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1、复合曳引钢带对电梯安全性能的影响复合曳引钢带对电梯安全性能的影响设计研究 la 责 rc 编 h.曹e 卫;i 东 gq复合曳引钢带对电梯安全性能的影响InfluenceoftheTractionCombinedSteelBandOntheElevatorSafety金琪安摘要:探讨了电梯采用复合曳引钢带对电梯随着电梯技术的发展,采用扁平复合曳引钢带设计的电梯悬挂系统已安竺能的影,指出了一些有待进步研日趋成熟.在新版 GB/T70242008 电梯,自动扶梯,自动人行道术语中护提出了有益的建议.也已对其给出了名词定义.在国内多家电梯生产厂商的产品系列中,也相继关键词:电梯复合曳引钢带安全性能影
2、出现了采用复合曳引钢带设计的新型电梯.采用此项设计可显着缩减曳引机的体积和重量,降低井道噪声.复合曳引钢带较大的摩擦系数可大大提高0fthetractjoncm:jnedsteeIband0nthe 曳引能力,并且降低轿厢自重的设计需求,对节约材料,降低能耗均有显着elevatorsafety,pointsouttheexistingproblems 效果.面对新型悬挂曳引传动部件复合曳引钢带,在认识其显着优点的forit,andgivessomesuggestiontoitsdesign 同时,必须关注其固有性能给电梯安全性能带来的不利影响.为此,在本文dm 刮.1.中,笔者就复合曳引钢带的
3、有关性能作一些分析探讨,以期引起业内同行的SteelBand:SafetyPerformance:Innuence 关注,并对改进与完善复合曳引钢带的设计,维护提供一些有益的建议.1 性毹概述复合曳引钢带是曳引机小型化设计潮流催化作用下的产物.在电梯安全规范条件的约束下,曳引轮直径需保证与曳引绳的直径比不小于 40,同时还需保证曳引绳直径不小于 8ram.在固有驱动力矩的需求条件下,曳引机体积难以大幅度减小.因此,在减小曳引机设计体积的需求下,如何缩减曳引轮直径成为首要问题.复合曳引钢带就是在规避安全规范对曳引绳最小直径限制的情况下设计产生的.在高分子复合材料技术发展的推动下,高强度,长寿命传
4、动带的技术开发进展很快,由此催生出复合曳引钢带在电梯上的运用.奥的斯电梯公司首先将其运用于无机房电梯设计中.复合曳引钢带结构相当于将钢丝绳的绳股拆开后均布于高分子复合材料包裹的带中.由于复合曳引钢带中的承力钢丝绳股直径一般不大于2ram,参照安全规范对曳引轮直径与钢丝绳最小比值的限制要求,曳引轮直径需求不大于 80mm.由此在同样线速度条件下,曳引轮转速得到大大提高;小直径曳引轮大大降低了曳引机驱动力矩;顺应了曳引电动机高速,小型化发展的需求.目前单根复合曳引钢带抗拉强度相当于 810mm的钢丝绳,此外高分子材料带面与钢制曳引轮的摩擦系数可按需要设计,通过设计选用相应的带面材料可获得远大于钢丝
5、绳与曳引轮槽间的摩擦系数.这给曳引系统设计带来了许多便利.金琪安,江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院48ChinaElevatorVol22No5Mar201鬈睁系撒与 i 嚣在 GB75882003 电梯制造与安装安全规范第 9-3条,对钢丝绳曳引提出了 3 个条件.由于常规材料问动摩擦系数随速度减小的特性关系,参照 GB75882003 附录 M 推荐的曳引条件设计方法,可推算出在保证最小减速度 0.50m/s 且额定速度不小于 0.20m/sI条件下,曳引条件设计关键在于满足动载加减速不打滑和轿厢滞留状态的安全条件.对于采用钢丝绳曳引提升高度 l50m 以下的电梯常规设计,重点在于
6、满足动载加减速不打滑的曳引条件;而大提升高度电梯的曳引条件设计要点在于满足动载加减速不打滑条件下,保证轿厢滞留状态的曳引安全条件.复合曳引钢带的摩擦系数与钢丝绳曳引相比,显着的特点是摩擦系数大.在关注高摩擦系数对曳引条件设计的相关影响时,还需重点关注高分子材料与钢铁材料之间的动摩擦系数随速度变化的趋势.在确定复合曳引钢带的摩擦系数设计值时,还需考虑材料问的摩擦系数通常总是随相对滑动速度的增加而下降的因素,以及环境影响等因素,目前尚无这方面权威的资料数据.考虑到高分子材料的许用温度较低,曳引钢带传动的悬挂比一般大于 1 而曳引钢带相对运行速度较大,因此笔者呼吁应该高度关注复合曳引钢带速度与摩擦系
7、数的关系及其影响,为此应进行相关试验以提供实验数据,指导曳引钢带传动电梯的设计.现在复合曳引钢带传动电梯的制造商均未公开曳引钢带的设计摩擦系数,因此只能按照该类电梯制造厂商设计实例的极限条件反向推算.计算表明,如不考虑速度影响则设计极限条件反映的动摩擦系数,约为不小于 0.22.如参照 GB75882003 中附录第 M2.2.2 条摩擦系数计算中的推荐公式,考虑动摩擦系数相对静摩擦系数的下降关系式计算,设计实例反映的动摩擦系数约为不小于 0.30.与常规设计中 0.1 的推荐摩擦系数设计值相比,这已是一个相当大的动摩擦系数值.在此应该注意到高分子材料与钢的摩擦系数,是一个在不同的环境条件下变
8、化范围较大的值,目前还未有权威的设计推荐值.由此必须充分考虑电梯井道环境(温度和湿度,空气含尘等)的变化对曳引摩擦系数的影响.鉴于同等安全性的要求和该类电梯运行中的实际情况,为防止曳引钢带,曳引轮间的滑动危险,曳引钢带设计动载摩擦系数还应适度考虑在有一定油膜污染环境条件下的安全值.为满足对重下行受阻,轿厢滞留状态的曳引安全要求,还需考虑在某些环境(干燥,沙尘污染)条件下可能出现的最大摩擦系数.在曳引钢带摩擦系数增大后,系统曳引能力大大提升,满足曳引条件所需的轿厢最小质量可以减小许多.曳引钢带摩擦系数增大的情况下,在满足动载加减速不打滑的曳引安全条件下,对提升高度较大的电梯,轿厢滞留状态的安全条
9、件校验将面临较为严峻的考验.曳引轮包角,曳引轮与带面接触方式对同一电梯而言是相同的.与钢丝绳在曳引轮槽中的接触状态不同,对于平面带曳引,有,r_,轿厢滞留工况摩擦系数即为曳引轮与曳引钢带材料问的最大设计摩擦系数,因而轿厢滞留工况设计曳引能力与动态曳引能力设计的关系(考虑参照钢丝绳速度影响条件下摩擦系数值时)可表达为:.一一:fe1J=(e().(1)式中:efa轿厢滞留工况设计曳引能力,e 一=e;f曳引钢带悬挂传动轿厢滞留工况当量摩擦系数;曳引钢带悬挂传动轿厢滞留工况设计摩擦系数;v曳引钢带线速度,m/s;曳引钢带悬挂传动轿厢运行工况材料问动摩擦系数;参照钢丝绳曳引能力计算动摩擦系数,一.l
10、+10e轿厢运行工况设计曳引能力.式(1)表明了参照钢丝绳曳引能力计算动摩擦系数表达式情况下,曳引系统轿厢滞留工况设计曳引能力与运行工况曳引能力的数学指数关系.在运行工况曳引能力设计确定后,对重下行受阻,轿厢滞留工况时的曳引比,必须符合事era=(era)().(2)中国电梯 2011 年 3 月第 22 卷第 5 期 g设计研究 I 鐾苫菜式中:/为滞留工况轿厢侧与对重侧曳引钢带张力比.按照某制造厂商设计实例推算,如参照 GB75882003 中附录第 M2.2.2 条摩擦系数计算中的公式计算,设计反映的动摩擦系数约为不小于 0.30;同时反映在该设计实例的最大提升高度条件下,轿厢滞留状态的
11、安全条件校验所需实际摩擦系数为不大于 0.5l.如果设计提升高度需增加,同样条件下轿厢滞留状态的安全条件校验所需摩擦系数还需减小.计算表明大提升高度时轿厢自重不能过小,否则轿厢滞留状态的安全条件校验难以满足.应该注意的是,上述计算仅考虑了平面接触形式的曳引钢带,对于齿形带还需依据齿形接触的方式在曳引能力计算公式中摩擦系数,上乘以一个齿形接触系数,因此当量摩擦系数 f 将相应增大.为适应复合曳引钢带曳引系统的设计发展,在保持与钢丝绳曳引同等安全性的前提条件下,有关厂商应尽快对不同材料曳引钢带面与钢的动,静摩擦系数进行试验,得出不同环境条件下的摩擦系数值;或由有关厂商提供相关材料副的摩擦系数值,制
12、订不同高分子材料带面与钢制曳引轮面摩擦系数的安全设计推荐值.3 轿厢轻量化与曳引电动机配置由于曳引条件中轿厢滞留状态的安全要求是,对重下行受阻后不能继续提升轿厢.对此 GB7588-2003 规定只能由曳引条件设计来保证;而在美国 ASMEAI7.1电梯和自动扶梯安全规范规定可由曳引条件或电动机转矩控制来保证.从机械安全控制硬件设计的角度,笔者认为 GB75882003 中对重下行受阻后不能继续提升轿厢的安全要求,可借鉴美国 ASME-A17.1(电梯和自动扶梯安全规范的相关规定.曳引轮,曳引钢带间的高摩擦系数降低了轿厢的设计自重要求,可显着减小轿厢自重.但是轿厢自重的减小对曳引条件中轿厢滞留
13、状态的控制带来了安全问题.现有设计中,曳引钢带传动轿厢自重系数(轿厢白重与额定载重之比)可减小至 0.6 以下,因为曳引机的额定转矩一般设计均能轻松提升 0.6Q 的载重量.在此情况下,利用电动机转矩控制保证对重下行受阻后不能继续提升轿厢已经难以实现.因此对大提升高度的电梯轿厢轻量化设计必须严格控制曳引条件中轿厢滞留状态安全条件.50ChinaElevatorVol22No5Mar.2011高摩擦系数降低了轿厢的自重系数设计要求,但也带来了电动机功率配置方面的问题.按照曳引条件中最佳平衡系数的配置条件(见中国电梯 2006 年第 l7 期电梯平衡系数的优化配置一文),轿厢自重系数减小将使平衡系
14、数的最佳配置值下降,因此采用复合曳引钢带的电梯轿厢重量和平衡系数值均较低.随着平衡系数偏离 0.5的程度增大,额定载荷工况下曳引轮两侧的重力差增大;还因为电梯对于超载控制要求在不大于 l10%额定载荷条件下满足运行要求,这就需要曳引电动机额定功率(转矩)配置增加.如果考虑到电动机功率需求而加大平衡系数,减小最大设计载荷工况的重力差负载,则将要求曳引系统提供更大的曳引能力,对此类问题设计时必须综合考虑.4 制造偏差与包络直径在常用钢丝绳曳引悬挂系统中,由于曳引钢丝绳与曳引轮槽接触状态绝大部分为弯曲圆柱面环绕在圆柱面弧形槽内的复杂曲面,因此悬挂钢丝绳的制造质量对于运行时各根绳间的运行线速度差及张力
15、平衡具有重要影响.在复合曳引钢带悬挂系统中,曳引钢带与曳引轮的接触状态简化为平滑圆柱面(或圆柱面楔形槽)接触,在这种情况下,复合曳引钢带的制造偏差对各根带运行线速度差的影响,将主要表现为外形厚度尺寸偏差,钢丝绳在带中与曳引轮接触面的位置尺寸偏差对包络直径的影响.复合曳引钢带在悬挂运行中,各根带通过曳引轮时线速度的一致性直接取决于当量包络直径.鉴于复合曳引钢带的曳引轮为平滑圆柱体,各根带在曳引轮上的接触直径易于精确控制,因此偏差主要涉及曳引钢带自身尺寸和形状的精度.由于复合曳引钢带外层包覆材料相对弹性较大,因此曳引钢带的运行线速度直接取决于带中钢丝绳的线速度.对于影响各根复合曳引钢带相对线速度的
16、相对包络直径差,主要取决于钢丝绳在带中与曳引轮接触面的相对距离精度.在初始张力平衡的条件下,复合曳引钢带中钢丝绳与曳引轮接触面的距离精度将直接影响运行速度的一致性.因此,控制复合曳引钢带中钢丝绳与曳引轮接触面的距离尺寸精度,是复合曳引钢带制造尺寸偏差控制的关键.5 伸长率与缓冲距复合曳引钢带的伸长率与曳引钢丝绳有着明显的区别.按照某制造厂商提供的数据,其生产的复合曳引钢带的伸长率约为 0.054%;而常用曳引钢丝绳伸长率为:常规制造的曳引钢丝绳伸长率约为 0.7%1.0%;预拉伸后出厂的曳引钢丝绳伸长率约为 0.2%0.5%.复合曳引钢带的伸长率与曳引钢丝绳比较相差 10 倍左右.鉴于曳引悬挂绳(带)的伸长率对电梯运行后对重缓冲距的变化影响较大,采用复合曳引钢带后由于伸长率明显减小,于是对重缓冲距的最大值控制要求就能明显降低.按照现有产品数据,对于采用复合曳引钢带悬挂提升高度在50m 以内的电梯,对重缓冲距的变化量不大于 27ram.所以对于复合曳引钢带悬挂电梯的对重缓冲距可以按照最小值加上 30
