平衡系數(shù)對(duì)電梯運(yùn)行的影響及其測(cè)量方法探究

陳偉森

（廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東廣州 510000）

0 前言

電梯技術(shù)人員對(duì)電梯平衡系數(shù)K 這一專業(yè)名詞都不會(huì)感到陌生，因?yàn)殡娞萜胶庀禂?shù)K 既能真實(shí)反映出電梯的特性，又能很好地檢驗(yàn)?zāi)骋浑娞莸馁|(zhì)量與安全。它不但會(huì)影響電梯的運(yùn)行性能，還會(huì)影響曳引電動(dòng)機(jī)輸出功率（能耗）大小。我國(guó)的《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程》里面的第一、三、八條規(guī)程清楚表明電梯平衡系數(shù)應(yīng)介于0.4～0.5。但在實(shí)際操作中，電梯平衡系數(shù)K 會(huì)在各種不同的條件之下受到不同程度的影響，電梯平衡系數(shù)有時(shí)還是會(huì)變得比原來(lái)的數(shù)值要小。在這種情況下，電梯的正常運(yùn)行將會(huì)受到很大的影響，甚至無(wú)法安全運(yùn)行。本文將探討電梯平衡系數(shù)K 對(duì)電梯運(yùn)行的影響及其測(cè)量方法，使相關(guān)人員對(duì)電梯平衡系數(shù)的重要性有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

1 電梯的工作原理和平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)

電梯是利用在曳引鋼絲繩與曳引輪之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力作為動(dòng)力進(jìn)行正常運(yùn)行的。而曳引機(jī)又是由電動(dòng)機(jī)、減速箱以及制動(dòng)器三部分組成的（或永磁同步電動(dòng)機(jī)），曳引機(jī)之所以能夠產(chǎn)生強(qiáng)有力的曳引驅(qū)動(dòng)力，主要是因?yàn)橐芬喸谝芬龣C(jī)驅(qū)動(dòng)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而曳引鋼絲繩的兩端分別是轎廂與對(duì)重裝置，在摩擦力作用下能使曳引鋼絲繩緊貼在曳引輪槽里的，是轎箱與對(duì)重的動(dòng)力。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩與曳引輪槽兩者之間能夠產(chǎn)生一定的曳引力，這個(gè)曳引力會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩運(yùn)行，從而使轎箱與對(duì)重作出相對(duì)的運(yùn)動(dòng)。工作原理如圖1所示。

2 電梯平衡系數(shù)K的實(shí)質(zhì)

電梯平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)是它能夠準(zhǔn)確反映電梯對(duì)重與轎廂（含載重量）相對(duì)曳引機(jī)的對(duì)稱平衡程度，電梯平衡系數(shù)計(jì)算的表達(dá)式為下式：

上式當(dāng)中：Q ——電梯額定載荷（kg）；W ——轎廂重量（kg）；W1——對(duì)重重量（kg）；K平——電梯平衡系數(shù)。

圖1 電梯的工作原理

平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)，從曳引式電梯的工作原理開始談起。垂直電梯的功能就是它能使重物作垂直上下運(yùn)動(dòng)。從力學(xué)角度來(lái)看，要存在著某一拉力T 與物體重力Q 相等時(shí)（即T=Q），才能使物體在空中保持靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)的物體會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就是力的平衡。當(dāng)物體的速度發(fā)生改變時(shí)，如果物體向上運(yùn)動(dòng)，則拉力T 除了要克服物體重力Q，還需要提供一個(gè)力F，這個(gè)F能夠產(chǎn)生加速度，即：T=Q ＋F=Q ＋m a（m--為物體質(zhì)量；a—為加速度）。

若有另一平衡力W 去平衡了物體重力Q，當(dāng)W=Q時(shí)，平衡系統(tǒng)就產(chǎn)生了，這個(gè)時(shí)候，重力Q不再需要靠拉力T 來(lái)克服其重量，這時(shí)的拉力T只是用來(lái)提供這一重物足以產(chǎn)生加速度所需要的力，在此前提下，會(huì)產(chǎn)生T=F=ma。此時(shí)，拉力T的大小就減小了很多。這個(gè)原理就是平衡原理。

電梯的平衡力W 通常由對(duì)重來(lái)提供。在此前提下，理論上希望對(duì)重力W 必須等于轎廂自重及其載荷的重力（即P＋Q）之和。

但事實(shí)上，這是很難在現(xiàn)實(shí)中真正實(shí)現(xiàn)的。也就是說(shuō)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中根本沒(méi)法做到這種狀態(tài)。這是由于，轎廂的載荷Q 是隨機(jī)的，它隨著進(jìn)入轎廂的物體的重量變化而變化，在0（空載）與100%QH（滿載）之間。但設(shè)計(jì)時(shí)只能選取一合適的對(duì)重重量。即取

式（1）中的K就是電梯平衡系數(shù)，因此電梯平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)，它關(guān)系到對(duì)重

通過(guò)設(shè)計(jì)值所計(jì)算出的質(zhì)量大小。這不但會(huì)影響對(duì)重質(zhì)量，還會(huì)影響電梯運(yùn)行中對(duì)重與轎廂的不平衡狀況。正常使用時(shí)轎廂的實(shí)際載荷為P＋Q（P——轎廂自重；Q——實(shí)際載荷；QH---轎廂額定載荷），則電梯轎廂與對(duì)重兩側(cè)的存在不平衡載荷，即：

由（2）式可知，只有當(dāng)Q=KQH時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)處于平衡狀態(tài)。綜上所述，無(wú)論K取任一值，平衡都只是相對(duì)的狀態(tài)，但不平衡狀態(tài)卻是絕對(duì)的。

3 平衡系數(shù)的取值對(duì)電梯運(yùn)行的影響

不管平衡系數(shù)K 取什么值，要使載荷Q 無(wú)論怎么變化都會(huì)對(duì)應(yīng)某一確定的K 值是絕對(duì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，必定會(huì)存在轎廂與對(duì)重的重力不平衡，也就是說(shuō)電梯曳引輪兩側(cè)的力矩差是隨著K值的變化而變化的。

3.1 影響選用的曳引電動(dòng)機(jī)的功率P

曳引電動(dòng)機(jī)的功率P 可以由下式確定，即P∝（1-K）QHVH。當(dāng)同電梯匹配所使用的曳引電動(dòng)機(jī)功率P為某一確定的數(shù)值時(shí)，K的取值會(huì)對(duì)電梯運(yùn)行時(shí)的能耗大小有影響。當(dāng)選取的曳引電動(dòng)機(jī)的功率余量太小時(shí)，由于此時(shí)的平衡系數(shù)無(wú)法取得一個(gè)合適的數(shù)值（0.4～0.5之間），電梯可能出現(xiàn)因曳引力不足，在運(yùn)行之后造成倒拉現(xiàn)象，也就是發(fā)生向上溜車或沖頂?shù)囊馔馐鹿蔥2]。

由此可知，平衡系數(shù)K值的確定不但對(duì)不平衡載荷的取值有影響，還對(duì)曳引輪兩側(cè)鋼絲繩的張力大小有影響。張力的大小同曳引鋼絲繩在曳引輪繩槽內(nèi)的比壓有關(guān)，即比壓的大小隨著張力的增大而增大，也就是說(shuō)，此時(shí)曳引鋼絲繩所提供的曳引能力就越大。綜上所述，平衡系數(shù)的確定會(huì)同時(shí)影響著不平衡載荷和電梯的曳引能力。當(dāng)存在電梯最大曳引力＜最大的（Q-KQH）（不平衡載荷），電梯將會(huì)出現(xiàn)曳引鋼絲繩在曳引輪繩槽中打滑的現(xiàn)象，此時(shí)可能會(huì)發(fā)生電梯溜車的事故。所以，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮電梯平衡系數(shù)K 對(duì)曳引電動(dòng)機(jī)的功率與曳引力的影響，選取適當(dāng)?shù)钠胶庀禂?shù)K值。

3.2 平衡系數(shù)K的取值還和轎廂、對(duì)重的總重量有關(guān)

轎廂和對(duì)重系統(tǒng)的總質(zhì)量與電梯運(yùn)行的安全性以及曳引鋼絲繩電梯部件的各參數(shù)的選取有直接的關(guān)系。轎廂和對(duì)重系統(tǒng)的總質(zhì)量的大小不僅會(huì)影響電梯運(yùn)行時(shí)每次起動(dòng)和剎車所產(chǎn)生的加速度的增減，它還決定著電梯其他安全部件的選擇，比如安全鉗、緩沖器的選型。在進(jìn)行電梯安裝時(shí)，為了使電梯能夠順利通過(guò)監(jiān)督驗(yàn)收檢驗(yàn)，電梯施工人員通常會(huì)將平衡系數(shù)K 取得足夠大（0.4～0.5的上限），即配置約為百分之五十。對(duì)同一載重量的電梯增大K 值就必須增加對(duì)重重量，造成起動(dòng)、制動(dòng)的力發(fā)生變化。由此可見，平衡系數(shù)K雖然只是一個(gè)比值，但事實(shí)上，平衡系數(shù)K對(duì)轎廂、對(duì)重的質(zhì)量有重大的影響[1]。

因此，在充分考慮到曳引輪、繩槽形狀（V型、U型、O型）、曳引鋼絲繩大小、空轎廂重量還有相匹配的曳引電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、安全鉗、緩沖器后，才能準(zhǔn)確確定平衡系數(shù)的取值。至于為何要求電梯在安裝時(shí)平衡系數(shù)必須介于40%～50%之間，可參考《電梯參數(shù)及其相互關(guān)系》，文章里面有詳細(xì)的敘述，這里不再列舉。需要提出的是，近年來(lái)有出現(xiàn)在新梯安裝時(shí)，由于電梯轎廂重新裝璜，增加了轎廂重量，此時(shí)電梯安裝人員為使平衡系數(shù)K 保持某一定值，嘗試增多對(duì)重塊，從而使系統(tǒng)的總體質(zhì)量大幅度的增加。這種做法是十分危險(xiǎn)的，它根本就是與平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)相偏離的做法，這種做法使電梯的負(fù)荷完全偏離原來(lái)的設(shè)計(jì)值，給電梯正常運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)嚴(yán)令禁止。

4 平衡系數(shù)K值的測(cè)量方法

4.1 直接稱量P與W

電梯平衡系數(shù)K 就是根據(jù)轎廂自重及電梯額定載荷來(lái)確定對(duì)重的重量，因此，要測(cè)定電梯平衡系數(shù)K 的值，可以直接地稱量對(duì)重的重量W 和轎廂的自重P，即可計(jì)算出平衡系數(shù)為：

4.2 根據(jù)已知電梯平衡系數(shù)K的值，確定對(duì)重?cái)?shù)量

當(dāng)知道平衡系數(shù)的設(shè)計(jì)值K，要驗(yàn)證轎廂與對(duì)重是否平衡，可以根據(jù)數(shù)值KQH大小裝載荷到轎廂。最簡(jiǎn)單的驗(yàn)證方法：一人在曳引機(jī)上小心松開制動(dòng)器抱閘，另一人雙手緊握盤車輪感覺(jué)曳引輪兩側(cè)的力矩是否平衡，由此恰當(dāng)?shù)卦鰷p對(duì)重塊數(shù)量。雖然這種方法看起來(lái)比較“落伍”，但同時(shí)也有很多的優(yōu)點(diǎn)：

1）當(dāng)電梯處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，這種方法可以有效避免因轎廂運(yùn)動(dòng)所造成的阻力矩誤差；

2）這種方法在一定程度上保證了轎廂與對(duì)重能夠處于同一的水平位置上；

3）這種測(cè)試方法十分簡(jiǎn)便、快捷，而且調(diào)整迅速，能夠節(jié)省資源；

4）這個(gè)方法具有較高的可信性，因?yàn)槿藢?duì)力的誤差感覺(jué)一般只在于幾公斤，結(jié)果不會(huì)有太大的偏差；

5）最為重要的一點(diǎn)就是，把確定的平衡系數(shù)設(shè)計(jì)值作為載荷，直接檢驗(yàn)或者調(diào)整對(duì)重的大小以達(dá)到規(guī)定的要求，避免了盲目性，確保平衡系數(shù)K 符合設(shè)計(jì)的要求。在實(shí)際電梯施工中，對(duì)重塊的數(shù)量也經(jīng)常使用這個(gè)種方法來(lái)配置[1]。

4.3 根據(jù)已知對(duì)重，求平衡系數(shù)K的值

這個(gè)方法的基本原理是：當(dāng)電梯做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，曳引電動(dòng)機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩T2為：

T0——表示折算到電機(jī)軸上，電梯機(jī)械傳動(dòng)反抗性阻力轉(zhuǎn)矩（即為阻力矩）；

△T——表示折算到電機(jī)軸上，不平衡載荷轉(zhuǎn)矩；

±——不平衡載荷轉(zhuǎn)矩的方向的改變會(huì)隨著載荷的變化而變化。（即為不平衡載荷）。

當(dāng)轎廂與載荷的重力（P＋Q）= 對(duì)重的重力（P＋KQH）時(shí)（就是系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)），此時(shí)會(huì)有△T=（P＋Q）-（P＋KQH）=0即Q=KQH。

此時(shí)平衡系數(shù)就為：K=Q/QH。

通過(guò)測(cè)量電流去判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)達(dá)到平衡是電流法的關(guān)鍵，即通過(guò)上行電流=下行電流這一條件，可以判斷系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，就會(huì)有△T=0，假設(shè)轎廂上行的阻力轉(zhuǎn)矩T0與轎廂下行時(shí)的扭矩T0相同，則有上行時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=下行時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T2，即為T2=T0，此時(shí)通過(guò)測(cè)量的電機(jī)的電流是相同的[3]。

曳引電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P2與電機(jī)的電磁功率PM有如下關(guān)系：PM=PCU＋P2，而P2=T2Ω，（其中Ω——表示電機(jī)角速度，PCU——表示電機(jī)轉(zhuǎn)子銅損耗）若忽略轉(zhuǎn)子銅損，則可得出：PM=P2。

①對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)而言，有電磁功率

②對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)有電磁功率PM=CT·φIS，當(dāng)氣隙磁通φ取某一定值時(shí)，電磁功率PM和電樞電流IS存在正比關(guān)系。而電壓又會(huì)影響氣隙磁通φ。所以，在進(jìn)行電流法測(cè)量電磁功率時(shí)，一定要嚴(yán)格保持交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率保持不變，而直流電動(dòng)機(jī)就要保持電壓一定。

綜上所述，采用電流法測(cè)量時(shí)，存在一系列的轉(zhuǎn)換關(guān)系：I1→I2→PM→P2→T2→△T 這里的每一步轉(zhuǎn)換都是有特定條件的，即為：電流I0不變；f1不變；電壓U1不變；PCU不變；轉(zhuǎn)速n 不變以及上下行T0相等。然而，影響以上這些量的變化的因素很多，比如：當(dāng)電梯上、下行時(shí)，如果轎廂的空氣阻力大小不一樣，那么電梯上行的阻力轉(zhuǎn)矩T0與下行的阻力轉(zhuǎn)矩T0相等這一條件就不成立。除了以上量會(huì)影響電流法測(cè)量，還存在人為因素影響，比如如何保證這一位置時(shí)的上行速度等于下行速度；測(cè)量電表的正確使用和誤差避免；還有測(cè)量電流的位置不同，都會(huì)給測(cè)量過(guò)程帶來(lái)或大或小的誤差。當(dāng)然還包括曲線繪制時(shí)的人為誤差。以上種種因素都會(huì)影響用電流法測(cè)得平衡系數(shù)的準(zhǔn)確性[2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

電梯驗(yàn)收檢驗(yàn)中，電梯平衡系數(shù)的測(cè)量是一個(gè)很重要的項(xiàng)目，牽涉到電梯運(yùn)行時(shí)的人員和設(shè)備安全及電梯節(jié)能問(wèn)題。為了能更好更快的測(cè)定電梯平衡系數(shù)，每個(gè)檢驗(yàn)人員都應(yīng)該深入的理解平衡系數(shù)的內(nèi)涵和測(cè)量的方法。對(duì)于電梯的平衡系數(shù)K，電梯施工人員必須正確理解其取值的意義，深入了解電梯平衡系數(shù)K 值的改變對(duì)電梯運(yùn)行及安全的影響，掌握電梯平衡系數(shù)K 的正確測(cè)量方法，確保電梯運(yùn)行安全。

［1］張金花.電梯平衡系數(shù)測(cè)量和設(shè)定［J］.上海鐵道科技，2007（1）：82-84.

［2］吳方.電梯平衡系數(shù)的測(cè)量方法研究［J］.機(jī)械研究與用，2010（04）：101-103.

［3］張清鵬.電梯綜合參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)在電梯檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.電梯工業(yè)，2009（02）：37-38.