電梯平衡系數(shù)快捷檢測新技術(shù)研究

孫立新 戴廣宇

(1.重慶市特種設(shè)備檢測研究院 重慶 400121）

（2.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192）

中國是全球最大的電梯生產(chǎn)國與電梯消費(fèi)國，每年約有60 萬部新電梯安裝使用，其中，曳引式電梯占90%以上。按照現(xiàn)行的電梯技術(shù)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，這些新裝電梯都要進(jìn)行平衡系數(shù)的測試調(diào)整，合格后方可投入使用。因此，平衡系數(shù)檢測是電梯行業(yè)一項(xiàng)量大、面廣、要求高的技術(shù)工作。鑒于傳統(tǒng)的檢測方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，研究快捷的平衡系數(shù)檢測新技術(shù)十分必要。

1 背景

平衡系數(shù)是曳引式電梯最重要的技術(shù)參數(shù)之一，合理的平衡系參數(shù)是保證曳引式電梯正常工作的必備條件。

1.1 平衡系數(shù)的定義

圖1 是電梯曳引系統(tǒng)示意圖。GB 7588《電梯制造與安裝安全規(guī)范》的附錄G 給出了電梯平衡系數(shù)的定義：“平衡系數(shù)，即額定載荷及轎廂質(zhì)量由對(duì)重或平衡重平衡的量?！?/p>

按照電梯平衡系數(shù)的定義，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：

K ——電梯平衡系數(shù)；

W ——電梯對(duì)重系統(tǒng)質(zhì)量，kg；

P ——電梯轎廂系統(tǒng)質(zhì)量，kg；

Q ——電梯額定載荷，kg。

圖1 電梯曳引系統(tǒng)簡圖

1.2 電梯標(biāo)準(zhǔn)提出的檢測方案

GB/T 10059《電梯試驗(yàn)方法》提出的電梯平衡系數(shù)測試方案是：轎廂分別裝載額定載重量30%、40%、45%、50%、60%作上、下全程運(yùn)行，當(dāng)轎廂與對(duì)重運(yùn)行到同一水平位置時(shí)，記錄電機(jī)的電流值，繪制電流-負(fù)荷曲線，以上下運(yùn)行曲線的交點(diǎn)確定平衡系數(shù)。圖2 是一個(gè)電流-負(fù)荷曲線圖的實(shí)例。

圖2 電梯負(fù)荷-電流曲線圖

這種檢測方案的測試原理是，電機(jī)的電流值可表征電梯負(fù)載大小，當(dāng)裝載為平衡系數(shù)×額定載重量時(shí)，曳引輪兩側(cè)的荷重相等，即轎廂系統(tǒng)與對(duì)重系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，電梯向上或向下運(yùn)行阻力相等，電機(jī)運(yùn)行電流相同。繪制電流-負(fù)荷曲線圖就是要找出電梯向上與向下運(yùn)行電流相同的載荷值。

此檢測方案的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，不需要專用測量儀器；缺點(diǎn)是需要逐級(jí)加載測試，反復(fù)裝卸試重砝碼比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間通常超過1h。

“士人精神”影響的是知識(shí)分子或者更準(zhǔn)確地說是中國讀書人對(duì)自我的要求，即基于文化良知的健全人格或者是基于健全人格的文化良知?！笆咳司瘛笔且环N教育與自我教育的結(jié)合?！笆咳司瘛钡牡谝蛔晕乙蟊闶菆?jiān)守這種良知而為人處世。這是一個(gè)民族的自我追求，它不是體現(xiàn)在哪一個(gè)朝代或者歷史時(shí)期，而是一種時(shí)間維度上的繼承與拓展。

1.3 稱重式空載靜態(tài)測試方案

由于上述GB/T 10059 提出的檢測方案比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，近年來空載平衡系數(shù)測試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，取得了一些研究成果，如德國T V 公司開發(fā)的ADIASYSTEM 電梯檢測系統(tǒng)、廣州機(jī)電院研發(fā)的電梯空載平衡系數(shù)檢測儀等。圖3 是在電梯空載靜止工況，使用測力傳感器分別稱量轎廂系統(tǒng)與對(duì)重系統(tǒng)自重的檢測方案；圖4 是在電梯空載靜止工況，通過手動(dòng)釋放曳引機(jī)的抱閘，使用測力傳感器直接測量曳引輪兩側(cè)重量差的檢測方案。

圖3 曳引輪兩側(cè)張力直接測量方案

圖4 曳引輪兩側(cè)張力差測量方案

此檢測方案的優(yōu)點(diǎn)是省去了反復(fù)裝卸砝碼的環(huán)節(jié)，測試原理源于電梯平衡系數(shù)的定義，檢測結(jié)果計(jì)算簡捷。影響其推廣使用的瓶頸主要有2 個(gè)：

1）采用的測力、稱重等測試裝置在檢測現(xiàn)場安裝不便捷，雖然省去了裝卸砝碼的環(huán)節(jié)，但增添了測力機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場安裝調(diào)試，檢測作業(yè)時(shí)間與工作效率提升并不顯著。

2）機(jī)構(gòu)靜摩擦力的方向與大小會(huì)影響檢測精度，正如ADIASYSTEM 電梯檢測系統(tǒng)說明書所述：“此儀器對(duì)電梯平衡系數(shù)不是一種很精確的檢測”。

2 快捷檢測方法原理

為了提高檢測工作效率，借鑒電梯行業(yè)在平衡系數(shù)檢測領(lǐng)域的科技成果與工作經(jīng)驗(yàn),發(fā)明了電梯平衡系數(shù)快捷檢測新技術(shù)，其檢測原理清晰，數(shù)學(xué)模型嚴(yán)謹(jǐn)，檢測作業(yè)只需10min。該技術(shù)已經(jīng)獲得多項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利，主要有ZL2012101635845《電梯平衡系數(shù)的檢測方法》、ZL2012101635084《電梯平衡系數(shù)檢測儀》、ZL201210163507《電梯鋼絲繩位移測量裝置》，以及美國發(fā)明專利US2015/0142339A1《ELEVATOR BALANCE COEFFICIENT DETECTION METHOD AND DEVICE》。

2.1 快捷檢測方法簡述

圖5 是電梯平衡系數(shù)快捷檢測方案系統(tǒng)圖。

圖5 快捷檢測系統(tǒng)圖

采用電梯空載工況動(dòng)態(tài)檢測方案，具體檢測過程是：將功率測量裝置接入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源線上，將速度測量裝置置于曳引鋼絲繩上；電梯轎廂空載工況從底層至頂層再由頂層至底層全程往返運(yùn)行，實(shí)時(shí)測量并記錄速度與功率數(shù)據(jù)；應(yīng)用上述測量數(shù)據(jù)與被測試電梯的基本參數(shù)，依據(jù)電梯運(yùn)行中能量傳遞關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)處理終端計(jì)算得到電梯平衡系數(shù)的具體數(shù)值。其檢測過程不需要加載，測試數(shù)據(jù)只有速度與功率兩項(xiàng)，測試裝置的安裝方便快捷，其檢測結(jié)果經(jīng)多次對(duì)比試驗(yàn)表明與按GB/T 10059 提出的“電流-負(fù)荷曲線圖”方法的測試值基本一致。

2.2 電梯空載下行工況電機(jī)功率

如圖6 所示，電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)載為曳引輪兩側(cè)的重量差；依據(jù)平衡系數(shù)定義，電梯空載時(shí)曳引輪兩側(cè)的重量差為KQ。

圖6 電梯空載運(yùn)行負(fù)載圖

電梯空載下行時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，由電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行功率為負(fù)載的位移功率與機(jī)構(gòu)傳動(dòng)損耗功率之和：

式中：Nx——電梯下行功率，W；

Vx——電梯下行速度，m/s；

g——重力加速度，取9.8m/s2；

μ——機(jī)構(gòu)傳動(dòng)損耗系數(shù)。

2.3 電梯空載上行工況電機(jī)功率

電梯空載上行工況的負(fù)載以及機(jī)構(gòu)傳動(dòng)損耗與電梯空載下行相同。由于對(duì)重質(zhì)量大于轎廂質(zhì)量，此時(shí)的電梯負(fù)載依靠重力拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)功率為負(fù)載的位移功率減去機(jī)構(gòu)傳動(dòng)損耗功率：

式中：NS——電梯上行功率，W；

VS——電梯上行速度，m/s。

2.4 平衡系數(shù)求解

由式(2)與式(3)可建立二元一次方程組：

在式（4）中，K、μ 二項(xiàng)是未知變量；其余的Q、Nx、NS、Vx、VS六項(xiàng)是電梯參數(shù)或測試數(shù)據(jù)，為已知變量。求解二元一次方程組式(4)，即可得到平衡系數(shù)K 的數(shù)值。

2.5 檢測精度補(bǔ)償

由于電梯曳引方式、配置參數(shù)的差別，會(huì)影響到測量精度，例如采用蝸輪蝸桿曳引機(jī)的電梯，由于蝸輪蝸桿的正向與反向傳動(dòng)效率相差較大，直接應(yīng)用式(4)得到的測量結(jié)果可能存在較大的誤差。

為了提高檢測精度,可以依據(jù)不同曳引方式、不同配置參數(shù)電梯的檢測結(jié)果進(jìn)行更精確的補(bǔ)償（修正）。對(duì)采用蝸輪蝸桿曳引機(jī)的電梯，我們通過大量檢測數(shù)據(jù)的積累與分析，按功率因數(shù)、速度、曳引方式三個(gè)特征對(duì)損耗系數(shù)u 進(jìn)行非線性補(bǔ)償，其平衡系數(shù)檢測結(jié)果的偏差在±0.02 以內(nèi)。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證平衡系數(shù)快捷檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)推薦方法的符合性，研究者歷經(jīng)3 年在電梯現(xiàn)場進(jìn)行了120 余部(次)的檢測精度試驗(yàn)與不同檢測方案的比對(duì)試驗(yàn)。

3.1 檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

按照快捷檢測方案的要求，研發(fā)了TYP 型電梯平衡系數(shù)智能檢測儀，由以下3 個(gè)模塊組成：

1）功率測量模塊

采用三相交流變頻功率測量模塊，以適應(yīng)現(xiàn)代電梯普遍應(yīng)用VVVF 拖動(dòng)電機(jī)的測量要求。測量范圍1.0kW ～30kW，基本測量精度0.2%；

2）速度測量模塊

通過測量曳引鋼絲繩或限速器鋼繩的位移,間接得到電梯運(yùn)行速度。測量范圍0.2m/s ～8m/s，基本測量精度0.2%；

3）數(shù)據(jù)處理模塊

選用通用PC 為檢測數(shù)據(jù)處理終端，研發(fā)了適用于電梯平衡系數(shù)快捷檢測技術(shù)方案的計(jì)算機(jī)軟件。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 是對(duì)廣州市不同規(guī)格的10 部電梯進(jìn)行平衡系數(shù)檢測的數(shù)據(jù)（檢測時(shí)間:2014 年12 月7 日～12 日）。檢測中使用了3 臺(tái)同一型號(hào)TPY 型檢測儀連續(xù)測量3次，取3 次測量數(shù)據(jù)的中間值為檢測結(jié)果；表中的“按標(biāo)準(zhǔn)測試值”是指GB/T 10059 提出的“電流-負(fù)荷曲線圖”檢測方法的檢測結(jié)果。

表1 10 臺(tái)電梯的平衡系數(shù)檢測結(jié)果

表2 是在同一部電梯上分別使用3 臺(tái)儀器各進(jìn)行10 次檢測的數(shù)據(jù)（檢測時(shí)間:2014 年10 月7 日～10日）。電梯參數(shù)為：額定載重量1050kg、額定速度1.5m/s、永磁同步曳引機(jī)、額定頻率24Hz、曳引比2:1。

表2 3 臺(tái)儀器10 次檢測的平衡系數(shù)測試結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)分析

圖7 相對(duì)誤差分析圖

從圖7 可以看出，測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的最大正偏差0.012，最大負(fù)偏差0.01，可以認(rèn)為測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致；1#、2#、3#三臺(tái)檢測儀的檢測數(shù)據(jù)離散型較小，最大相對(duì)差為0.005；發(fā)生在對(duì)序號(hào)L2 電梯的檢測中。

圖8是檢測數(shù)據(jù)的偏差離散圖，根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制。30 個(gè)測試數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值為0.434，同一臺(tái)儀器檢測結(jié)果最大偏離為0.008，不同儀器之間的檢測結(jié)果相互差為0.017。

圖8 偏差離散圖

從圖8 可以看出，其中的27 個(gè)測試數(shù)據(jù)（占全部檢測數(shù)據(jù)的90%）與平均值0.434 相差在0.003 以內(nèi)；僅有3 個(gè)測試數(shù)據(jù)偏離較大，偏離最大值發(fā)生在2#檢測儀的第9 次檢測，為-0.010，可判斷為隨機(jī)誤差。為了克服或減小檢測隨機(jī)誤差，檢測作業(yè)可以連續(xù)做三次，取三次測試值的中間數(shù)據(jù)為測試結(jié)果，可以有效地提高檢測精度。

3.4 比對(duì)試驗(yàn)

由中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)、上海三菱電梯公司、天津特檢院、國家電梯質(zhì)檢中心（廣東）等二十多家機(jī)構(gòu)對(duì)該“平衡系數(shù)快捷檢測技術(shù)”進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證其檢測結(jié)果與按電梯檢規(guī)檢測的平衡系數(shù)結(jié)果一致性較好，檢測作業(yè)時(shí)間約縮短10 倍，可以顯著提高檢測工作效率。表3 是2015 年4 月7 日～4 月8 日，中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會(huì)在廣州廣日電梯工業(yè)有限公司電梯試驗(yàn)塔，組織4 家檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)4 種檢測方法進(jìn)行3臺(tái)電梯平衡系數(shù)檢測情況的匯總。

表3 四種平衡系數(shù)測試方法比對(duì)結(jié)果 2015-4-07

4 幾種檢驗(yàn)方案的比較

為了敘述方便，把本文1.2 敘述的檢測方法簡稱為“國標(biāo)方案”；1.3 敘述的檢測方法簡稱為“稱重方案”，2.1 敘述的檢測方法簡稱為“快捷方案”，見表4。

表4 電梯平衡系數(shù)檢測方法比較

由于傳統(tǒng)的“電流-負(fù)荷曲線圖”電梯平衡系數(shù)檢測方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，致使“漏檢驗(yàn)”、“假檢驗(yàn)”時(shí)有發(fā)生。根據(jù)國家電梯產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心近日對(duì)400 部老舊電梯技術(shù)狀況抽查的統(tǒng)計(jì)分析，其中的208部電梯平衡系數(shù)檢測不合格，占抽查總數(shù)的52%；部分電梯的平衡系數(shù)值在0.1 以下，已經(jīng)成為嚴(yán)重安全隱患。因此，普及電梯平衡系數(shù)快捷檢驗(yàn)技術(shù)，提高電梯平衡系數(shù)的檢驗(yàn)合格率已經(jīng)成為電梯安全監(jiān)管的當(dāng)務(wù)之急。

[1] 劉培.電梯平衡系數(shù)的檢測方法[P].中國專利：2012101635845，2012-09-19.

[2] 劉培.一種電梯平衡系數(shù)的檢測方法及其檢測儀[P]. PCT專利:WO2013/174243 A1，2013-05-17.

[3] Shi Chenjiang, Zhao Yuzhu. The development of balance co-efficiency test device[J]. Machinery Design & Manufacture, 2010，10(2)：76-80.