模拟电梯实验平台设计

刘成源，韩震宇

（四川大学机械工程学院，四川 成都 610065）

直升电梯作为常见的特种设备，每天都要运载大量的人员完成上下楼的工作，其安全性能和故障率都有着严格的要求，国家也出台了相关的强制标准规范《电梯制造与安装安全规范》[1]（下称《规范》）以提高电梯安全性能、降低因事故而造成的经济生命财产损失。但是市场监管总局关于2020 年全国特种设备安全状况的通告显示，2020 年全年共发生25 起电梯事故，其中因电梯自身原因7 起，共造成19 人死亡[2]。因此，对影响电梯安全运行的各个状态物理量的成因进行研究便显得尤为重要。

考虑到电梯结构庞大、运行方式特殊，很难在真实环境中对电梯的安全性能和控制方式进行全面研究，具体原因如下。首先，商用的电梯不具备实验安全条件；
其次，建造实验电梯的成本高、实验条件单一、适应性差；
最后，撤除所有防护后的电梯安全性能实验容易发生事故，可能会造成难以评估的损失。

国内外有部分科研机构研发了实验室环境下的电梯模拟检测平台[3-5]，可以实现对制动器制动力的检测，但大多都使用电惯量对惯性力进行模拟，对陪试电机动态响应能力有着较高的要求。

为了克服上述提到的若干问题，本文从电梯的实际工作原理和组成结构出发，分析各个构件的工作机理，将电梯的运动状态抽象为物理模型。在保证运动学守恒和动力学守恒的前提下，使用机电设备搭建小型化曳引机制动力模拟检测平台，使用飞轮降低陪试电机的负载功率且更真实地模拟电梯加减速过程中的惯性[6]。最后对实验平台任意运行过程的数据进行采集，与理论计算进行对比，验证检测平台的正确性。

直升电梯是利用电机驱动沿垂直导轨运行的箱体，进行升降运送人或货物的机电设备[7]。标准客梯出于美观和安全方面考虑，添加了不会影响电梯运行的辅助设备，为了简化分析，将电梯的实际模型抽象化处理。电梯的简易结构如图1 所示，包括轿厢、对重、曳引绳、补偿绳、顶部轮、随行电缆以及与曳引轮同轴安装的曳引机和制动器（未画出）。

图1 电梯物理模型

在正常运行状态下，当电梯接收到移动至某一层的命令时，制动器松闸，曳引机驱动曳引轮转动，从而拖动轿厢移动；
待到达指定位置后曳引机停止运行，制动器抱闸制动，完成此次运行任务。而当电梯突然遭遇断电等因素导致曳引机失去动力时，常闭式制动器失电抱闸紧急制动，迫使电梯悬停，保障电梯以及内部人员安全。

电梯模拟检测实验平台主要包括曳引机、传动系统、测量系统、陪试系统。测试平台的整体设计方案如图2 所示。

图2 实验台设计方案

为了实现实验室环境下对电梯制动力的检测，首先需要建立电梯的物理模型，在对系统运行状态不产生明显影响的前提下做出如下假设：①将各个轮盘抽象为质量分布均匀的圆盘，边缘绳槽部分的圆盘质量及惯量忽略不计，忽略轮盘因旋转而带来的滚动摩擦力；
②忽略直线运行部件与导轨之间的摩擦力以及运行过程中的空气阻力；
③忽略电梯轿厢的高度。

2.1 陪试系统

陪试系统主要包括惯量减速箱、常规飞轮、加减速飞轮、陪试电机、力矩减速箱，该部分系统的主要任务是模拟电梯运行过程中由轿厢、对重块、曳引绳、补偿绳等带来的负载。

电梯各个部件的质量在实际环境中不可忽略，该部分质量会在加减速过程中变化的加速度下产生惯性力，使用电机模拟不仅会增大功率而且对动态响应能力有着较高的要求，使用飞轮可以避开此问题。

2.1.1 惯量减速箱

电梯各个组件质量和转动惯量庞大，如果直接使用计算得到转动惯量设计制造，不仅2 个飞轮体积庞大生产成本高，而且在更换加减速飞轮方面带来极大的困难。如图2 所示的检测平台，假设惯量减速箱靠近曳引机一侧为输入端b，靠近飞轮一侧为输出端a，齿轮箱机械效率η1=90%，由角动能守恒得：

设惯量减速箱减速比i=wb/wa，代入式（1）得：

假定飞轮为实心飞轮，则输出端飞轮的质量m与半径rf有如下表达式：

减速比i的选取不宜过大，否则飞轮惯量的制造误差将会被放大，影响实验准确性，同时也不宜过小，否则使飞轮惯量过大，失去惯量减速箱的存在意义。综合考虑惯量减速箱的减速比设定为0.1。

2.1.2 常规飞轮

常规飞轮等效电梯在空载状况下各个部件的转动惯量，如图1 所示的电梯模型，对直线运动部分进行等效得：

式（4）（5）中：Js1为直线部分等效后的惯量；
ws1为等效后飞轮的角速度；
P为轿厢质量；
mcwt为对重块的质量；
v为电梯轿厢的运行速度；
r为曳引比；
mt1为曳引绳质量；
mt2为补偿绳质量；
mt3为随行电缆的质量；
D为等效后的飞轮直径。

mt1、mt2、mt3的数值由式（6）—（8）给出。其中，n为各绳子根数，q为绳子线密度，H为电梯提升高度。

将各转动轮惯量等效到直径为D的回转体有：

式（9）中：Jd为回转体的惯量；
wd为回转体的角速度；
Jy、JDL、JDJ分别为曳引轮、导向轮、轿顶轮的转动惯量；
wy、wDL、wDJ分别为曳引轮、导向轮、轿顶轮的角速度。

因此，可得到该转体的转动惯量为直线部分和转动部分惯量之和，即：

联立公式（3），令Jh1=Jb，对于本实验平台得：

式（11）中，m和rf的值可以根据不同的标准进行选取，在本实验台的设计中选取m=38.78 kg，rf=0.25 m。

2.1.3 加减速飞轮

当电梯承载不同重量的载荷时，除了曳引轮两侧增加相应的力矩之外，在加减速过程中还会产生不同的惯性力。将该部分惯性力从常规飞轮中独立出来，单独折算为加减速飞轮不仅能够降低单一飞轮的质量与半径，而且能够根据电梯具体载荷更换飞轮，最大程度适应不同工况。

当电梯轿厢中装有mq=1 250 kg 的载荷时，将其折算到半径为D的回转体上，根据能量守恒得：

联立公式（5），可以得到该回转体的转动惯量：

联立公式（3），令Jh2=Jb，对于本实验平台得：

在本实验台的设计中选取m=9.25 kg，rf=0.2 m。

2.1.4 陪试电机

陪试电机是整个陪试系统的核心，运行时需要模拟整个电梯的负载状况。如图1 所示的系统，电梯的负载来源于曳引轮两侧的不平衡转矩[8]，也就是陪试电机所要实现的转矩，分析两侧的受力情况有：

式（15）—（17）中：R为曳引轮半径；
GLY为轿厢曳引绳重量；
P为电梯轿厢质量；
g为重力加速度；
Q为电梯中的载荷重量；
GW为随行绳重量；
GLB为轿厢补偿绳重量；
GDJ为轿顶轮重量；
GRY为平衡对重块曳引绳重量；
GDD为平衡对重块顶轮重量；
Gcwt为平衡对重块重量；
GRB为平衡对重块补偿绳重量。

各绳子重量由式（18）—（22）决定，x为轿厢距离地面的距离，最大为H，其余各变量意义与（6）—（8）相同。

可以得到曳引轮两侧的不平衡转矩随轿厢距离地面高度的表达式：

对于以x为自变量的函数式（23），其最大值M=759 N·m 在定义域两端取到[9]，可以得到陪试电机需要达到的理论功率Ptheory，其中w为曳引轮的角速度。

为了确保系统运行的可靠性，同时也能尽可能适应电梯超载时的实验，取Q为1.5 倍额定载荷，富裕系数1.2，可以得到陪试电机功率为13.14 kW，选择15 kW 异步电机作为陪试电机。

2.1.5 力矩减速箱

对于常见的1 500 r/min 异步电机，额定力矩由下式决定，其中P=15 000 W，n=1 470 r/min。

可以得到额定力矩约为97.5 N·m。若直接使用陪试电机与曳引轮的输出轴相连接，在功率满足要求的情况下力矩很难达到需求。故选择减速比为12 的减速器，使电机的最大输出转矩降低为63.25 N·m，转速升高到898 r/min，满足市面上电机参数要求。

2.2 传动系统

考虑到实验平台既要使用陪试电机模拟曳引轮两侧的不平衡转矩，又要等效加减速过程中的惯性，实验台设计了2 条传动路径。由于开始制动时可能会出现较大的加速度尖峰，因此整个传动系统不允许使用皮带轮等可能发生打滑的传动方式。

为了避免打滑现象，2 条传动路径均采用硬传动的方式。如图2 所示，第一条路径由曳引机经过力矩速度传感器使用联轴器连接到力矩减速箱和陪试电机；
第二路径由曳引机经过力矩速度传感器使用链轮链条连接到惯量减速箱，之后使用联轴器的方式连接惯量减速箱和2 个飞轮。其余各部件之间同样均使用联轴器进行连接。

2.3 测量系统

测量系统由扭矩转速测量系统和电参数测量系统构成。扭矩转速测量系统使用磁电相位差式传感器作为检测元件，通过串口的方式与上位机相连，实现数据采集的同时，作为反馈器件校正力矩速度输出。电参数测量系统测量实验平台各耗能器件的电流、电压和功率等参数，不仅可以对电机的电动力参数进行采集和研究，而且能够保障大功率器件用电安全。

本实验台能够对实际的电梯进行模拟，在实验室的环境下对电梯的运行状况进行还原，除常规检测台能进行的制动器吸合电压测试、制动响应时间、静态制动力矩测试、短时过载转矩测试以及空载电能力实验外，还能复现实际环境中电梯所能做到的满载上行、满载下行、空载上行和空载下行4 个运动状态。

实验台的工作原理可以简单的表述为：系统在静止状态下，陪试电机和飞轮作为电梯运行和加减速过程中的负载加载到实验系统中，曳引机在变频器的驱动下克服负载阻力，实现电梯由静止加速到匀速运行的过程；
系统在匀速运行过程中，曳引机输出减速力矩，平衡陪试电机所模拟的电梯负载，抵消飞轮中所储存的惯量，实现电梯的减速过程；
在制动器抱闸时，陪试电机在短时间内模拟输出电梯负载，实现电梯在某一楼层的悬停。

通过改变陪试电机的输出转矩、更换不同惯量的加减速飞轮，即可实现不同载荷电梯的运动模拟。在此过程中，测量传感器不断采集扭矩、转速、电流信号，通过反馈控制修正曳引机的速度和陪试电机的输出转矩，使其工作在预定转速和转矩。

电梯制动力的合格性极大程度的影响到电梯的安全性能。根据《规范》中所述，当电梯轿厢中装有125%额定载荷并以额定速度向下运行时，操作制动器应当能使曳引机停止运转，同时还需要满足加速度大于0.5 m/s2，且小于重力加速度。使用如图3 所示的实验台进行上述实验，主要实验步骤如下。

图3 制动力模拟检测实验台

连接所有的飞轮，启动陪试电机，拖动系统中的其他部件运行，使转速接近额定速度；
启动曳引机，输出与额定速度方向相反的给定力矩，使速度保持在额定速度附近匀速运行；
制动器失电抱闸制动，同时曳引机断电，陪试电机保持输出转矩不变；
直到转速降为0 后，陪试电机等其他部件断电，记录该过程中的加速度、速度、扭矩、制动时间等信息。

制动力合格性实验中制动过程的速度变化如图4所示，图中制动力减弱的制动器是通过调节合格制动器的微调螺丝得到的。可以看出，实验台可以按照《规范》要求对制动器制动性能进行检测，且当制动器所能提供的制动力减弱时，制动时间将会变长，制动加速度降低，证明了该设备可以检测出制动器合格性的可行性。

图4 不同制动效果下的速度变化

通过理论推导与分析计算，本文搭建了一套电梯检测实验平台，不仅克服了实际实验场地难找、搭建模拟环境投资量大、实验设备庞大、安全隐患大等缺点，而且解决了现行实验设备中无法模拟电梯实际运行状况、无法对曳引机进行稳定性测试的问题。实验证明，该平台不仅能够模拟电梯不同载荷状态下不同运行状态，而且能够在不外加砝码的前提下实现《规范》中125%载荷的制动力实验。未来通过不同控制方式的组合，可以对影响电梯安全运行的各个参数做更进一步的研究。

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