基于電梯開關(guān)門新型安全保護(hù)裝置研究與設(shè)計

徐祝青 張今朝 張銳 楊小澤

摘 要：電梯門鎖結(jié)構(gòu)中電氣觸頭常會出現(xiàn)短接等問題，導(dǎo)致電梯門還未完全關(guān)閉，電梯便開始運(yùn)行，從而引發(fā)了剪切事故和墜落事故。針對這些問題提出了一種新安全保護(hù)裝置，本裝置采用增加一個有高速開關(guān)二極管控制的電路與電氣觸頭形成一種雙重保障，從而保證電梯安全有效的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電梯；門機(jī)系統(tǒng)；電氣觸頭；高速開關(guān)二極管

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0046-04

Abstract： The electrical contact in the structure of elevator door lock often has problems like short circuit and so on， which leads the elevator door to be not completely closed， and the elevator will start to run， thus causing the shear accident and fall accident. Aiming at these problems， a new kind of safety protection device is put forward. In this device， an additional circuit controlled by high speed switch diode and electric contact are added to form a kind of double guarantee， so as to ensure the safe and effective operation of the elevator.

Keywords： elevator； door crane system； electrical contact； high-speed switch diode

引言

隨著人們生活水平的提高以及高層建筑的發(fā)展，電梯的應(yīng)用越來越廣泛，同時對電梯的要求也越來越高，其中包括可靠性和安全性方面的要求。門機(jī)系統(tǒng)是電梯運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題最多的部分，其性能的好壞直接影響電梯的整體效果。

目前客梯中絕大部分都是采用電梯安全開關(guān)和門電氣聯(lián)鎖開關(guān)串聯(lián)形成的一條門鎖回路，當(dāng)該回路開路時則電梯無法正常運(yùn)行，從而起到保護(hù)作用。目前該回路已趨向完善，門鎖開關(guān)觸點(diǎn)的抖動也可通過RC電路、RS觸發(fā)器等克服抖動干擾[1]。但是該回路過于單一，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，極易引發(fā)剪切，碰撞、墜落井道等事故。

本文在此基礎(chǔ)上，用二極管特有的單向?qū)щ娦再|(zhì)，做進(jìn)一步的改進(jìn)可做安全開關(guān)裝置來使用。此裝置可以加強(qiáng)電梯的自診斷功能，對驕廂門與層門的關(guān)閉和開啟協(xié)調(diào)性有了進(jìn)一步安全保障。

1 門機(jī)系統(tǒng)主要功能與原理

電梯門系統(tǒng)可以分為兩種，裝在井道入口層站處的為層門，裝在轎廂入口處的為轎廂門。層門和轎廂門按照結(jié)構(gòu)形式可分為中分門、旁開門，垂直滑動門、鉸鏈門等。電梯層門和轎廂門一般由門、導(dǎo)軌架、滑輪、滑塊，門框、地坎等部件組成。門一般由薄鋼板制成，為了使門具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛性，在門的背面配有加強(qiáng)筋。

轎、層門是無孔的門，凈高度不得小于2m。自動層門的外表面不應(yīng)有大于3mm的凹進(jìn)或凸出部分（三角形開鎖處除外）。這些凹進(jìn)或凸出的部分邊緣應(yīng)在兩個方向上倒角。裝有門鎖的層門應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。在水平滑動門的開啟方向，以150N的人力（不用工具）施加在一個最不利點(diǎn)上時，門扇之間及門扇與立柱、門楣之間的間隙不得大于30mm。

目前，許多電梯都使用如圖1所示的門鎖回路。此電路將廳門鎖、轎門鎖回路串聯(lián)作為一個檢測信號，送到控制回路，作為運(yùn)行的必要條件之一。從電路本身來看，是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的，即如果一個層門或多扇層門中的任意一扇門開著，在正常操作情況下，應(yīng)不能啟動電梯或保持電梯繼續(xù)運(yùn)行。然而當(dāng)門鎖繼電器JMS出現(xiàn)故障時，例如繼電器機(jī)械卡組故障、繼電器觸頭粘連、在斷開繼電器線路時線圈仍帶有一定電壓沒有釋放等，門鎖對剪切的保護(hù)將失去，以致產(chǎn)生電梯開門運(yùn)行的情況[2]，這樣就會產(chǎn)生剪切等事故，不符合安全運(yùn)行的要求。

據(jù)不完全統(tǒng)計，電梯門系統(tǒng)故障與事故占電梯故障與事故80%以上[3]。電梯門系統(tǒng)故障種類較多，如門不能關(guān)閉或打開，反復(fù)關(guān)閉不到位后又重開，未關(guān)閉完全或未關(guān)閉前即走梯，運(yùn)行中非正常停梯、關(guān)門后不走梯、停梯后突然走梯，門滾輪磨損、自動關(guān)閉失效以及門滑塊松動或缺失等等故障。發(fā)生于門系統(tǒng)的事故也形式多樣，總結(jié)起來主要包括乘客出入廳、轎門時間發(fā)生的剪切、擠壓、撞擊以及人員墜落事故。門系統(tǒng)事故率的高發(fā)固然與門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)運(yùn)行特點(diǎn)密不可分，電梯每一次運(yùn)送行程都有一次啟動前與到站后的開關(guān)門過程，門系統(tǒng)的工作頻繁特點(diǎn)引起的門體部件、門機(jī)系統(tǒng)與門鎖機(jī)械、電氣部件等加速老化，磨損、彈性減弱與配合失效是其故障與事故多發(fā)的主要成因[4]。

例如濟(jì)南某公司一工作人員（受害者）下班后乘電梯回4樓辦公室，后匆匆返回，看到4層廳門仍然開著，誤認(rèn)為電梯仍停在4層，便一頭扎入，跌進(jìn)井道，造成重傷。

事故分析表明，該電梯轎門聯(lián)鎖觸點(diǎn)，數(shù)月前因經(jīng)常發(fā)生故障而被違章短接，事故發(fā)生的那天下午，4層廳門電氣聯(lián)鎖失靈，維修人員沒有及時修理便違章短接繼續(xù)使用。當(dāng)受害者進(jìn)入辦公室的時候，恰巧1層有人呼梯，由于此時電梯4層廳門、轎門電氣聯(lián)鎖觸點(diǎn)處于短接狀態(tài)，故電梯響應(yīng)呼梯指令運(yùn)行到1層，當(dāng)受害者返回時，盡管看到電梯4層層門是開啟狀態(tài)，但轎廂卻在1層，導(dǎo)致事故發(fā)生。

由以上案例可見，在用的客梯絕大部分都是采用門鎖的電氣安全觸點(diǎn)來驗(yàn)證電梯的層門和轎門的開關(guān)狀態(tài)，只有當(dāng)鎖鉤和鉤擋的嚙合深度達(dá)到或者超過7mm時，電氣觸點(diǎn)才能正常接通。在電梯的使用過程中，門鎖回路中鎖鉤和鉤擋的嚙合一旦出現(xiàn)問題，會直接影響到整個電梯的運(yùn)行，而且層門和轎廂門與乘客的安全密切相關(guān)，若發(fā)生門鎖開關(guān)被短接、門鎖開關(guān)觸點(diǎn)不能可靠斷開、門鎖電路被短接等，會直接導(dǎo)致層門和轎廂門開啟或還未完全關(guān)閉，電梯便開始運(yùn)行，從而引發(fā)了剪切和墜落等事故。

因此，對門鎖電路進(jìn)行改進(jìn)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)電梯使用時的安全保障，從門鎖系統(tǒng)考慮，增添一種裝置與此系統(tǒng)構(gòu)成雙重保障，以保障電梯的安全運(yùn)行。

2 門機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動

2.1 轎廂門與層門協(xié)調(diào)運(yùn)行

電梯門的關(guān)閉和開啟的動力源是門電動機(jī)，通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動轎門運(yùn)動，再由轎門帶動層門一起運(yùn)動。永磁同步電動機(jī)以其體積小、節(jié)能、控制性能好、調(diào)速范圍寬、可通過調(diào)頻進(jìn)行調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在電梯門機(jī)系統(tǒng)上也得以開發(fā)應(yīng)用。其運(yùn)行噪聲低、電梯平層精度和乘客舒適感都優(yōu)于以前的驅(qū)動系統(tǒng)。

永磁同步電機(jī)驅(qū)動的基本方程包括電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程，以這些基本方程為依據(jù)，對永磁同步電機(jī)的驅(qū)動建立數(shù)學(xué)模型[5]，首先假設(shè)以下幾點(diǎn)：（1）不考慮磁路的飽和并且磁路呈線性變化；（2）不考慮漏磁通和諧波的影響；（3）不考慮電動機(jī)的渦流和磁滯損耗；（4）電動機(jī)具有正弦反電動勢，定子電流為三相對稱正弦電流，產(chǎn)生的定子磁場正弦分布。則在三相定子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換下的數(shù)學(xué)模型為：

ia、ib、ic-三相定子電流，A；id、iq-轉(zhuǎn)子d、q軸電流，A；i0-零軸電流，此值可人為假設(shè)。

p-電動機(jī)的極對數(shù)；ω-轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；e0-空載反電動勢，v；Xd、Xq-d、q軸的感抗，H。

2.2 層門、轎廂門開關(guān)速度

如圖2所示，按關(guān)門按鈕SB2，電梯轎廂門即關(guān)閉，啟動低速運(yùn)行（S1）加速運(yùn)行（S2）高速運(yùn)行（S3）減鎖門動作（S5）關(guān)門完成（S6）。按開門按鈕SB1，電梯轎廂門即打開，啟動低速開門（S7）加速運(yùn)行（S8）高速運(yùn)行（S9）門鎖鎖定電梯門（S11）開門完成。S形速度曲線開關(guān)門不僅要安全平穩(wěn)可靠，而且要讓乘坐電梯的乘客感覺舒時速度變換時應(yīng)該做到平滑。因此選擇適合的門機(jī)速度曲線對制很重要。目前一般有如下曲線：梯形速度曲線、正弦速曲線。相比于梯形速度曲線，加速度不是恒定值的S形曲改善速度控制曲線的平滑性。相對于正弦速度曲線，S形曲線計的優(yōu)勢更加明顯。綜合考慮S形速度曲線是最適合門機(jī)開關(guān)門要把S形速度曲線運(yùn)用到門機(jī)控制中，需要先對S形速度曲線是理想的S形曲線如圖2所示，加減速處理更是一個非常重要的環(huán)節(jié)[6]。

3 系統(tǒng)平臺構(gòu)建

3.1平臺構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

高速開關(guān)二極管的原理：二極管的核心部分是PN結(jié)，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕@也是二極管的主要特性，所謂單向?qū)щ娦跃褪蔷w二極管在正向電壓作用下，二極管導(dǎo)通，而在反向電壓作用下，二極管不導(dǎo)通。二極管有很多分類，本裝置中選用開關(guān)二極管，主要由半導(dǎo)體或氧化物組成。高速開關(guān)二極管是一種新型二極管，其PN結(jié)除具有肖特基二極管的大電流特點(diǎn)外，還有肖特基二極管不具備的高反壓特性，并具有正向電阻低、反向漏電流小、反向恢復(fù)時間短、開關(guān)頻率快等優(yōu)點(diǎn)[7]。

擴(kuò)流原理：本新型裝置只要由擴(kuò)流電路、電阻、高速開關(guān)二極管、相關(guān)觸點(diǎn)組成的電路構(gòu)成。其中擴(kuò)流電路由恒流二極管、晶體管和保護(hù)電阻組成的閉合電路，其電路如下圖3所示。擴(kuò)流電路的擴(kuò)流效果明顯，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉[8]，在本電路中能起到擴(kuò)大電流，傳達(dá)準(zhǔn)確的開、關(guān)信息，使控制系統(tǒng)對電梯做出準(zhǔn)確的指示。擴(kuò)流電路中恒流二極管可采用2DH5C型，晶體管可采用JE9013。

平臺構(gòu)建位置：本裝置中觸點(diǎn)通過彈簧固定在層門上，且觸點(diǎn)成對安裝在每扇層門上，如圖4所示。

層門上觸點(diǎn)的接觸方式如圖5所示，其中2表示層門、9表示彈簧、5表示層門兩側(cè)的觸點(diǎn)。觸點(diǎn)在此回路中起到重要作用，觸點(diǎn)也直接決定著回路的安全功能是否有效[9]，所以觸點(diǎn)材料可選用銀氧化鎘（AgCdO），AgCdO觸點(diǎn)較常規(guī)工藝具有組織均勻、復(fù)銀界面良好的特點(diǎn)，其具有良好的耐磨損性，抗熔焊和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，接觸電阻小而穩(wěn)定，相對成本低。

3.2平臺構(gòu)建設(shè)計

本裝置確保了層門關(guān)閉后，客梯才能運(yùn)行，有效防止因電梯安全觸頭短路而發(fā)生的事故，本裝置的實(shí)驗(yàn)設(shè)計圖如下圖6所示。（①中兩觸頭表示電梯原有安全觸頭，當(dāng)鎖鉤和鉤擋的嚙合深度達(dá)到和超過7mm時，電氣觸頭才能接通。②中觸點(diǎn)為按上文所述方法安裝在層門兩邊的觸點(diǎn)）

本裝置中的觸點(diǎn)安裝在電梯每扇層門上，與電梯原有的安全觸頭和轎門鎖等相串聯(lián)，當(dāng)電梯層門打開時，電梯安全觸頭和新裝置中的觸點(diǎn)都斷開，電梯無法運(yùn)行；當(dāng)電梯層門關(guān)閉時，電梯安全觸頭閉合，此時如果層門沒有關(guān)閉，兩層門的觸點(diǎn)相距一定距離，即觸點(diǎn)不閉合，電路中開關(guān)二極管反向電流內(nèi)阻很大，相當(dāng)于斷路，即整個回路未導(dǎo)通，電梯不能運(yùn)行。必須在層門完全關(guān)閉，觸點(diǎn)閉合時，開關(guān)二極管被短路，整個回路導(dǎo)通，反饋給電梯PLC控制系統(tǒng)，電梯才能開始正常運(yùn)行，否則電梯不運(yùn)行。

觸點(diǎn)材料采用銀氧化鎘，觸點(diǎn)間采用面接觸能提高耐磨度。每層門設(shè)置兩個觸點(diǎn)并連接觸點(diǎn)處增加一個輕質(zhì)彈簧，使觸點(diǎn)間接觸充分且保護(hù)觸點(diǎn)，延長觸點(diǎn)的使用時間；觸點(diǎn)用導(dǎo)線并聯(lián)，并聯(lián)能減小觸點(diǎn)接觸產(chǎn)生的電阻，保證電流表的正常示數(shù)；彈簧不參與電路，導(dǎo)線從外圍穿過連接觸點(diǎn)。

平臺運(yùn)行流程：本裝置的運(yùn)行過程（如圖7所示），轎門鎖閉合，電梯原有門鎖閉合，①觸頭接通，回路仍是斷開狀態(tài)，不能使電梯運(yùn)行。當(dāng)層門完全閉合，②觸點(diǎn)接通，當(dāng)①和②兩觸點(diǎn)都是接通狀態(tài)時，回路才能完全導(dǎo)通，反饋于控制系統(tǒng)，由此啟動電梯，電梯開始正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語

應(yīng)對以上所述電梯門鎖常出現(xiàn)的問題，本裝置對單一