓冲器所需要的质量Cr对应的弹簧压缩量FL为:

(2)

式中:k为线性蓄能型缓冲器弹簧刚度,N/mm;v为电梯额定速度,m/s;g为标准重力加速度,g=9.81 m/s2。

对式(2)进行简化,结合GB 7588—2003对线性蓄能型缓冲器的使用限制条件,可以得到缓冲器适用电梯额定速度与对应完全压缩缓冲器所需要的质量Cr时的缓冲器压缩量之间的关系为:

(3)

联立式(1)和式(3),可以确定线性蓄能型缓冲器两个最主要的工作参数——适用质量范围与额定速度。

3 最大缓冲行程参数问题

由于TSG T7007—2016中未明确线性蓄能型缓冲器参数配置表中最大缓冲行程的定义,按照目前的通常理解,业内习惯将配置表中的最大缓冲行程简单等效为型式试验中实测的完全压缩缓冲器所需要质量Cr对应的缓冲器总压缩量FL。

随着TSG T7007—2016的广泛实施,如将线性蓄能型冲器参数配置表中的最大缓冲行程简单认为就是型式试验中实测Cr所对应的缓冲器总压缩量FL,则可能会在首次型式试验数年后所要求进行的缓冲器一致性核查中引起问题,即验证试验中得到的完全压缩缓冲器所需要的质量Cr与首次型式试验结果存在偏差,根据式(1)计算会直接影响到缓冲器的适用质量范围。

由于电梯用线性蓄能型缓冲器需承受的撞击质量较大,因此普遍采用热卷工艺进行制造。根据GB/T 23934—2015《热卷圆柱螺旋压缩弹簧 技术要求》规定,标准情况下热卷弹簧的刚度极限偏差为±10%,对精度有特殊要求的弹簧可选±5%[5]。

为了能够承受大载荷的撞击,电梯用缓冲器一般都选用直径超过20 mm的弹簧钢盘条进行制作,热卷成形后还需要经过淬火和回火工艺。由于弹簧线径尺寸本身存在偏差[6],以及不可避免地在后热处理工艺中存在不均匀性,因此若根据上述特殊精度要求将弹簧刚度控制在±5%以内判定线性蓄能型缓冲器是否合格,则废品率会非常高,批量生产基本没有可行性。可见,对于电梯用线性蓄能型缓冲器,由于结构尺寸的特点,在现行工艺条件下弹簧的刚度极限偏差要求控制在±10%是最为可能实现的[7-8]。

TSG T7007—2016在2018年1月开始正式实施,其中明确要求,对于首次型式试验合格的线性蓄能型缓冲器,型式试验机构应在之后每两年或四年进行一次一致性核查,年限由制造厂家的生产使用属性决定,核查样品由型式试验机构在制造厂家自检合格的产品中随机抽取。

表2中,线性蓄能型缓冲器的弹簧理论刚度为k,总压缩量为FL,首次型式试验中对应总压缩量FL的完全压缩缓冲器所需要的质量为Cr,通过式(1)可以得到缓冲器适用质量M的范围为0.25Cr～0.4Cr。

表2 弹簧刚度偏差对适用质量范围影响

按照前述通常理解,习惯将线性蓄能型缓冲器参数配置表中的最大缓冲行程等效为上述总压缩量FL,那么即使仅考虑前述缓冲器制造过程中不可避免的刚度偏差,且不考虑在型式试验过程中因压力和温度传感器所造成的测量偏差[9],一致性核查时根据线性蓄能型缓冲器参数配置表中的最大缓冲行程实测,并通过计算得到缓冲器适用质量范围,也会受到随机抽取样品弹簧刚度偏差的显著影响。表2中,当弹簧刚度控制在±5%的情况下,型式试验机构根据线性蓄能型缓冲器参数配置表中的最大缓冲行程对应总压缩量FL,实测得到完全压缩缓冲器所需质量Cr可能随机分布在0.95Cr～1.05Cr范围内[10],根据式(1)可以求得上述分布对应的线性蓄能型缓冲器适用质量M的范围交集为0.262 5Cr～0.38Cr,相比首次型式试验中的适用质量范围0.25Cr～0.4Cr减小了21.7%,这样才可以保证被抽样缓冲器通过一致性核查。同理,当弹簧刚度控制在±10%的情况下,线性蓄能型缓冲器适用质量范围相比理想范围需要减小43.3%,才可以保证被抽样缓冲器通过一致性核查。显而易见,一致性核查中因弹簧刚度偏差原因造成实测得到的适用质量范围相比理想范围大幅减小,必然对线性蓄能型缓冲器的适用性造成很大限制。

4 改进方法

表3中,当线性蓄能型缓冲器的弹簧存在±10%刚度偏差的情况下,对应前述完全压缩缓冲器所需要质量Cr时的弹簧实际压缩量应在0.91FL～1.11FL之间。如果该压缩量范围小于缓冲器的最大许用压缩量,同时也满足式(2)所规定的适用电梯额定速度对应的线性蓄能型缓冲器最小压缩行程要求,那么缓冲器理应被视作满足基本性能要求。

表3 Cr=4 000 kg时压缩量

因此,对于线性蓄能型缓冲器,即使考虑±10%的刚度偏差,其在型式试验中对应完全压缩缓冲器所需要质量Cr时的压缩量在0.91FL～1.11FL范围内,也都完全满足国家标准、型式试验规则和弹簧本身许用要求。同时,在满足以上要求的前提下,只要能保证选取的弹簧压缩量所对应需要的质量达到Cr值,那么该线性蓄能型缓冲器就能够达到所设计的适用质量M的范围0.25Cr～0.4Cr。

通过以上分析可知,如将实际试验时弹簧的总压缩量FL直接作为线性蓄能型缓冲器型式试验证书配置表中的最大缓冲行程,那么在之后的一致性核查时,弹簧制造刚度偏差就会对缓冲器的适用质量范围造成很大影响。而如表3所示,即使线性蓄能型缓冲器的弹簧存在±10%的刚度偏差,在压缩量0.91FL～1.11FL范围内,实际也都能满足相关标准和技术要求。可见,在一致性核查中使用配置表内最大缓冲行程参数对缓冲器的技术性能指标进行限制并无实际意义。

以下通过实例进行说明。假设现有一款电梯用线性蓄能型缓冲器,缓冲器的弹簧理论刚度为253 N/mm,最大许用压缩量为180 mm,缓冲器适用于额定速度1 m/s的电梯,设计时的理想适用质量M的范围为1 000 kg～1 600 kg。根据式(1)可以得到完全压缩缓冲器所需要的质量Cr为4 000 kg,在理论刚度情况下根据式(2)得到对应Cr的弹簧总压缩量FL为155 mm。如表4所示,型式试验申请单位可以根据线性蓄能型缓冲器的实际适用质量范围需要,申请对同一缓冲器进行两次总压缩量FL不同的型式试验。即使存在无法避免的弹簧制造刚度偏差,通过两次实际压缩量不同的型式试验也能够使同一缓冲器的适用质量范围完全覆盖根据理论刚度值计算确定的预期适用质量范围。

表4 线性蓄能型缓冲器型式试验应对方案

上述实例分析中,考虑线性蓄能型缓冲器弹簧在制造过程中不可避免地存在±10%的刚度极限偏差影响,其制造图纸和相关检验要求应明确弹簧压缩达到设计载荷对应Cr为4 000 kg时的压缩量范围必须在140.9～172.2 mm之间。该线性蓄能型缓冲器型式试验证书配置表中的最大缓冲行程可规定为172.2 mm。相应在该缓冲器型式试验及一致性核查中,对应Cr为4 000 kg时实测的弹簧压缩量根据式(2)计算,只要不小于标准所要求的最小值135 mm,同时不超过配置表中的最大缓冲行程172.2 mm,都应被认定为型式试验或之后的一致性核查合格。

5 结论

综上所述,线性蓄能型缓冲器型式试验证书配置表中的参数是用来限定缓冲器几何特性和物理特性的,用以确保实际生产制品与型式试验样品的一致性。将其中的最大缓冲行程简单定义为型式试验中的总压缩量FL,既无法对缓冲器增加额外的技术性能限制,又会徒劳地增加为了达到预期适用质量范围所需进行的型式试验次数。所以,对于线性蓄能型缓冲器型式试验证书配置表中的最大缓冲行程,最合理的解释应是线性蓄能型缓冲器在工作范围内所允许的最大压缩量,即考虑制造公差情况后给出的缓冲器最大许用压缩量。