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电梯平衡系数快捷检测新技术01-25docx_图文

电梯平衡系数快捷检测新技术研究

孙立新 1 戴广宇 2
(1)重庆市特种设备检测研究院 重庆 400121 (2)天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192

摘要:基于电机能量传递理论,依据曳引式电梯空载工况运行功率、运行速度、运行效率 与驱动载荷的函数关系,建立了求解电梯平衡系数的数学模型,通过对电梯空载运行功率 与运行速度的实时测量,由数据处理终端计算并输出电梯平衡系数的检测结果。检测过程 电梯不需要加载,测试装置安装方便快捷,现场作业时间约 10 分钟。
关键词:电梯 平衡系数 数学模型 快捷检测

中国是全球最大的电梯生产国与电梯消费国,每年约有 60 万部新电梯安装使用,其中, 曳引式电梯占 90%以上。按照现行的电梯技术规范与技术标准,这些曳引式新电梯每部都要 进行平衡系数的测试调整,平衡系数参数合格才允许投入使用。因此,平衡系数检测是电梯 行业一项量大、面广、要求高的技术工作。有鉴于传统的电梯平衡系数检测方法比较费时费 力,研究与应用快捷检测新技术十分必要。

1. 背 景
平衡系数是曳引式电梯最重要的技术参数之 一,合理的平衡系参数是保证曳引式电梯正常工 作的必备条件。

1.1 平衡系数的定义

图 1 是电梯曳引系统示意图。GB7588《电梯

制造与安装安全规范》的附录 G 给出了电梯平衡 系数的定义:

“平衡系数,即额定载荷及轿厢质量由对重 或平衡重平衡的量”。

按照电梯平衡系数的定义,其数学表达式为:

K

……式(1)

式中: K ——电梯平衡系数;

W ——电梯对重系统质量,kg; P ——电梯轿厢系统质量,kg;

Q ——电梯额定载荷,kg。

1.2 电梯标准提出的检测方案
GB/T 10059《电梯试验方法》提出的电梯平 衡系数测试方案是:轿厢分别装载额定载重量

30%、40%、45%、50%、60%作上、下全程运行,当轿厢与对重运行到同一水平位置时,记录 电机的电流值,绘制电流-负荷曲线,以上下运行曲线的交点确定平衡系数。图 2 是一个电 流-负荷曲线图的实例。
这种检测方案的测试原理是,电机的电 流值可表征电梯负载大小,当装载为平衡系 数×额定载重量时,曳引轮两侧的荷重相等, 即轿厢系统与对重系统处于平衡状态,电梯 向上或向下运行阻力相等,电机运行电流相 同。绘制电流-负荷曲线图就是要找出电梯向 上与向下运行电流相同的载荷值。
此检测方案的优点是技术成熟,不需要 专用测量仪器;缺点是需要逐级加载测试,反 复装卸试重砝码比较费时费力,现场作业时 间通常超过 1 小时。
1.3 称重式空载静态测试方案
由于上述 GB/T 10059 提出的检测 方案比较费时费力,近年来空载平衡系 数测试技术应运而生,取得了一些研究 成果。图 3 是在电梯空载静止工况,使 用测力传感器分别称量轿厢系统与对 重系统自重的检测方案;图 4 是在电梯 空载静止工况,通过手动释放曳引机的 抱闸,使用测力传感器直接测量曳引轮 两侧重量差的检测方案。
此检测方案的优点是省去了反复 装卸砝码的环节,测试原理源于电梯平 衡系数的定义,检测结果计算简捷。影 响其推广使用的瓶颈主要有 2 个:
(1)采用的测力、称重等测试 装置在检测现场安装不便捷,虽然 省去了装卸砝码的环节,但增添了 测力机构的现场安装调试,检测作 业时间与工作效率提升并不显著。
(2)测试结果为电梯静态工况 数据,机构静摩擦力的方向与大小 会 影 响 检 测 精 度 , 与 遵 循 GB/T 10059 的动态测试数据相比往往存 在差异,需要通过较高的现场测试 技巧来弥补。

2. 原 理
为了提高检测工作效率,借鉴电梯行业在平衡系数检测领域的科技成果与工作经验,发 明了电梯平衡系数快捷检测新技术,其检测原理清晰,数学模型严谨,检测作业只需 10 分 钟。该技术已经获得多项授权发明专利,主要有 ZL2012101635845《电梯平衡系数的检测方 法》、ZL2012101635084《电梯平衡系数检测仪》、ZL201210163507《电梯钢丝绳位移测量装 置》,以及国际发明专利 WO2013/174243A1《一种平衡系数检测方法及其检测仪》。

2.1 快捷检测方法简述
图 5 是电梯平衡系数快捷检测方案系统图,采用电梯空载工况动态检测方案,具体检测 过程是:
将功率测量装置接入驱动电机的电 源线上,将速度测量装置置于曳引钢丝 绳上;电梯空载工况从底层至顶层全程 往返运行,实时测量并记录速度与功率 数据;应用上述测量数据与被测试电梯 的基本参数,依据电梯的结构原理与运 行中能量传递关系,经数据处理终端计 算得到电梯平衡系数的具体数值。其检 测过程不需要加载,测试数据只有速度 与功率两项,测试装置的安装方便快捷, 其检测结果与按 GB/T 10059 提出的“电 流-负荷曲线图”的测试值一致。

2.2 电梯空载下行工况电机功率

如图 6 所示,电梯驱动电机的运行负载为曳引轮两侧的重量差 W-P;依据平衡系数定义,

电梯空载时曳引轮两侧的重量差 W-P=KQ。

电梯空载下行时电机处于电动状态,由电机拖动

负载运行,电机运行功率为负载的位移功率与机构传

动损耗功率之和:

N KQgV μ KQgV

……式(2)

式中: N ——电梯下行功率,W;

V ——电梯下行速度,m/s; g ——重力加速,取 9.8m/s2;

μ ——机构传动损耗系数;

式中其它符号同前。

2.3 电梯空载上行工况电机功率
电梯空载上行工况的负载以及机构传动损与电梯 空载下行相同。由于对重质量大于轿厢质量,此时的 电梯负载依靠重力拖动电机运转,电机处于发电制动 状态,电机功率为负载的位移功率减去机构传动损耗 功率:

N KQgV μ KQgV 式中: N ——电梯上行功率,W;
V ——电梯上行速度,m/s; 式中其它符号同前。

…… 式(3)

2.4 平衡系数求解

由式(2)与式(3)可建立二元一次方程组:

N KQgV μ KQgV N KQgV μ KQgV

……式 (4)

在式(4)中,K、μ二项是未知变量;其余的 Q、g、N 、N 、V 、 V 六项是电梯参数或

测试数据,为已知变量,两个方程两个未知数。求解二元一次方程组式(4),即可得到平衡

系数 K 的数值。

3. 试 验
为了验证平衡系数快捷检测理论的符合性与检测方法的可行性,历经 3 年在电梯现场 进行了 120 余部(次)的检测精度试验与不同检测方案的比对试验。

3.1 检测系统的构成
按照快捷检测方案的要求,研发了 TYP 型电梯平衡系数智能检测仪,由以下 3 个模块组 成:
(1)功率测量模块 采用三相交流变频功率测量模块,以适应现代电梯普遍应用 VVVF 拖动电机的测量要求。 测量范围 1.0kW~30kW,基本测量精度 0.2%; (2)速度测量模块 通过测量曳引钢丝绳或限速器钢绳的位移,间接得到电梯运行速度。测量范围 0.2m/s~ 8m/s,基本测量精度 0.2%; (3)数据处理模块 选用 Acer/ W3-810 型 PC 为检测数据处理终端,研发了适用于电梯平衡系数快捷检测 技术方案的计算机软件。

3.2 试验数据
表 1 是对广州市不同规格的 10 部电梯进行平衡系数检测的数据。检测中使用了 3 台同 一型号 TPY 型检测仪连续测量 3 次,取 3 次测量数据的中间值为检测结果;表中的“按标准 测试值”是遵循 GB/T 10059 提出的“电流-负荷曲线图”检测方法的检测结果。

表 1 10 台电梯的平衡系数检测结果

电梯 电梯 序号 型号/编号

载荷 kg

速度 m/s

L1 HGP/675

1050 1.5

L2 ZFTK/C02 L3 GST/G0501

3000 2.0 1600 3.0

L4 Gwiz-B/7#

2000 2.0

检测时间:2014 年 12 月 7 日~12 日

曳 引 按标准 使用 TYP 仪器测试值

方式 测试值 1#仪器 2#仪器 3#仪器

2:1 0.432 0.436 0.434 0.433

2:1 0.47 0.476 0.465 0.468

2:1 0.44 0.437 0.438 0.451

2:1 0.5

0.499 0.50

0.497

L5 Gwiz-mrl/1# L6 C0150/1# L7 CO105/2# L8 HGP/7160 L9 HGP/7159 L10 HGP/7142

1150 1050 1050 1050 1050 1050

2.0 2:1 1.75 2:1 1.75 2:1 1.5 2:1 1.5 2:1 1.5 2:1

0.475 0.472 0.472 0.485 0.485 0.475

0.469 0.473 0.484 0.495 0.487 0.474

0.469 0.472 0.483 0.487 0.480 0.472

0.465 0.471 0.482 0.486 0.477 0.470

表 2 是在同一部电梯上分别使用 3 台仪器各进行 10 次检测的数据。电梯参数为:额定 载重量 1050kg、额定速度 1.5m/s、永磁同步曳引机、额定频率 24Hz、曳引比 2:1。

表 2 3 台仪器 10 次检测的平衡系数测试结果 顺序 ①②③④⑤
仪器

检测时间:2014 年 10 月 7 日~10 日 ⑥⑦⑧⑨⑩

1#仪器 0.433 0.433 0.436 0.433 0.431 0.433 0.441 0.431 0.435 0.436

2#仪器 0.433 0.431 0.436 0.431 0.439 0.436 0.436 0.435 0.436 0.436

3#仪器 0.432 0.436 0.433 0.431 0.433 0.433 0.431 0.433 0.424 0.431

3.3 数据分析
图 7 是使用 TPY 型电梯平衡系数检测仪的测量结果与遵循 GB/T 10059 技术方案的测试 值(以下简称标准值)的相对误差分析图,根据表 1 的数据绘制。

图7

图8

从图 7 可以看出,测量结果与标准值的最大正偏差 0.012,最大负偏差 0.01,可以认为 测量结果与标准值基本一致;1#、2#、3#三台检测仪的检测数据离散型较小,最大相对差为 0.005;发生在对序号 L2 电梯的检测中。
图 8 是检测数据的偏差离散图,根据表 2 数据绘制。30 个测试数据的算数平均值为 0.434,同一台仪器检测结果最大偏离为 0.008,不同仪器之间的检测结果相互差为 0.017。
从图 8 可以看出,其中的 27 个测试数据(占全部检测数据的 90%)与平均值 0.434 相 差在 0.003 以内;仅有 3 个测试数据偏离较大,偏离最大值发生在 2#检测仪的第 9 次检测, 为-0.010,可判断为随机误差。为了克服或减小检测随机误差,检测作业可以连续做三次, 取三次测试值的中间数据为测试结果,可以有效地提高检测精度。

4. 问 题

对于采用蜗轮蜗杆曳引机的电梯,由于蜗轮蜗杆的正向与反向传动效率相差较大,应用

本文论述的电梯平衡系数快捷检测技术会有较大的误差。

TPY 型电梯平衡系数检测仪扩展了适用于蜗轮蜗杆曳引机电梯平衡系数检测功能,电梯

空载下行测量一次,再选用已知重量加载下行测量一次。采用的计算公式如下:

N KQgV μ KQgV N KQ Q gV μ KQ Q gV

……式 (5)

式中: Q ——加载测试的重量,kg,在额定载重量的 10%-15%范围内选取;

N ——轿厢加载 Qd 下行,运行到与对重同一水平位置时电机的功率值,W;

V ——轿厢加载 Qd 下行,运行到与对重同一水平位置时轿厢的速度值,m/s;

其它符号同前。

5.几种检验方案的比较

为了叙述方便,把本文 1.2 叙述的检测方法简称为“国标方案”;1.3 叙述的检测方法 简称为“称重方案”,2.2 叙述的检测方法简称为“快捷方案”。 表 2 电梯平衡系数检测方法比较

方案类别

国标方案

称重方案

快捷方案

检测原理

通过“电流-负荷曲 线图”确定使电梯上 行与下行电流相同的 加载重量值

通过测量电梯空载工况曳 引轮两侧的重量参数,直 接按电梯平衡系数的定义 换算其数值

通过对空载功率与速度 的实时测量,基于运行能 量传递理论建立数学模 型求解电梯平衡系数

测试项目

电梯轿厢加载重量、 轿厢与对重系统重量,或 驱动电机运行电流 轿厢与对重系统的重量差

空载上、下运行功率、 空载上、下运行速度

仪器要求 不需专用仪表

重量或张力静态测量, 构成简单,结构要求较高

功率与速度动态测量, 精度要求较高

检测精度

较高 行业认可

受机械静摩擦力影响, 与“国标方法”有差异



检测时间 约(50-100)分钟

约(30-50)分钟

约(5-10)分钟

主要优点

检测方法源于电梯法 检测原理源于电梯平衡系 检测原理清晰,数学模型 规标准,技术成熟, 数定义,检测作业无需加 严谨,采用空载运行测 无需专用测量仪表 载,测试结果计算简单 试,作业便捷、精度高

存在缺点 需要多次加载测试 测量仪器现场安装不便捷 测试仪器价格较高

由于传统的“电流-负荷曲线图”电梯平衡系数检测方法费时费力,致使“漏检验”、“假 检验”时有发生。据国家电梯产品质量监督检验中心近日对 400 部老旧电梯技术状况抽查的 统计分析,其中的 208 部电梯平衡系数检测不合格,占抽查总数的 52%;部分电梯的平衡系 数值在 0.1 以下,已经成为严重安全隐患。因此,普及电梯平衡系数快捷检验技术,提高电 梯平衡系数的检验合格率已经成为电梯安全监管的当务之急。

参考文献
[1] 刘 培. 电梯平衡系数的检测方法[P].中国专利:2012101635845,2012-09 -19. [2] 刘 培. 一种电梯平衡系数的检测方法及其检测仪[P]. PCT 专利:WO2013/174243 A1,2013-05 -17. [3] The development of balance co-efficiency test device,SHI Cheng -Jiang, ZHAO Yu - zhu , P76-80, 2010 Vol10(2),Machinery Design & Manufacture. 作者信息 孙立新,重庆市特种设备检测研究院教授级高工、高级检验师 电话: 13820177788 邮箱: 13820177788@163.com 地址: 重庆市北部新区芙蓉路 5 号 重庆特检院 1109 室 邮编: 401121


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