電梯平衡系數(shù)及其檢測

電梯平衡系數(shù)測試儀平衡系數(shù)對電梯專業(yè)人員來說是一個既熟悉又生疏的參數(shù)。說它熟悉是因?yàn)榇蠹叶贾酪芬诫娞輰χ氐呐渲枚加幸粋€“平衡系數(shù)”，都知道國家標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定“平衡系數(shù)應(yīng)在40% ~50%的范圍內(nèi)”，說它生疏是因?yàn)榈降灼胶庀禂?shù)在電梯上起什么作用？其取值大小將影響什么？應(yīng)如何取值Z為合適？以及到底如何測定才是準(zhǔn)確的？許多電梯安裝、檢驗(yàn)人員并不清楚。 

     現(xiàn)時，各地特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)在對電梯進(jìn)行驗(yàn)收檢驗(yàn)時，Z費(fèi)時，也Z費(fèi)人力、物力的，便是檢測電梯的平衡系數(shù)。按檢驗(yàn)規(guī)定：必須在轎廂分別承載30%、40%、45%、50%、60%額定載荷下，測定電梯運(yùn)行的載荷—電流曲線，取其上、下行曲線的交匯點(diǎn)的載荷系數(shù)，便是該梯的平衡系數(shù)，交匯點(diǎn)在40% ~50%范圍內(nèi)為合格。為了測定這一參數(shù)，除了兩名檢驗(yàn)人員，還需要多名來回搬運(yùn)法碼的工人。由于影響試驗(yàn)的因素太多，其結(jié)果是否可信尚且不說，即便測試結(jié)果在40%~50%的范圍之內(nèi)，一定合格嗎？若是超出此范圍，為什么就不合格呢？“平衡系數(shù)”的意義是什么？對電梯有什么影響？不知其所以然，測定“平衡系數(shù)”就失去了意義。

1、“平衡系數(shù)”的實(shí)質(zhì)

     要探討平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)，必須從曳引式電梯的原理講起。垂直電梯是使重物作垂直上下運(yùn)動的升降設(shè)備。從力學(xué)的角度，要使一重物在空中保持靜止?fàn)顟B(tài)，必須有一拉力T與物體的重力Q相平衡，即T = Q , 這時物體處于靜止或勻速運(yùn)動狀態(tài)，稱為力的平衡。此系統(tǒng)稱為平衡系統(tǒng)。若要使物體向上運(yùn)動，速度發(fā)生改變，則這一拉力T除了克服物體的重力Q，還要提供一個產(chǎn)生加速度的力F，即     T = Q + F = Q + m a    ( m -- 為物體的質(zhì)量；a—為加速度)。

     如果物體的重力Q被另外一個平衡力W所平衡，W = Q , 即構(gòu)成一個平衡系統(tǒng)，這時拉力T就不用去克服重力Q了，而只需提供使物體產(chǎn)生加速度所需的力, 即   T = F= m a   這樣就大大減小了拉力T。這就是電梯上采用的“平衡原理”。這個平衡力就是由對重來提供。因此我們要求對重的重力W，要與轎廂及載荷的重力 (P+Q)相等。

     但要真正做到這一點(diǎn)，在電梯的實(shí)際應(yīng)用中非常困難，或且說目前還沒有想出一個辦法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因?yàn)檗I廂的載荷Q 是隨機(jī)變化的，可能是0 （ 空載 ）或者 100%QH   ( 滿載 ) 范圍內(nèi)的任意值，因此我們只能選擇一個恰當(dāng)?shù)膶χ刂亓俊?/p>

即取    W = P + K QH   ---------------（1）

     這個系數(shù)K，就是“平衡系數(shù)”。因此，平衡系數(shù)的實(shí)質(zhì)就是設(shè)計(jì)配置對重的質(zhì)量大小。它將影響對重的質(zhì)量和電梯的不平衡載荷。當(dāng)轎廂與載荷為 P + Q   ，（其中 P—是轎廂的自重；Q---是轎廂的實(shí)際載荷；QH ---轎廂的額定載荷），轎廂側(cè)與對重側(cè)的不平衡載荷為： 

△T   = (P+Q) –( P+KQH ) = Q – KQH --------（2）

2、平衡系數(shù)K的取值

    從以上式（2）可以看出，只有當(dāng) Q = KQH 時系統(tǒng)才處于平衡，因此，不論K取何值，平衡只是相對的，而不平衡是絕對的。我們只能希望系統(tǒng)盡可能地接近平衡。一種簡單的辦法便是取轎廂載荷變化的平均值。因?yàn)檗I廂載荷的變化為：0 ~ 100%，因此取   K=50% 左右都是合理的，很難說取多少更好些。電梯在出廠時并不完全了解實(shí)際運(yùn)行使用時載荷的情況，要想真正達(dá)到比較理想的平衡，應(yīng)該在電梯實(shí)際運(yùn)行使用中，實(shí)際測定日常運(yùn)行載荷的變化。比如，目前大量的住宅電梯其實(shí)際的載荷變化基本在 0 ~ 60% ，極少出現(xiàn)滿載的情況，因此取 K = 30% ~ 40% 應(yīng)該更為合適。現(xiàn)在一般的乘客電梯在載荷超過80%時就進(jìn)入直駛狀態(tài)，因此真正滿載的時候也較少，因此取平衡系數(shù)K =40% ~ 50% 為合適。相反，一些載貨電梯，由于轎廂超面積，其載荷變化會在 0 ~ 105%，因此平衡系數(shù)取 K≥50% 應(yīng)該更為合適。必須指出，這里說K的取值是指電梯設(shè)計(jì)時對平衡系數(shù)K的取值，稱為設(shè)計(jì)值，絕不是電梯安裝時或使用后隨意配置的K值。

3、平衡系數(shù)K的取值對電梯的影響

    上面已經(jīng)說明，無論平衡系數(shù)K如何取值，要以不變的K值應(yīng)萬變的載荷Q是不可能的，因此在轎廂與對重系統(tǒng)上不平衡狀態(tài)是絕對的，從設(shè)計(jì)的角度，K的取值首先影響作用于曳引輪兩側(cè)的不平衡力矩的大小，若Z大載荷為超載載荷110%QH ，K的取值按40%~50%，則空載時不平衡載荷為：（0.4~0.5）QH ，超載時不平衡載荷為：（1.1-K）QH  = ( 0.6~0.7) QH ,若按電梯驗(yàn)收檢驗(yàn)時的Z嚴(yán)重載荷125% QH ，則不平衡載荷為1.25-K =（0.75~0.85）QH , 這是電梯可能的Z大不平衡載荷（指靜載荷），也就是電梯必須提供的Z小靜態(tài)曳引力。

     這首先影響選用的主機(jī)電動機(jī)的功率P。主電動機(jī)的功率P由下式?jīng)Q定：   P∝(1-K) QH VH 。如果電梯配套使用的電動機(jī)功率足夠大，則K的選擇將影響電梯運(yùn)行時耗能的大小，如果選用電動機(jī)的功率余量較小，則平衡系數(shù)取值不合適可能會造成電梯啟動后出現(xiàn)倒拉，發(fā)生溜車或者沖頂?shù)氖鹿省?/p>

     平衡系數(shù)的取值影響不平衡載荷的大小，同時也影響曳引輪兩側(cè)鋼絲繩的張力，這個張力的大小將對曳引鋼絲繩在繩槽內(nèi)的比壓產(chǎn)生影響，張力越大則比壓也越大，則曳引鋼絲繩提供的曳引能力就越強(qiáng)。因此平衡系數(shù)的取值既決定不平衡載荷，也將影響電梯的曳引能力。當(dāng)Z大不平衡載荷大于電梯的Z大曳引力時，曳引鋼絲繩在繩槽中將出現(xiàn)打滑，發(fā)生溜車事故。在電梯設(shè)計(jì)時，對平衡系數(shù)K的選擇既要考慮到主機(jī)電動機(jī)的功率，又要考慮到對曳引能力的影響。

     平衡系數(shù)K的取值還影響轎廂、對重系統(tǒng)的總質(zhì)量：

M=P+Q+W+Y = ( P+Q)+(P+K QH)+Y   （Y—曳引鋼絲繩等裝置質(zhì)量），這一點(diǎn)很容易被忽略。轎廂、對重系統(tǒng)的總質(zhì)量將影響電梯的安全系數(shù)，影響對曳引鋼絲繩、曳引輪繩槽等部件參數(shù)的選擇。同時總質(zhì)量的大小還影響到電梯運(yùn)行中起、制動的加、減速度。影響到電梯使用的安全鉗、緩沖器等安全部件的選擇。在電梯安裝時，為了應(yīng)對驗(yàn)收檢驗(yàn)，減小驗(yàn)收時的不平衡載荷，安裝人員往往把平衡系數(shù)K取得較大，配置到接近50%，增加平衡系數(shù)就是增加對重的質(zhì)量，會帶來電梯啟、制動加速度的減小，以至制動困難。因此，平衡系數(shù)K值表面上看只是一個比值，實(shí)際上它與轎廂、對重的質(zhì)量有密切關(guān)系。它是電梯整體設(shè)計(jì)時的重要參數(shù)之一，撇開額定載重、轎廂自重等參數(shù)，純粹的平衡系數(shù)是沒有意義的。

     所以平衡系數(shù)K的確定必須在電梯設(shè)計(jì)時，結(jié)合曳引輪、繩槽形狀、曳引鋼絲繩、轎廂自重以及配套的曳引機(jī)電機(jī)、制動器、安全鉗、緩沖器等綜合考慮。其相互關(guān)系曾在本人的另一篇論文《電梯參數(shù)及其相互關(guān)系》中述及，這里不再細(xì)述。這就是為什么電梯安裝時，平衡系數(shù)應(yīng)按40%~50%范圍的設(shè)計(jì)值配置的原因。值得一提的是，近來一些在用電梯重新裝璜轎廂，使轎廂的自重增加，這時為了保持平衡系數(shù)K值不變，采取增加對重塊的方法，使系統(tǒng)的整體質(zhì)量大大增加，這是極其錯誤的，這時的平衡系數(shù)已失去了原有的意義。電梯的安全系數(shù)降低，起、制動減速度減小，會給電梯造成嚴(yán)重的安全隱患。

    所以說平衡系數(shù)K的取值，并非只要安裝時或者驗(yàn)收檢驗(yàn)時測得在40% ~ 50%范圍內(nèi)，均認(rèn)定為符合要求。如果取值偏離了設(shè)計(jì)值便是不符合要求，或者雖然取值符合設(shè)計(jì)值，但其轎廂自重P或額定載重QH 發(fā)生變更，同樣是不符合要求。在GB7588—2003附錄D的曳引檢查中這樣說明：“應(yīng)檢查平衡系數(shù)是否如安裝者所說”，這里的“安裝者所說”實(shí)指設(shè)計(jì)值，并非安裝人員隨心所欲的結(jié)果。這就要求電梯制造廠商務(wù)必將電梯設(shè)計(jì)的平衡系數(shù)值，告知安裝施工人員，安裝施工人員務(wù)必遵照設(shè)計(jì)值配置對重裝置，并不得隨意更改轎廂自重。檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收檢驗(yàn)時必須測定其實(shí)際值與設(shè)計(jì)值是否一致，并檢查其是否私自更動轎廂自重等參數(shù)。這一點(diǎn)應(yīng)該引起業(yè)內(nèi)人士的注意。

4、平衡系數(shù)K值的測定

(1)直接稱量P與W

    平衡系數(shù)K也并非什么神秘的參數(shù)。說到底它就是配置對重的質(zhì)量大小，因此測定平衡系數(shù)K，Z直接、Z簡單的辦法就是直接稱量對重的整體質(zhì)量W和轎廂的整體質(zhì)量P，則平衡系數(shù) K = （W—P）/ QH 。筆者就曾經(jīng)將轎廂和對重在井道外進(jìn)行拼裝，并逐一稱量所有拼裝的另部件，從而按平衡系數(shù)設(shè)計(jì)值來配置對重塊。這種方法操作煩瑣，而且稱量的另部件很難做到毫無遺漏，一般不適用。

（2）根據(jù)已知K值，調(diào)整對重

     從平衡系數(shù)K的實(shí)質(zhì)知道，當(dāng)在轎廂內(nèi)裝入相當(dāng)于KQH的載荷時，曳引輪兩側(cè)的靜力矩應(yīng)平衡。如果已知平衡系數(shù)的設(shè)計(jì)值，只要如數(shù)按KQH裝入載荷，然后驗(yàn)證是否平衡即可。Z簡單的驗(yàn)證方法就是在主機(jī)上，松開制動器抱閘，用人力在手盤輪上感覺曳引輪兩側(cè)的力矩平衡與否，從而適當(dāng)增加或減少對重塊。這種方法看起來比較“土”，但具有許多優(yōu)點(diǎn)：1）電梯處于靜止?fàn)顟B(tài)，避免因轎廂運(yùn)動而造成的阻力矩誤差。2）可以保證轎廂與對重處于同一水平位置上。3）測試簡便、快捷，調(diào)整迅速，節(jié)省人力、物力。4）人對力的感覺誤差一般在幾公斤，其可信度高。5）更重要的是，以既定的平衡系數(shù)設(shè)計(jì)值為載荷，直接驗(yàn)證或調(diào)整對重達(dá)到要求，避免盲目性，保證K值符合設(shè)計(jì)要求。

在電梯安裝施工中也經(jīng)常采用這辦法來配置對重塊。我想也完全可以在曳引輪上安放一個專門的稱量裝置來代替人力的感覺，使檢測更精確。

（3）根據(jù)已有對重，求K值

     國家標(biāo)準(zhǔn)上推薦采用測量曳引電動機(jī)電流的方法就屬于這一類。其基本原理是：當(dāng)電梯作勻速運(yùn)行時，曳引電動機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩T2為：       T2 = T0 ±△T ---------（3）

T0 ----折算到電機(jī)軸上，電梯機(jī)械傳動反抗性阻力轉(zhuǎn)矩（簡稱阻力矩）

△T ---折算到電機(jī)軸上，不平衡載荷轉(zhuǎn)矩?！来黼S載荷的變化不平衡載荷轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⒏淖?。（簡稱不平衡載荷）

     當(dāng)轎廂與載荷的重力（P+Q）與對重的重力（P+KQH）相等時（即處于平衡狀態(tài)），則   △T = （P+Q）— ( P+KQH ) = 0

            則    Q = KQH    平衡系數(shù)： K = Q / QH

     電流法的關(guān)鍵是利用測量電流來判斷是否平衡，平衡狀態(tài)下：

△T = 0，假定轎廂上行與下行時的阻力轉(zhuǎn)矩T0 是一樣的，則上、下行時電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T2就相同 ,T2 = T0 ,這時測得電機(jī)的電流也應(yīng)相等。以上、下行電流相等來判定平衡，（注意：不是電流Z小），這就是電流法的原理。

     以測量電流來判定轉(zhuǎn)矩，這是一種間接的測量方法。電流與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系是從電動機(jī)上的功率平衡關(guān)系間接獲得。

     電動機(jī)輸出的機(jī)械功率 P2 = T2 Ω （Ω---電機(jī)角速度），它與電機(jī)的電磁功率 PM 之間有：PM = PCU + P2     （ PCU-----電機(jī)轉(zhuǎn)子銅損耗），

如忽略轉(zhuǎn)子銅損， 則有：   PM = P2

  對于交流異步電動機(jī)，電磁功率 PM =( m p /2πf1)·( I22 r/s) ----（4）當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率一定時，電磁功率 PM 與轉(zhuǎn)子電流 I22 成正比。交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流是無法測量的，只能測量定子電流I1

    I1 = I0 +（-I2，） （I0----為電動機(jī)的勵磁電流），

如忽略勵磁電流I0 ，則有   I1 =（-I2，）

對于直流電動機(jī)，電磁功率 PM = CT φIS  當(dāng)氣隙磁通φ一定時，電磁功率 PM與電樞電流IS 成正比。氣隙磁通φ與電壓有關(guān)。

    因此，采用電流法測量時，對于交流電動機(jī)則要保持轉(zhuǎn)速、頻率一定。對于直流電動機(jī)則要保持電壓一定。

   從以上分析看出，電流法通過測量電動機(jī)定子電流I1 來判定電動 機(jī)軸上的不平衡載荷 △T = 0，經(jīng)過了一聯(lián)串的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

I1 → I2 → PM → P2 → T2 → △T  

     每一步轉(zhuǎn)換都必須具備一定的條件，依次為：I0不變；f1 不變；電壓U1不變；PCU   不變；轉(zhuǎn)速n不變；上下行T0 相等，而影響這些量的因素很復(fù)雜，比如電梯在上、下行時，轎廂的空氣阻力不同，上下行的阻力轉(zhuǎn)矩T0相等就難以成立，尤其在高速時更是如此。還有測量過程人為因素的影響，如：如何把握在轎廂運(yùn)行到與對重同一水平位置測定電流；如何保證這一位置時的上、下行速度是一樣的；還有測量電流使用的儀表；測量電流的位置等，都將造成很大的誤差。還有曲線的繪制，由于在載荷為40%~50%范圍內(nèi)沒有測量點(diǎn)，因此曲線的繪制包含了很大的人為因素。這些都影響了電流法測定平衡系數(shù)K值的準(zhǔn)確性。

     綜上所述，對于電梯的平衡系數(shù)，首先應(yīng)該正確理解其取值的意義，以及取值的改變對電梯的影響。其次是采取正確的切實(shí)的測量方法