關於電梯平衡係數及其檢測的探討與分析

電梯平衡係數計算的數學表達式為(wei) ： 

K_平＝(W1-W)/Q

其中：

Q：電梯額定載荷(kg)；

W：轎廂重量(kg)；

W1：對重重量(kg)；

K_平：電梯平衡係數；

    平衡係數對電梯專(zhuan) 業(ye) 人員來說是一個(ge) 既熟悉又生疏的參數。說它熟悉是因為(wei) 大家都知道曳引式電梯對重的配置都有一個(ge) “平衡係數"，都知道國家標準中有規定“平衡係數應在40% ~50%的範圍內(nei) "，說它生疏是因為(wei) 到底平衡係數在電梯上起什麽(me) 作用？其取值大小將影響什麽(me) ？應如何取值最為(wei) 合適？以及到底如何測定才是準確的？許多電梯安裝、檢驗人員並不清楚。

     現時，各地特種設備檢驗檢測機構在對電梯進行驗收檢驗時，最費時，也最費人力、物力的，便是檢測電梯的平衡係數。按檢驗規定：必須在轎廂分別承載0、25%、40%、50%、75%、100%、110%額定載荷下，測定電梯運行的載荷—電流曲線，取其上、下行曲線的交匯點的載荷係數，便是該梯的平衡係數，交匯點在40% ~50%範圍內(nei) 為(wei) 合格。為(wei) 了測定這一參數，除了兩(liang) 名檢驗人員，還需要多名來回搬運法碼的工人。由於(yu) 影響試驗的因素太多，其結果是否可信尚且不說，即便測試結果在40%~50%的範圍之內(nei) ，一定合格嗎？若是超出此範圍，為(wei) 什麽(me) 就不合格呢？“平衡係數"的意義(yi) 是什麽(me) ？對電梯有什麽(me) 影響？不知其所以然，測定“平衡係數"就失去了意義(yi) 。

1、“平衡係數"的實質

     要探討平衡係數的實質，必須從(cong) 曳引式電梯的原理講起。垂直電梯是使重物作垂直上下運動的升降設備。從(cong) 力學的角度，要使一重物在空中保持靜止狀態，必須有一拉力T與(yu) 物體(ti) 的重力Q相平衡，即T = Q , 這時物體(ti) 處於(yu) 靜止或勻速運動狀態，稱為(wei) 力的平衡。此係統稱為(wei) 平衡係統。若要使物體(ti) 向上運動，速度發生改變，則這一拉力T除了克服物體(ti) 的重力Q，還要提供一個(ge) 產(chan) 生加速度的力F，即     T = Q + F = Q + m a    ( m -- 為(wei) 物體(ti) 的質量；a—為(wei) 加速度)。

     如果物體(ti) 的重力Q被另外一個(ge) 平衡力W所平衡，W = Q , 即構成一個(ge) 平衡係統，這時拉力T就不用去克服重力Q了，而隻需提供使物體(ti) 產(chan) 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(ge) 平衡力就是由對重來提供。因此我們(men) 要求對重的重力W，要與(yu) 轎廂及載荷的重力 (P+Q)相等。

     但要真正做到這一點，在電梯的實際應用中非常困難，或且說目前還沒有想出一個(ge) 辦法來實現這一點。因為(wei) 轎廂的載荷Q 是隨機變化的，可能是0 （ 空載 ）或者 100%Q_H   ( 滿載 ) 範圍內(nei) 的任意值，因此我們(men) 隻能選擇一個(ge) 恰當的對重重量。

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

     這個(ge) 係數K，就是“平衡係數"。因此，平衡係數的實質就是設計配置對重的質量大小。它將影響對重的質量和電梯的不平衡載荷。當轎廂與(yu) 載荷為(wei) P + Q   ，（其中 P—是轎廂的自重；Q---是轎廂的實際載荷；Q_H ---轎廂的額定載荷），轎廂側(ce) 與(yu) 對重側(ce) 的不平衡載荷為(wei) ：

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

2、平衡係數K的取值

    從(cong) 以上式（2）可以看出，隻有當 Q = KQ_H 時係統才處於(yu) 平衡，因此，不論K取何值，平衡隻是相對的，而不平衡是絕對的。我們(men) 隻能希望係統盡可能地接近平衡。一種簡單的辦法便是取轎廂載荷變化的平均值。因為(wei) 轎廂載荷的變化為(wei) ：0 ~ 100%，因此取   K=50% 左右都是合理的，很難說取多少更好些。電梯在出廠時並不*了解實際運行使用時載荷的情況，要想真正達到比較理想的平衡，應該在電梯實際運行使用中，實際測定日常運行載荷的變化。比如，目前大量的住宅電梯其實際的載荷變化基本在 0 ~ 60% ，極少出現滿載的情況，因此取 K = 30% ~ 40% 應該更為(wei) 合適。現在一般的乘客電梯在載荷超過80%時就進入直駛狀態，因此真正滿載的時候也較少，因此取平衡係數K =40% ~ 50% 為(wei) 合適。相反，一些載貨電梯，由於(yu) 轎廂超麵積，其載荷變化會(hui) 在 0 ~ 105%，因此平衡係數取 K≥50% 應該更為(wei) 合適。必須指出，這裏說K的取值是指電梯設計時對平衡係數K的取值，稱為(wei) 設計值，絕不是電梯安裝時或使用後隨意配置的K值。

3、平衡係數K的取值對電梯的影響

    上麵已經說明，無論平衡係數K如何取值，要以不變的K值應萬(wan) 變的載荷Q是不可能的，因此在轎廂與(yu) 對重係統上不平衡狀態是絕對的，從(cong) 設計的角度，K的取值首先影響作用於(yu) 曳引輪兩(liang) 側(ce) 的不平衡力矩的大小，若最大載荷為(wei) 超載載荷110%Q_H ，K的取值按40%~50%，則空載時不平衡載荷為(wei) ：（0.4~0.5）Q_H ，超載時不平衡載荷為(wei) ：（1.1-K）Q_H  = ( 0.6~0.7) Q_H ,若按電梯驗收檢驗時的最嚴(yan) 重載荷125% Q_H ，則不平衡載荷為(wei) 1.25-K =（0.75~0.85）Q_H , 這是電梯可能的最大不平衡載荷（指靜載荷），也就是電梯必須提供的最小靜態曳引力。

     這首先影響選用的主機電動機的功率P。主電動機的功率P由下式決(jue) 定：   P∝(1-K) Q_H V_H 。如果電梯配套使用的電動機功率足夠大，則K的選擇將影響電梯運行時耗能的大小，如果選用電動機的功率餘(yu) 量較小，則平衡係數取值不合適可能會(hui) 造成電梯啟動後出現倒拉，發生溜車或者衝(chong) 頂的事故。

     平衡係數的取值影響不平衡載荷的大小，同時也影響曳引輪兩(liang) 側(ce) 鋼絲(si) 繩的張力，這個(ge) 張力的大小將對曳引鋼絲(si) 繩在繩槽內(nei) 的比壓產(chan) 生影響，張力越大則比壓也越大，則曳引鋼絲(si) 繩提供的曳引能力就越強。因此平衡係數的取值既決(jue) 定不平衡載荷，也將影響電梯的曳引能力。當最大不平衡載荷大於(yu) 電梯的最大曳引力時，曳引鋼絲(si) 繩在繩槽中將出現打滑，發生溜車事故。在電梯設計時，對平衡係數K的選擇既要考慮到主機電動機的功率，又要考慮到對曳引能力的影響。

     平衡係數K的取值還影響轎廂、對重係統的總質量：

M=P+Q+W+Y = ( P+Q)+(P+K Q_H)+Y   （Y—曳引鋼絲(si) 繩等裝置質量），這一點很容易被忽略。轎廂、對重係統的總質量將影響電梯的安全係數，影響對曳引鋼絲(si) 繩、曳引輪繩槽等部件參數的選擇。同時總質量的大小還影響到電梯運行中起、製動的加、減速度。影響到電梯使用的安全鉗、緩衝(chong) 器等安全部件的選擇。在電梯安裝時，為(wei) 了應對驗收檢驗，減小驗收時的不平衡載荷，安裝人員往往把平衡係數K取得較大，配置到接近50%，增加平衡係數就是增加對重的質量，會(hui) 帶來電梯啟、製動加速度的減小，以至製動困難。因此，平衡係數K值表麵上看隻是一個(ge) 比值，實際上它與(yu) 轎廂、對重的質量有密切關(guan) 係。它是電梯整體(ti) 設計時的重要參數之一，撇開額定載重、轎廂自重等參數，純粹的平衡係數是沒有意義(yi) 的。

     所以平衡係數K的確定必須在電梯設計時，結合曳引輪、繩槽形狀、曳引鋼絲(si) 繩、轎廂自重以及配套的曳引機電機、製動器、安全鉗、緩衝(chong) 器等綜合考慮。其相互關(guan) 係曾在本人的另一篇論文《電梯參數及其相互關(guan) 係》中述及，這裏不再細述。這就是為(wei) 什麽(me) 電梯安裝時，平衡係數應按40%~50%範圍的設計值配置的原因。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(wei) 了保持平衡係數K值不變，采取增加對重塊的方法，使係統的整體(ti) 質量大大增加，這是極其錯誤的，這時的平衡係數已失去了原有的意義(yi) 。電梯的安全係數降低，起、製動減速度減小，會(hui) 給電梯造成嚴(yan) 重的安全隱患。

    所以說平衡係數K的取值，並非隻要安裝時或者驗收檢驗時測得在40% ~ 50%範圍內(nei) ，均認定為(wei) 符合要求。如果取值偏離了設計值便是不符合要求，或者雖然取值符合設計值，但其轎廂自重P或額定載重Q_H 發生變更，同樣是不符合要求。在GB7588—2003附錄D的曳引檢查中這樣說明：“應檢查平衡係數是否如安裝者所說"，這裏的“安裝者所說"實指設計值，並非安裝人員隨心所欲的結果。這就要求電梯製造廠商務必將電梯設計的平衡係數值，告知安裝施工人員，安裝施工人員務必遵照設計值配置對重裝置，並不得隨意更改轎廂自重。檢測機構進行驗收檢驗時必須測定其實際值與(yu) 設計值是否一致，並檢查其是否私自更動轎廂自重等參數。這一點應該引起業(ye) 內(nei) 人士的注意。

4、平衡係數K值的測定

(1)直接稱量P與(yu) W

    平衡係數K也並非什麽(me) 神秘的參數。說到底它就是配置對重的質量大小，因此測定平衡係數K，最直接的辦法就是直接稱量對重的整體(ti) 質量W和轎廂的整體(ti) 質量P，則平衡係數 K = （W—P）/ Q_H 。筆者就曾經將轎廂和對重在井道外進行拚裝，並逐一稱量所有拚裝的另部件，從(cong) 而按平衡係數設計值來配置對重塊。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）根據已知K值，調整對重

     從(cong) 平衡係數K的實質知道，當在轎廂內(nei) 裝入相當於(yu) KQ_H的載荷時，曳引輪兩(liang) 側(ce) 的靜力矩應平衡。如果已知平衡係數的設計值，隻要如數按KQ_H裝入載荷，然後驗證是否平衡即可。驗證方法就是在主機上，鬆開製動器抱閘，用人力在手盤輪上感覺曳引輪兩(liang) 側(ce) 的力矩平衡與(yu) 否，從(cong) 而適當增加或減少對重塊。這種方法看起來比較“土"，但具有許多優(you) 點：1）電梯處於(yu) 靜止狀態，避免因轎廂運動而造成的阻力矩誤差。2）可以保證轎廂與(yu) 對重處於(yu) 同一水平位置上。3）測試簡便、快捷，調整迅速，節省人力、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，以既定的平衡係數設計值為(wei) 載荷，直接驗證或調整對重達到要求，避免盲目性，保證K值符合設計要求。

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

（3）根據已有對重，求K值

     國家標準上推薦采用測量曳引電動機電流的方法就屬於(yu) 這一類。其基本原理是：當電梯作勻速運行時，曳引電動機軸上輸出的轉矩T₂為(wei) ：       T₂ = T₀ ±△T ---------（3）

T₀ ----折算到電機軸上，電梯機械傳(chuan) 動反抗性阻力轉矩（簡稱阻力矩）

△T ---折算到電機軸上，不平衡載荷轉矩。±代表隨載荷的變化不平衡載荷轉矩的方向將改變。（簡稱不平衡載荷）

     當轎廂與(yu) 載荷的重力（P+Q）與(yu) 對重的重力（P+KQ_H）相等時（即處於(yu) 平衡狀態），則   △T = （P+Q）— ( P+KQ_H ) = 0

            則    Q = KQ_H    平衡係數： K = Q / Q_H

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

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

     以測量電流來判定轉矩，這是一種間接的測量方法。電流與(yu) 轉矩之間的關(guan) 係是從(cong) 電動機上的功率平衡關(guan) 係間接獲得。

     電動機輸出的機械功率 P₂ = T₂ Ω （Ω---電機角速度），它與(yu) 電機的電磁功率 P_M 之間有：P_M = P_CU + P₂     （ P_CU-----電機轉子銅損耗），

如忽略轉子銅損， 則有：   P_M = P₂

  對於(yu) 交流異步電動機，電磁功率 P_M =( m p /2πf₁)·( I₂² r/s) ----（4）當電動機的轉速、頻率一定時，電磁功率 P_M 與(yu) 轉子電流 I₂² 成正比。交流異步電動機的轉子電流是無法測量的，隻能測量定子電流I₁

    I₁ = I₀ +（-I₂^，） （I₀----為(wei) 電動機的勵磁電流），

如忽略勵磁電流I₀ ，則有   I₁ =（-I₂^，）

對於(yu) 直流電動機，電磁功率 P_M = C_T φI_S  當氣隙磁通φ一定時，電磁功率 P_M與(yu) 電樞電流I_S 成正比。氣隙磁通φ與(yu) 電壓有關(guan) 。

    因此，采用電流法測量時，對於(yu) 交流電動機則要保持轉速、頻率一定。對於(yu) 直流電動機則要保持電壓一定。

   從(cong) 以上分析看出，電流法通過測量電動機定子電流I₁ 來判定電動 機軸上的不平衡載荷 △T = 0，經過了一聯串的轉換關(guan) 係：

I₁ → I₂ → P_M → P₂ → T₂ → △T  

     每一步轉換都必須具備一定的條件，依次為(wei) ：I₀不變；f₁ 不變；電壓U₁不變；P_CU   不變；轉速n不變；上下行T₀ 相等，而影響這些量的因素很複雜，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(wei) 因素的影響，如：如何把握在轎廂運行到與(yu) 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(yi) 表；測量電流的位置等，都將造成很大的誤差。還有曲線的繪製，由於(yu) 在載荷為(wei) 40%~50%範圍內(nei) 沒有測量點，因此曲線的繪製包含了很大的人為(wei) 因素。這些都影響了電流法測定平衡係數K值的準確性。

     綜上所述，對於(yu) 電梯的平衡係數，首先應該正確理解其取值的意義(yi) ，以及取值的改變對電梯的影響。其次是采取正確的切實的測量方法