具有制動功能的電梯滾動導靴設計及分析

金國強

（奧的斯機電電梯有限公司，杭州 310019）

在高層建筑物中，電梯是非常重要的運輸工具，它可以用來進行人員的輸送以及貨物的有效運輸。就電梯品質(zhì)看，其包括安全性、舒適性以及功能性這三大要素。安全性是其中最為重要的因素。近年來，我國電梯事故時有發(fā)生。例如，2011年，東莞市的鴻福商務寫字樓便發(fā)生了一起嚴重的電梯事故，其使用的A1奧的斯電梯轎廂由19層向下墜落，墜落到8樓后出現(xiàn)一秒鐘的停頓，緊接著快速墜落，結(jié)果有20多人受傷。出現(xiàn)這些問題的原因為電梯的日常維護不當，電梯限速器的安全鉗系統(tǒng)沒有起到保護功能。因此，人們需要提升電梯安全系數(shù)。

現(xiàn)階段，很多安全鉗系統(tǒng)正被人們開發(fā)與應用。它通過電梯導軌的輪子旋轉(zhuǎn)程度對電梯轎廂的運行開展檢測，保留了原有的安全鉗系統(tǒng)。但是，這種模式僅改變了安全鉗模塊，無法有效提升電梯安全系數(shù)。就以上的不足，通過應用汽車鼓式制動器的工作原膜，設計電梯用的限速器-安全鉗結(jié)構(gòu)，分析其應用的性能。這一導靴既可以進行導向和減振，同時能夠提供有效的保護功能。

1 基本工作原理與結(jié)構(gòu)

電梯的基本構(gòu)成包括導軌、導靴、廂架和轎廂等，這里有四組導靴是在上下轎架的左右兩側(cè)進行安裝的。滾動式導靴為中高速電梯的主要構(gòu)成。滾動式導靴的三個導輪緊密貼在T結(jié)構(gòu)的導軌工作面上，這種情況下電梯不會出現(xiàn)較大的水平移動，使得導軌僅僅可以上下移動，同時導軌模塊通過滾動摩擦代替原有的滑動摩擦，使得電梯在運行過程中的噪音和振動得以減小，使人乘坐電梯更為舒適。

本設計利用電梯導軌之間具有的抱持模式，來實現(xiàn)電梯轎廂的緊急制動。這一滾動導靴裝置主要包括導輪停轉(zhuǎn)機構(gòu)、液壓執(zhí)行機構(gòu)和滾動導軌模塊。本文應用的就是滾動導軌模塊的三個導軌緊貼模式，同導輪的連接支撐結(jié)構(gòu)與支撐擺桿鉸接基礎。

如果電梯轎廂產(chǎn)生一定的失速，液壓執(zhí)行模塊驅(qū)動液壓缸會提供動力，促使支撐擺桿產(chǎn)生擺動。支撐擺桿促使?jié)L動輪機構(gòu)內(nèi)部的導輪順著導軌運動，該機構(gòu)的正壓力施加到導軌上，促使導輪抱持。同時，處在停轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)部的液壓缸會輸出兩個方向大小一致的動力，該動力會使制動閘片分開。制動閘就可以在制動鼓模塊出現(xiàn)摩擦，使得導輪的轉(zhuǎn)動停止。這時，電梯轎廂處在四組導軌內(nèi)部的12個導輪摩擦力控制下，實現(xiàn)緊急情況的制動。電梯在正常工作時，液壓缸1、2是不會進行力的輸出的，導靴滾輪只是處于彈簧的應用中向?qū)к壘o貼，以此進行導向和減振。

2 導靴系統(tǒng)的計算

對這一導靴進行設計的目的就是將與限速器安全鉗系統(tǒng)不同的電梯安全保護裝置提供給高速電梯（V額＞2m/s）。開展制動操作時，其可以依賴限速器安全鉗開展相關配置，還可以依據(jù)實際情況進行單獨設置。依據(jù)相關規(guī)范的要求，額定速度在0.62m/s以上時都需要對漸進式的安全鉗開展控制，這種導軌可以開展不同的制動力操作。電梯在超速的情況下，通過計算，可以得到電梯上行時需要的最大制動力為：

式中，F(xiàn)S為電梯上行過程中應具備的最大動力；P為電梯空載時的重力；Q為電梯的額定荷載數(shù)值；g為重力加速度；K為電梯的平衡系數(shù)；a1為電梯轎廂上行時的制動減速度。

為保證安全鉗的制動力不會出現(xiàn)不足或過大的情況，人們應取a1=0.8g進行相關計算。

電梯下行時需要的最大制動力為：

式中，F(xiàn)X為電梯下行時需要的最大制動力；P為電梯空載時的重力；Q為電梯的額定荷載數(shù)值；g為重力加速度；a2為電梯轎廂下行時的平均減速度。

為保證安全鉗的加持力不會出現(xiàn)過大或過小的狀況，建議取a2=0.6g進行計算。以上a1和a2的取值需要依照GB7588-2003中對于漸進式安全鉗關于平均速度的規(guī)定（處于0.2～1.0g范圍內(nèi)）進行選取。

本文對于某一款電梯運行時設定的參數(shù)數(shù)值如下：P=1000kg、Q=1000kg、K=0.5、g=10m/s2， 就 此 可 得 a1、a2、FS、FX。由于FX＞FS，得出其需要的制動力為F2=FX。本文設計的電梯內(nèi)部的滾動導輪數(shù)量為12個，每一個導輪都可以提供制動的功能，這些導輪為電梯提供所需的制動力F2，則所有的導輪的摩擦力F3=F2/12。同時，因為電梯導靴滾輪內(nèi)部的電梯導軌模塊是不存在潤滑的，其是同耐磨橡膠與冷軋鋼材分別進行接觸的，由摩擦因數(shù)表可知電梯導靴與導軌模塊的摩擦力因數(shù)μ1=2，那么所有導輪對導軌施加的正壓力N0=F3/μ1。

3 導靴模塊的設計

3.1 滾動導輪與液壓模塊的設計

液壓缸1提供的力F0直接作用于導靴導輪旋轉(zhuǎn)軸，同導輪對導軌施加的正壓力N0在同一個直線上，可以得到F0=N0，液壓缸模塊輸出的作用力p、液壓缸的直徑dw以及液壓壓力的關系如式（3）所示。

式中，p為考慮電梯系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置作用下的管路液壓和液壓缸，p=（8～12）MPa此處選擇p=10MPa。

則液壓缸1的直徑為：

由GB 7524-87標準規(guī)定的液壓缸尺寸系列，需要保留一定的余量，并兼顧其經(jīng)濟性，選取液壓缸1的直徑為dw1。

3.2 導輪停轉(zhuǎn)模塊的分析與設計

導輪停轉(zhuǎn)模塊需要設計的摩擦力數(shù)值為F3，其需要有效克服導輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作用力矩，假設停轉(zhuǎn)機構(gòu)僅要求具備最小制動力矩T1，那么：T1=F3·D2/2。

假設安全系統(tǒng)S＝1.5，那么停轉(zhuǎn)機構(gòu)要求的最終力矩T2＝ S-T1。

導輪停轉(zhuǎn)機構(gòu)中的部件都是在制動底板中集成的，其主要參數(shù)如圖1所示。其中，O為制動底板圓心；A、B為制動蹄的支撐點；C、D為制動閘片的起始點；R1為圓心O與制動閘片工作面之間的距離；D1為制動鼓直徑；θ為制動閘片包角；θ0為制動閘片的起始角；a、c為制動蹄支撐點的位置坐標；e為制動底板中心O與張開力F1之間的距離；F1為液壓缸2提供的張開力；θ1為OB同豎直線之間的夾角；α′為OA同OC的夾角；α″為OA和OD之間的夾角。

圖1 輪停轉(zhuǎn)機構(gòu)主要幾何參數(shù)

制動蹄的制動力矩Mf可以用式（5）來表示。

式中，F(xiàn)2為制動蹄法向合力；R2為制動閘片在F2作用下同導輪外殼內(nèi)壁相互摩擦產(chǎn)生的大小是μ2F2的力的作用半徑；μ2為制動閘片與制動鼓內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)。

已知 D1，選取 θ、θ0、θ1、a=e=0.4D1，可以得到 R1、α′、α″。R2和R1的關系可以用式（6）表示：

同時，液壓缸2提供的張力F1、R2和停轉(zhuǎn)機構(gòu)所需要的最終力矩Mf的關系可用式（7）表示：

根據(jù)式（4），人們可以同樣求出液壓缸2的直徑dw2，選取dw2=dw1，以統(tǒng)一零部件。

4 結(jié)論

本文主要依賴目前電梯模塊采用的限速器與安全鉗機構(gòu)設計，通過借鑒其他模塊較為成熟的應用模式，設計出具有制動功能的滾動導靴。這些導靴模塊的每一個導輪都可以抱持導軌，可以提升電梯的安全系數(shù)，研究表明，在高速電梯系統(tǒng)內(nèi)部使用這樣的導靴可以獲得很好的制動性能。

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