水电电工知识
曳引电梯平衡系数及检测
2024-08-23  浏览:71

平衡系数对电梯专业人员来说是一个既熟悉又生疏的参数。说它熟悉是因为大家都知道曳引式电梯对重的配置都有一个“平衡系数”,都知道国家标准中有规定“平衡系数应在40% ~50%的范围内”,说它生疏是因为到底平衡系数在电梯上起什么作用?其取值大小将影响什么?应如何取值最为合适?以及到底如何测定才是准确的?许多电梯安装、检验人员并不清楚。

  目前,各地特种设备检验检测机构在对电梯进行验收检验时,最费时,也最费人力、物力的,便是检测电梯的平衡系数。按检验规定:必须在轿厢分别承载0、25%、40%、50%、75%、100%、110%额定载荷下,测定电梯运行的载荷—电流曲线,取其上、下行曲线的交汇点的载荷系数,便是该梯的平衡系数,交汇点在40% ~50%范围内为合格。为了测定这一参数,除了两名检验人员,还需要多名来回搬运法码的工人。由于影响试验的因素太多,其结果是否可信尚且不说,即便测试结果在40%~50%的范围之内,一定合格吗?若是超出此范围,为什么就不合格呢?“平衡系数”的意义是什么?对电梯有什么影响?不知其所以然,测定“平衡系数”就失去了意义。

1、平衡系数的实质

  要探讨平衡系数的实质,必须从曳引式电梯的原理讲起。垂直电梯是使重物作垂直上下运动的升降设备。从力学的角度,要使一重物在空中保持静止状态,必须有一拉力T与物体的重力Q相平衡,即T = Q , 这时物体处于静止或匀速运动状态,称为力的平衡。此系统称为平衡系统。若要使物体向上运动,速度发生改变,则这一拉力T除了克服物体的重力Q,还要提供一个产生加速度的力F,即  T = Q + F = Q + m a ( m -- 为物体的质量;a—为加速度)。

  如果物体的重力Q被另外一个平衡力W所平衡,W = Q , 即构成一个平衡系统,这时拉力T就不用去克服重力Q了,而只需提供使物体产生加速度所需的力, 即 T = F= m a 这样就大大减小了拉力T。这就是电梯上采用的“平衡原理”。这个平衡力就是由对重来提供。因此我们要求对重的重力W,要与轿厢及载荷的重力 (P+Q)相等。

  但要真正做到这一点,在电梯的实际应用中非常困难,或且说目前还没有想出一个办法来实现这一点。因为轿厢的载荷Q 是随机变化的,可能是0 ( 空载 )或者 100%QH ( 满载 ) 范围内的任意值,因此我们只能选择一个恰当的对重重量。

即取 W = P + K QH ---------------(1)

  这个系数K,就是“平衡系数”。因此 ,平衡系数的实质就是设计配置对重的质量大小。它将影响对重的质量和电梯的不平衡载荷。当轿厢与载荷为 P + Q ,(其中 P—是轿厢的自重;Q---是轿厢的实际载荷;QH ---轿厢的额定载荷),轿厢侧与对重侧的不平衡载荷为:

△T = (P+Q) –( P+KQH ) = Q – KQH --------(2)

2、平衡系数K的取值

    从以上式(2)可以看出,只有当 Q = KQH 时系统才处于平衡,因此,不论K取何值,平衡只是相对的,而不平衡是绝对的。我们只能希望系统尽可能地接近平衡。一种简单的办法便是取轿厢载荷变化的平均值。因为轿厢载荷的变化为:0 ~ 100%,因此取 K=50% 左右都是合理的,很难说取多少更好些。电梯在出厂时并不完全了解实际运行使用时载荷的情况,要想真正达到比较理想的平衡,应该在电梯实际运行使用中,实际测定日常运行载荷的变化。比如,目前大量的住宅电梯其实际的载荷变化基本在 0 ~ 60% ,极少出现满载的情况,因此取 K = 30% ~ 40% 应该更为合适。现在一般的乘客电梯在载荷超过80%时就进入直驶状态,因此真正满载的时候也较少,因此取平衡系数K =40% ~ 50% 为合适。相反,一些载货电梯,由于轿厢超面积,其载荷变化会在 0 ~ 105%,因此平衡系数取 K≥50% 应该更为合适。必须指出,这里说K的取值是指电梯设计时对平衡系数K的取值,称为设计值,绝不是电梯安装时或使用后随意配置的K值。

3、平衡系数K的取值对电梯的影响

    上面已经说明,无论平衡系数K如何取值,要以不变的K值应万变的载荷Q是不可能的,因此在轿厢与对重系统上不平衡状态是绝对的,从设计的角度,K的取值首先影响作用于曳引轮两侧的不平衡力矩的大小,若最大载荷为超载载荷110%QH ,K的取值按40%~50%,则空载时不平衡载荷为:(0.4~0.5)QH ,超载时不平衡载荷为:(1.1-K)QH = ( 0.6~0.7) QH ,若按电梯验收检验时的最严重载荷125% QH ,则不平衡载荷为1.25-K =(0.75~0.85)QH , 这是电梯可能的最大不平衡载荷(指静载荷),也就是电梯必须提供的最小静态曳引力。

  这首先影响选用的主机电动机的功率P。主电动机的功率P由下式决定: P∝(1-K) QH VH 。如果电梯配套使用的电动机功率足够大,则K的选择将影响电梯运行时耗能的大小,如果选用电动机的功率余量较小,则平衡系数取值不合适可能会造成电梯启动后出现倒拉,发生溜车或者冲顶的事故。

  平衡系数的取值影响不平衡载荷的大小,同时也影响曳引轮两侧钢丝绳的张力,这个张力的大小将对曳引钢丝绳在绳槽内的比压产生影响,张力越大则比压也越大,则曳引钢丝绳提供的曳引能力就越强。因此平衡系数的取值既决定不平衡载荷,也将影响电梯的曳引能力。当最大不平衡载荷大于电梯的最大曳引力时,曳引钢丝绳在绳槽中将出现打滑,发生溜车事故。在电梯设计时,对平衡系数K的选择既要考虑到主机电动机的功率,又要考虑到对曳引能力的影响。#p#分页标题#e#

平衡系数K的取值还影响轿厢、对重系统的总质量:

  M=P+Q+W+Y = ( P+Q)+(P+K QH)+Y (Y—曳引钢丝绳等装置质量),这一点很容易被忽略。轿厢、对重系统的总质量将影响电梯的安全系数,影响对曳引钢丝绳、曳引轮绳槽等部件参数的选择。同时总质量的大小还影响到电梯运行中起、制动的加、减速度。影响到电梯使用的安全钳、缓冲器等安全部件的选择。在电梯安装时,为了应对验收检验,减小验收时的不平衡载荷,安装人员往往把平衡系数K取得较大,配置到接近50%,增加平衡系数就是增加对重的质量,会带来电梯启、制动加速度的减小,以至制动困难。因此,平衡系数K值表面上看只是一个比值,实际上它与轿厢、对重的质量有密切关系。它是电梯整体设计时的重要参数之一,撇开额定载重、轿厢自重等参数,纯粹的平衡系数是没有意义的。

  所以平衡系数K的确定必须在电梯设计时,结合曳引轮、绳槽形状、曳引钢丝绳、轿厢自重以及配套的曳引机电机、制动器、安全钳、缓冲器等综合考虑。其相互关系曾在本人的另一篇论文《电梯参数及其相互关系》中述及,这里不再细述。这就是为什么电梯安装时,平衡系数应按40%~50%范围的设计值配置的原因。值得一提的是,近来一些在用电梯重新装璜轿厢,使轿厢的自重增加,这时为了保持平衡系数K值不变,采取增加对重块的方法,使系统的整体质量大大增加,这是极其错误的,这时的平衡系数已失去了原有的意义。电梯的安全系数降低,起、制动减速度减小,会给电梯造成严重的安全隐患。

    所以说平衡系数K的取值,并非只要安装时或者验收检验时测得在40% ~ 50%范围内,均认定为符合要求。如果取值偏离了设计值便是不符合要求,或者虽然取值符合设计值,但其轿厢自重P或额定载重QH 发生变更,同样是不符合要求。在GB7588—2003附录D的曳引检查中这样说明:“应检查平衡系数是否如安装者所说”,这里的“安装者所说”实指设计值,并非安装人员随心所欲的结果。这就要求电梯制造厂商务必将电梯设计的平衡系数值,告知安装施工人员,安装施工人员务必遵照设计值配置对重装置,并不得随意更改轿厢自重。检测机构进行验收检验时必须测定其实际值与设计值是否一致,并检查其是否私自更动轿厢自重等参数。这一点应该引起业内人士的注意。

 国家标准上推荐采用测量曳引电动机电流的方法就属于这一类。其基本原理是:当电梯作匀速运行时,曳引电动机轴上输出的转矩T2为:  
T2 = T0 ±△T ---------(3)
T0 ----折算到电机轴上,电梯机械传动反抗性阻力转矩(简称阻力矩)
△T ---折算到电机轴上,不平衡载荷转矩。±代表随载荷的变化不平衡载荷转矩的方向将改变。(简称不平衡载荷)
当轿厢与载荷的重力(P+Q)与对重的重力(P+KQH)相等时(即处于平衡状态),则 △T = (P+Q)— ( P+KQH ) = 0
     则 Q = KQH 平衡系数: K = Q / QH

  电流法的关键是利用测量电流来判断是否平衡,平衡状态下:

△T = 0,假定轿厢上行与下行时的阻力转矩T0 是一样的,则上、下行时电动机的输出转矩T2就相同 ,T2 = T0 ,这时测得电机的电流也应相等。以上、下行电流相等来判定平衡,(注意:不是电流最小),这就是电流法的原理。

以测量电流来判定转矩,这是一种间接的测量方法。电流与转矩之间的关系是从电动机上的功率平衡关系间接获得。

  电动机输出的机械功率 P2 = T2 Ω (Ω---电机角速度),它与电机的电磁功率 PM 之间有:PM = PCU + P2  ( PCU-----电机转子铜损耗),如忽略转子铜损, 则有: PM = P2 对于交流异步电动机,电磁功率 PM =( m p /2πf1)·( I22 r/s) ----(4)当电动机的转速、频率一定时,电磁功率 PM 与转子电流 I22 成正比。交流异步电动机的转子电流是无法测量的,只能测量定子电流I1
I1 = I0 +(-I2,) (I0----为电动机的励磁电流),如忽略励磁电流I0 ,则有 I1 =(-I2,)
对于直流电动机,电磁功率 PM = CT φIS 当气隙磁通φ一定时,电磁功率 PM与电枢电流IS 成正比。气隙磁通φ与电压有关。

  因此,采用电流法测量时,对于交流电动机则要保持转速、频率一定。对于直流电动机则要保持电压一定。

  从以上分析看出,电流法通过测量电动机定子电流I1 来判定电动 机轴上的不平衡载荷 △T = 0,经过了一联串的转换关系:

I1 → I2 → PM → P2 → T2 → △T

  每一步转换都必须具备一定的条件,依次为:I0不变;f1 不变;电压U1不变;PCU 不变;转速n不变;上下行T0 相等,而影响这些量的因素很复杂,比如电梯在上、下行时,轿厢的空气阻力不同,上下行的阻力转矩T0相等就难以成立,尤其在高速时更是如此。还有测量过程人为因素的影响,如:如何把握在轿厢运行到与对重同一水平位置测定电流;如何保证这一位置时的上、下行速度是一样的;还有测量电流使用的仪表;测量电流的位置等,都将造成很大的误差。还有曲线的绘制,由于在载荷为40%~50%范围内没有测量点,因此曲线的绘制包含了很大的人为因素。这些都影响了电流法测定平衡系数K值的准确性。

  综上所述,对于电梯的平衡系数,首先应该正确理解其取值的意义,以及取值的改变对电梯的影响。其次是采取正确的切实的测量方法。

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