電梯超載開關(guān)無載檢測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

孫學(xué)禮，劉英杰，陳志剛，武星軍

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院研發(fā)中心，廣州 510802）

0 引言

超載保護(hù)是電梯的一項(xiàng)重要安全保障，若其失效，輕則可能出現(xiàn)電梯平層精度差、各部件損壞速度加快、轎廂變形，重則可能出現(xiàn)轎廂蹲底、開門運(yùn)行的嚴(yán)重后果[1]。因此，對(duì)超載保護(hù)裝置定期進(jìn)行加載試驗(yàn)保證其功能有效是電梯檢規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)［2-3］要求必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作任務(wù)。相關(guān)文件中并未明確加載試驗(yàn)是有載荷還是無載荷試驗(yàn)，載荷的種類也未作要求。目前比較普遍的是采用租賃砝碼進(jìn)行超載試驗(yàn)，該方法很難滿足日常現(xiàn)場檢驗(yàn)要求，且由于人員需要頻繁進(jìn)出電梯轎廂搬運(yùn)載荷，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力還存在極大的安全隱患，難以消除人為因素對(duì)超載保護(hù)裝置的動(dòng)作誤差[4]。

針對(duì)現(xiàn)行檢測方法的缺點(diǎn)，國內(nèi)外設(shè)計(jì)了各種不同原理的電梯超載開關(guān)測試儀[5-7]。其中廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院設(shè)計(jì)的OST-I型電梯超載開關(guān)測試儀[8]，采用伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)組合的驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生壓力直接作用在電梯轎廂的減震墊或電梯曳引鋼絲繩頭減震彈簧等彈性元件上，模擬轎廂內(nèi)的載荷重量，可簡便地驗(yàn)證電梯超載開關(guān)的有效性。相對(duì)于傳統(tǒng)的電梯超載開關(guān)檢測方法，該方法無需搬運(yùn)砝碼，省時(shí)省力，但儀器偏重，且多次工作后，因動(dòng)夾塊內(nèi)的平面直線滾針軸承會(huì)發(fā)生脫槽，導(dǎo)致動(dòng)夾塊會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不暢的問題。本文針對(duì)此問題，對(duì)OST-I型電梯超載開關(guān)測試儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，搭建試驗(yàn)平臺(tái)、制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗(yàn)，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)OST-I型電梯超載開關(guān)測試儀機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，解決重量偏重、動(dòng)夾塊運(yùn)行不暢的問題。

1 電梯超載開關(guān)無載檢測原理

電梯超載保護(hù)裝置的工作原理大都是由行程開關(guān)或傳感器來監(jiān)測由轎廂載荷變化所引起的彈性元件的形變量，當(dāng)形變量達(dá)到一定值后產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)處理放大后驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)并控制門機(jī)系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)超載情況的控制與保護(hù)。根據(jù)信號(hào)采集裝置裝設(shè)的位置可分為轎底式、繩頭式[9-10]。

1.1 轎底式

轎底稱重式超載裝置位于轎廂轎底與轎底支架之間。當(dāng)轎廂超載時(shí)，轎廂轎底受到載重的壓力向下運(yùn)動(dòng)壓縮減震墊，縮短轎廂轎底與轎底支架之間的距離從而觸發(fā)超載開關(guān)。

測試時(shí)，在4個(gè)減震墊或2個(gè)對(duì)角減震墊處施加壓力，如圖1所示。測試儀的一端作用于轎廂轎底，另一端通過壓力傳感器作用于轎底支架處。測試儀開始施力后，活動(dòng)轎底向轎底支架靠近直至超載開關(guān)動(dòng)作，此時(shí)壓力傳感器的值即為模擬電梯超載開關(guān)動(dòng)作時(shí)轎廂內(nèi)所承重的重量。

圖1 超載開關(guān)測試儀作用于轎底

1.2 繩頭式

電梯鋼絲繩懸掛采用2∶1繞法時(shí)，部分電梯超載開關(guān)安裝在機(jī)房鋼絲繩繩頭支撐板與繩頭拉板之間。當(dāng)轎廂超載時(shí)，繩頭拉板受到載重的拉力向下運(yùn)動(dòng)使彈簧變形，縮短了繩頭支撐板與繩頭拉板之間的距離從而觸發(fā)超載開關(guān)。

測試時(shí)，在繩頭拉板與支撐板的四周或?qū)前卜烹娞莩d開關(guān)測試儀，如圖2所示。檢測儀的一端作用于繩頭支撐板，另一端通過壓力傳感器作用于繩頭拉板處。測試儀開始施力后，繩頭拉板向繩頭支撐板靠近至超載開關(guān)動(dòng)作，該時(shí)壓力傳感器的值即為電梯超載開關(guān)動(dòng)作時(shí)轎廂內(nèi)所承重的重量。

圖2 超載開關(guān)測試儀作用繩頭

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.1 OST-I超載開關(guān)測試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)

OST-I電梯超載開關(guān)檢測儀包括定夾塊及支架、梯形絲桿、動(dòng)夾塊、壓力傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置，如圖3所示。定夾塊及支架組合為一個(gè)整體，用于支撐和夾緊超載開關(guān)一端的作用板；梯形絲桿設(shè)置于定夾塊及支架部分，旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)動(dòng)夾塊上下移動(dòng)；動(dòng)夾塊裝配于梯形絲桿上，用于夾緊超載開關(guān)另一端的作用板；壓力傳感器安裝與動(dòng)夾塊上，用于測量動(dòng)夾塊所夾緊超載開關(guān)一端的作用板上的力；驅(qū)動(dòng)裝置固定于定夾板及支架上，由伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)及連接法蘭等組成，用于輸出力矩，驅(qū)動(dòng)梯形絲桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)選用100 W的安川伺服電機(jī)，體積約為40 mm×40 mm×77 mm，質(zhì)量約為0.4 kg，其額定速度為3 000 r∕min，額定輸出扭矩為0.31 N·m[11]，諧波減速機(jī)采用的減速比為100∶1[12]，經(jīng)減速機(jī)放大后，驅(qū)動(dòng)裝置可輸出31 N·m的扭矩。

圖3 OST-I型電梯超載開關(guān)檢測儀機(jī)械結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)夾塊的運(yùn)行順暢，在動(dòng)夾塊組件兩端4個(gè)槽內(nèi)，如圖4所示，裝有4個(gè)平面直線滾針軸承。應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次使用后，尤其施力較大的工況下，平面直線滾針軸承會(huì)脫出軸承槽而造成動(dòng)夾塊運(yùn)行不暢。

圖4 OST-I型電梯超載開關(guān)檢測儀動(dòng)夾塊

2.2 超載開關(guān)測試儀優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的超載保護(hù)裝置測試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括壓力傳感器、動(dòng)夾塊組件、定夾塊、導(dǎo)向桿、驅(qū)動(dòng)裝置、底座、梯形絲桿、把手、第一接觸板、第二接觸板。第一、二接觸板直接作用于超載開關(guān)處，其通過螺栓分別固定在定夾塊、壓力傳感器，接觸板的有多種形式以應(yīng)對(duì)不同形式的超載開關(guān)；壓力傳感器通過螺栓固定在動(dòng)夾塊組件上，用于測量施加在超載開關(guān)兩端的力；定夾塊與導(dǎo)向桿通過螺紋連接，導(dǎo)向桿為定夾塊提供支撐；定夾塊中間內(nèi)裝有深溝軸承，用以為梯形絲桿上端提供徑向的支撐；動(dòng)夾塊組件與導(dǎo)向桿滑動(dòng)連接，由梯形絲桿驅(qū)動(dòng)上下移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)、諧波減速機(jī)、連接法蘭等組成，其輸出端驅(qū)動(dòng)梯形絲桿旋轉(zhuǎn)；底座的上端兩側(cè)連接導(dǎo)向桿，下端連接驅(qū)動(dòng)裝置，中間裝有深溝軸承與平面軸承，為梯形絲桿下端提供徑向、軸向的支撐，并減少絲桿旋轉(zhuǎn)的阻力，保障梯形絲桿的正常旋轉(zhuǎn)；把手上裝有電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，超載開關(guān)測試開始安裝時(shí)，向上按下該按鈕，動(dòng)夾塊向上移動(dòng)，為測試儀提供安裝的預(yù)緊力，超載開關(guān)測試結(jié)束時(shí)，向下按下該按鈕，動(dòng)夾塊向下運(yùn)行，方便測試儀在夾持位的拆卸；驅(qū)動(dòng)裝置采用與OST-I型電梯超載開關(guān)測試儀相同的配置。

圖5 超載開關(guān)測試儀優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)

為使動(dòng)夾塊在導(dǎo)向桿上滑動(dòng)順暢，動(dòng)夾塊兩端裝有自潤滑銅套石墨直線軸承，如圖6所示。軸承以銅套為基體，在摩擦面上打有排列有序、大小合適的小孔，孔內(nèi)鑲?cè)胧洚?dāng)了潤滑油，在起到潤滑作用的同時(shí)，又不需花過多精力進(jìn)行維護(hù)。該軸承通過螺絲固定在動(dòng)夾塊上，避免了OST-I超載開關(guān)測試儀中直線滾針軸承長期使用后脫槽、動(dòng)夾塊運(yùn)行不暢的問題。

圖6 自潤滑銅套石墨直線軸承

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 搭建測試平臺(tái)

為模擬電梯現(xiàn)場曳引鋼絲繩，搭建平臺(tái)如圖7所示，試驗(yàn)架上通過螺桿固定一個(gè)轎廂減震墊，用以模擬轎底的工況。超載開關(guān)測試儀試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖8所示，包括施力端壓力傳感器、液壓缸端壓力傳感器、動(dòng)夾塊組件、定夾塊、導(dǎo)向桿、液壓缸、底座、第一接觸板、第二接觸板。相對(duì)于應(yīng)用版的測試儀，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎梅蛛x式液壓缸驅(qū)動(dòng)，該分離式液壓千斤頂可輸出5 t的頂升力；試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谝簤焊椎闹帯?dòng)夾塊組件的施力端處各裝有一個(gè)壓力傳感器，用來測試裝置的機(jī)械效益；在定夾塊、動(dòng)夾塊組件留有多處安裝第一、二接觸板的位置，用以測試不同力偶臂對(duì)裝置機(jī)械效益的影響；動(dòng)夾塊內(nèi)可裝不同高度的自潤滑銅套石墨直線軸承，用來測試不同高度的直線軸承對(duì)測試儀機(jī)械效益及機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，選擇最佳的優(yōu)化方案。本實(shí)驗(yàn)中選用了內(nèi)徑16 mm直線軸承，長度分別為37 mm、70 mm的LMK16及LMK16L，如圖6所示。

圖7 測試平臺(tái)

圖8 超載開關(guān)測試儀試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖10 壓力傳感器信號(hào)顯示軟件

為測量兩個(gè)壓力傳感器的值，開發(fā)了相應(yīng)的電路板及軟件，如圖9~10所示。傳感器信號(hào)采集板采用STM32F103RB為主控芯片，AD7190為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用兩路差分輸入，可同時(shí)測量液壓缸端壓力傳感器、施力端壓力傳感器壓力傳感器的值；壓力傳感器信號(hào)顯示軟件基于串口屏開發(fā)，可同時(shí)顯示兩壓力傳感器的值，界面上，對(duì)兩傳感器值設(shè)有單獨(dú)清零功能。

圖9 壓力傳感器信號(hào)采集電路板

3.2 超載開關(guān)測試儀試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y試

安裝LMK16L直線軸承到動(dòng)夾塊內(nèi)，調(diào)節(jié)第一接觸板、施力端壓力傳感器在定夾塊、動(dòng)夾塊組件上的位置，從遠(yuǎn)離液壓缸端到近液壓缸端，分7次安裝超載開關(guān)測試儀試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀跍y試平臺(tái)，如圖11所示，第一接觸板作用于轎廂減震墊上方，第二接觸板作用于轎廂減震墊下方，操作手動(dòng)泵使柱塞通過液壓缸端壓力傳感器頂升動(dòng)夾塊組件向定夾塊方向移動(dòng)，當(dāng)液壓缸端壓力傳感器值為1 t時(shí)，記錄下施力端壓力傳感器的值。安裝LMK16直線軸承到動(dòng)夾塊內(nèi)，按LMK16L時(shí)的步驟試驗(yàn)、記錄，所得數(shù)值如表1所示。

圖11 壓力傳感器信號(hào)顯示軟件

表1 提升試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可以看出：兩傳感器距離越短，即力偶臂越小，在液壓缸輸入相同力的情形下，施力端獲得的力越大，機(jī)械效益越高；采用LMK16L、LMK16自潤滑銅套石墨直線軸承，兩傳感器距離在101.8~155.68 mm時(shí)，LMK機(jī)械效益更佳，兩傳感器距離在47.92~83.84 mm時(shí)LMK16L機(jī)械效益更好，但選用LMK16可有效地減小動(dòng)夾塊的尺寸，減輕測試儀的質(zhì)量，故選用LMK16型直線軸承更佳。

4 結(jié)束語

通過超載開關(guān)測試儀實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠囼?yàn)平臺(tái)上的試驗(yàn)，可知由導(dǎo)向桿替代原測試儀的支架可有效的減輕測試儀的質(zhì)量，因?qū)驐U的結(jié)構(gòu)簡單，替換后，可減輕0.7 kg左右的質(zhì)量；采用自潤滑銅套石墨直線軸承可有效解決軸承脫槽的問題，該軸承采用螺絲固定在動(dòng)夾塊內(nèi)，不會(huì)發(fā)生脫槽、移位的問題，且該軸承采用自潤滑，穩(wěn)定、可靠；采用LMK16與LMK16L規(guī)格的直線軸承對(duì)測試儀的機(jī)械效益影響不大，但與LMK16的對(duì)應(yīng)的動(dòng)夾塊體積、質(zhì)量更小，所以采用LMK16直線軸承的方案更佳；不同的力偶臂對(duì)測試儀的機(jī)械效益有一定影響，力臂越大，機(jī)械效益越差，可根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，綜合應(yīng)用的環(huán)境，選擇最佳的力偶臂方案；根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，綜合成本、體積、質(zhì)量等因素選擇最佳的驅(qū)動(dòng)裝置，對(duì)超載開關(guān)測試儀進(jìn)行優(yōu)化。