傅军平，吴熊杰，陈栋栋，陈向俊，程 慧

(1.浙江省特种设备科学研究院，浙江 杭州 310020)(2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，浙江 杭州 310020)(3.中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州 310018)

电梯是高楼大厦必不可少的通行工具，其安全性一直备受关注，如张廷杰等[1]针对限速器安全钳进行了多次试验，分析了其对电梯安全性能的影响；许宝玉等[2]设计了一种新型电梯超速保护装置并进行了仿真试验。当电梯遇到紧急情况如机械故障、电机断电等时，电梯可能会快速下坠[3-4]。而安全钳的作用是使电梯能够紧急制动，保证人员或货物的安全[5-6]。空载工况可以反映电梯在没有额外载重的情况下的运行状态[7]，只有保障电梯空载时的安全性能，才能研究电梯载重情况下的安全性能[8-9]。因此，本文基于空载模型对电梯安全钳制动力进行研究。

1 利用空载模型分析电梯安全钳制动力

1.1 电梯安全钳结构

渐进式安全钳是较为常见的电梯安全钳，由一整块钳架和成对的楔块、U型板簧、导板、滚针排、滑动块、制动块、支撑钉组成，其主要结构如图1所示。

图1 电梯安全钳的结构图

1.2 空载模型

在电梯空载情况下，建立了电梯上行、下行功率与速度、额定载荷的函数关系，设计空载工况下电梯安全钳制动力模型，用于分析电梯安全钳制动力[10-11]。电梯驱动电机的运行负载如图2所示。

由图2可知，当电梯轿厢空载向下移动时，电机运行承受的是运行负载，此时电梯电机的运行功率GX是运行负载位置转移功率和电梯运行消耗的功率之和，如式(1)：

GX=P·E·J·SX+β·P·E·J·SX

(1)

图2 电梯驱动电机的运行负载图

式中：SX为电梯下移速度；P为电梯平衡系数；E为电梯额定载荷；J为重力加速度；β为电梯运行消耗系数。

在电梯轿厢空载上移时，此时电机功率GS等于运行负载的位置转移功率和电梯运行消耗的功率之差，如式(2)：

GS=P·E·J·SS-β·P·E·J·SS

(2)

式中：SS为电梯上移的速度。

GX,SX,GS,SS可通过测试获得，联立式(1)、(2)进行二元一次方程组求解，即可获得空载状态下的电梯平衡系数P和电梯运行消耗系数β的值。

1.3 基于空载模型的电梯安全钳制动力分析

1.3.1制动力检验台

利用数据采集系统采集电梯安全钳制动时的运行数据，结合驱动系统以及由制动力承载装置、制动力测量装置和制动力指示装置等组成的制动系统搭建电梯安全钳制动检验台[12]。电梯安全钳制动时的减速度以及负载惯量由驱动系统提供。制动系统包括安全钳和制动盘，通过安全钳对制动盘施压完成电梯制动[13-15]。试验中的所有数据通过数据采集系统获取，利用编码器获取电机转速，对电机转速离散求导获得制动盘的角减速度。

1.3.2制动平均减速度

根据国家对电梯制动平均减速度的要求，额定质量电梯轿厢自由下落时应满足电梯安全钳制动的平均减速度为0.19g～0.99g的要求，g为重力加速度。制动平均减速度a计算公式如下：

(3)

式中：Xs为电梯安全钳开始制动时的线速度；Ks和Ke为分别为制动开始时刻和制动结束时刻；Xi为初始线速度。

1.3.3摩擦系数

制动盘的受力情况如图3所示。

图3 制动盘与制动片受力情况的正侧面图

根据图3可以推导出制动盘的摩擦系数：

(4)

式中：ε为摩擦系数；Wt,Wn,Y分别为摩擦力和正压力、压强；M为接触面积；Z为总惯量；e为制动盘角减速度；L为制动片中心与制动盘圆心的距离；e′为制动盘的线速度。制动盘与制动片的接触面如图4所示。

图4 制动盘与制动片的接触面

分析图4可知，制动过程中制动盘与制动片产生接触，制动盘位于制动片之下。在电梯安全钳制动过程中，二者相互摩擦会产生比较小的形变，这一形变是因重力而产生的，不可避免，因此在分析制动盘的受力情况时要考虑到这一点。

1.3.4温升情况

在空载电梯安全钳制动过程中，机械能的变化主要由制动时钳块界面的摩擦升温造成，重力势能D1和动能D2计算公式分别为：

(5)

(6)

式中：B为电梯安全钳制动时的初速度；C为整个制动过程所需时间；Q为钳块质量；J为地区表面重力加速度。

在空载电梯安全钳制动的整个过程中，摩擦能量D与热量I、比热σ、温度等之间的关系为：

D=D1χ+D2χ

(7)

D=I=σQ(O′-O)

(8)

式中：χ为能量转换为热量的比率，取值为0.85～0.90；O和O′分别为安全钳的初始温度和最高温度。

2 实验分析

选择额定速度为2.6 m/s、自重1 700 kg、额定载荷1 300 kg电梯的安全钳进行实验，安全钳材料的耐磨性、抗腐蚀性及导热性均良好。利用华盛昌DT-980H红外线热像仪检测制动盘和制动片的温度变化，采用型号为WAW-2000D的中路昌牌万能拉力试验机对样品进行压缩实验，以获取其弹性模量。

2.1 安全钳材料的弹性模量

选用的安全钳钳块材料泊松比为0.281，在电梯制动过程中其温度会不断升高，钳块材料弹性模量也会随之改变，具体数据见表1。

表1 安全钳弹性模量变化表

由表1可知，制动过程中安全钳钳块温度不断升高，使得钳块的弹性模量逐渐变小。而电梯安全钳材料弹性模量越小，其弹性变形就越大，材料更易发生形变。

2.2 摩擦系数与制动性能

模拟电梯空载运行时安全钳制动过程，分析摩擦系数与制动性能之间的关系。安全钳摩擦系数见表2。

表2 安全钳摩擦系数表

由表2可知，随着温度的升高，安全钳摩擦系数呈现先上升后下降的趋势。不同摩擦系数对安全钳制动性能的影响如图5所示。

由图5可知，制动力和制动距离在短时间内都快速上升，然后保持稳定，但是制动力存在突变的情况，原因是当测试实验在0.3 s以后，安全钳温度升至175 ℃以上，此时摩擦系数降低，制动力下降。这是因为摩擦系数越小，制动力就越小，制动距离就越长，反之摩擦系数越大，制动力就越大，制动距离就越短。

图5 不同摩擦系数对制动性能的影响图

2.3 制动速度变化

空载运行电梯安全钳制动速度是检验安全钳是否符合使用要求的重要指标，利用检验台的数据采集系统采集空载运行电梯安全钳的制动速度，分析制动片中心位置处的线速度和线减速度，分析结果如图6所示。

图6 制动片中心位置处的线速度和线减速度

由图6可知，在空载运行电梯安全钳开始制动后，制动片的线速度不断下降，线减速度呈现一定的规律变化。0—0.4 s，线减速度在一定范围内波动，原因是空载运行电梯电机没有通电，检验台本身具有的阻力导致的；0.4 s后，线减速度呈现波动式下降，此时安全钳制动片与制动盘相互摩擦，制动压力有变化，线减速度不太稳定。

2.4 不同散热条件下的温度变化

利用红外线热像仪采集安全钳温度数据，分析安全钳温度场，结果如图7所示。

图7 安全钳温度场

由图7可知，无论是摩擦面还是摩擦块，从上端到下端温度均呈逐步递减趋势，主要原因是钳块下端始终与未经过摩擦的冷段导轨摩擦，散热较快，而钳块最上端区域始终与摩擦升温过后的导轨接触，加之摩擦生热，因此上端温度始终保持在较高的水平。

在搭建的检验台附近营造强制风冷和循环水冷两种散热环境，模拟电梯空载运行时的制动情况，采集电梯安全钳中的制动盘温度，获得制动盘温度分布，如图8所示。

由图8可知，普通室温下安全钳制动盘中心的温度超过了120 ℃，边缘温度较低，均在40 ℃以下。利用强制风冷散热时，制动盘温度有所下降，中心温度在105 ℃以上，边缘温度降到了25 ℃以下，制动过程中电梯安全钳整体温度有所下降。依靠水冷散热的电梯安全钳在空载制动时的温度控制情况较好，制动盘整体温度下降明显，中心温度在50 ℃以下，在这一温度下电梯可以持续不断地工作。

制动盘以额定转速65 r/min空载运行25 min，采集强制风冷和循环水冷两种散热条件下的电梯安全钳的整体温度，获得其随时间的变化曲线如图9所示。

图8 不同散热状态下的安全钳温度分布图

图9 不同散热条件下的制动盘温度变化

由图9可知，在强制风冷散热条件下，安全钳制动盘的最高温度随运行时间的延长而不断上升，持续这一状态将导致电梯安全钳过热而无法正常工作。在冷却水温度为20 ℃，流速为10 L/min的水循环散热条件下，处于空载运行下的电梯安全钳整体温度在20 min后不再波动，保持在50 ℃以下。由此可知，循环水冷的散热效果更好，能满足空载运行电梯安全钳持续不断运行的要求。

3 结束语

本文利用空载模型分析电梯空载运行情况，设计制动力检验台，分析渐进式安全钳的性能，在实验过程中主要对空载运行状态下电梯安全钳制动过程中的摩擦系数和温升情况展开研究，分析了安全钳材料的弹性模量及摩擦系数对制动力和制动距离的影响。模拟了强制风冷和循环水冷两种散热方式的散热效果，发现电梯安全钳更适合采用循环水冷的散热方式。未来可以进一步研究电梯在承重情况下安全钳的制动性能，为电梯安全性能优化提供更有价值的试验数据。