重量差二次称重法电梯平衡系数测试原理
静态重量差二次称重法直接测试电梯平衡系数
原理与应用
辽宁省抚顺市特种设备监督检验所 杨 鹏
摘要 本文指出了动态电流(电压/功率/转速)法测试电梯平衡系数的方法存在的缺陷。根据平衡系数定义公式提出了静态重量差二次称重法直接测试电梯平衡系数原理;论述了如何消除摩擦阻力对重量差测试结果的影响和利用测得的重量差求解传动系统机械效率,从而掌握电梯耗能情况。
关键词：静态重量差 二次称重 直接测试 电梯平衡系数 原理
The static state weighs difference is two weighing of method direct test elevator equilibrium coefficient principle with applied
FUSHUN Supervisor inspection institute for special equipment
YANG PENG (113006)
Abstract : This text discuss that there are some problems in the current(voltage or power or rotational speed) testing to the balance coefficient of method. According to the definition formula of the balance coefficient, a new testing principle have been put forward that static state weighs difference is two weighing of method direct test elevator equilibrium coefficient principle ,Discussing How remove friction drag to weight difference test result of effect and make use of measured weight difference find drive system machinery efficiency thus grasp elevator consumes energy condition.
Key words : static state weighs difference ; two weighing, direct test; Elevator balance coefficient; principle.
前言
电梯平衡系数是电梯验收检验及电梯装修后需要检验的重要参数之一，是关系到电梯安全、经济运行的一项重要参数。现行国家标准推荐、《检规》规定的检验方法是：“轿厢分别承载0、25%、50%、75%、100%的额定载荷，进行沿全程直驶运行试验，分别记录轿厢上、下行至与对重同一水平面时的电流、电压或速度值。对于交流电动机通过电流测量并结合速度测量，做电流-载荷曲线或速度-载荷曲线，以上、下运行曲线的交点来确定平衡系数。电流应用钳型电流表从交流电动机输入端测量。对于直流电动机通过电流测量并结合电压测量，做电流-载荷曲线或电压-载荷曲线，确定平衡系数。”该方法是一种间接测试方法，其原理正确，但存在诸多不足之处：由于动态测试是瞬间读数，随机误差和测试数据复现性差，所以测试精度低、综合积累误差大、置信水平底，而且测试工作量大，费时、耗能、检验效率低。本文根据电梯平衡系数的定义，提出了《静态重量差二次称重法直接测试电梯平衡系数原理》和方法，可提高检验效率和测试精度并节约能源，袮补了动态测试方法的不足。
一、静态重量差二次称重法直接测试电梯平衡系数原理
（一）测试基本原理
平衡系数定义为：K=（W－G）/Q=WC/Q
其中：K—平衡系数；Q—电梯额定载荷（已知量）；W—对重的重量；G—轿厢的重量；WC—对重与轿厢重量之差（未知待测量），WC=W—G。
由平衡系数定义K=（W－G）/Q可知，只要测得对重与轿厢重量之差WC（=W－G），除以已知量额定载荷Q，即可求出平衡系数K。我们将电梯平衡系数测试仪的力传感器安装在缓冲器顶部，结合曳引能力检验过程中的空载滞留工况检验过程，用力传感器实时在线直接获取对重与轿厢重量差信号，将重量差信号输入到单片机，经模/数转换并输入额定载荷Q及其它相关参数后，单片机直接计算输出平衡系数，并且打印输出测试结果。
测试原理图如图1所示。
轿厢升到顶层，短接上限位开关、极限开关和缓冲器复位开关，慢慢将轿厢提起使对重接触缓冲器时，曳引机断电、人工松开制动器，使对重平稳缓慢下降，对重压缩缓冲器达到力系平衡(静态)时，采集重量差信号WC，此时对重的受力图如图2所示（假设对重下面有两个缓冲器）。
根据对重的受力图2，得对重受力平衡方程为：
G＋P1＋P2－W=0
移项得： P1＋P2=W－G； 即对重与轿厢的重量差WC=P1+P2
方程两边同时除以Q得：（平衡系数）
上述公式未考虑导靴与导轨之间的摩擦力和曳引轮、导向轮、滑轮支撑轴承摩擦力及减速机构的摩擦阻力等对重量差测试的影响。实际测量中这些摩擦阻力对重量差有影响，只有消除摩擦阻力的影响，方可准确测量重量差WC，从而得到精确的平衡系数。摩擦阻力的影响如何消除，我们有如下论述。
（二）摩擦阻力对重量差测试结果的影响消除方法
摩擦阻力总是与物体运动方向相反.根据这一公理，我们可以利用改变摩擦力方向的方法来消除摩擦阻力对测试结果的影响。
消除摩擦阻力影响的操作处理过程如下：
1.将电梯开至顶层，短接上限位开关、极限开关和缓冲器复位开关，慢慢将轿厢提起使对重接触缓冲器时，曳引机断电、人工松开制动器，在重量差WC作用下，对重平稳下落压缩缓冲器，达到力系平衡（静态）时，缓冲器压缩行程为S1；因上述操作使对重接触缓冲器时下落速度未达到GB7588第10.4节规定的速度，冲击能量较小，加之GB7588第10.4节规定缓冲器的设计Cr值是对重质量的2.5～4倍，所以此时缓冲器压缩行程S1未达到90%行程(完全压缩)；此稳定受力状态我们称之为状态L，此过程对重运动速度方向向下、摩擦力的方向向上； L状态对重所受支反力为P1L、P2L（令二者之合为WC1），受力图如图3(a)所示（L状态WC1数值较低）。采集P1L、P2L实测值，输入到单片机备用。力平衡方程为：
G＋P1L＋P2L＋f－W=0
令WC1=P1L＋P2L，整理后有： W－G=WC1＋f （1）
(a) 受力状态L (b)达到稳态时的受力状态H
图3 考虑摩擦力的对重受力图
注：f—作用在对重上的所有摩擦阻力的合力
2. 消除摩擦阻力影响重量差测试精度的方法
2.1 对于有齿轮传动的电梯：上述第1步操作完成后，开闸、手动盘车继续提升轿厢（对重下降）给对重侧加力，此时对重侧由于比第1步操作增加了曳引力，对重在曳引力和重量差WC共同作用下会进一步下落一段行程（暂时状态）；当轿厢达到滞留工况、曳引轮打滑时，松开手盘车，使作用在对重侧的曳引力消失；由于对重侧减除了曳引力，暂时状态被破坏，对重在轿厢重力G的拉动和缓冲器回复力的共同作用下反向回升，待到稳态时，回升距离S2，这一少许回升过程，使对重运动方向向上，摩擦阻力的方向改变为向下，此稳定受力状态我们称之为H状态，对重所受支反力为P1H、P2H（令二者之合为WC2），其受力图如图3(b)所示（H状态：WC2数值较高）；采集传感器实测值P1H和P2H，输入到单片机备用；
2.2. 对于无齿轮传动的电梯：上述第1步操作完成后，以检修速度提升轿厢，当曳引轮打滑时，将曳引机断电、松开制动器，对重缓慢回升少量距离S2，此时摩擦力方向改变为向下，受力图如图3(b)所示，达到力系平衡（静态）时，采集传感器实测值P1H和P2H，输入到单片机备用；
第2步操作完成后，使第1步操作的摩擦力方向改变。
此时的力平衡方程为： G＋P1H＋P2H－f －W=0
令WC2=P1H+P2H，移项整理后，得： W－G=WC2－f （2）
（1）式加上（2）式，得到：=WC （3）
WC为摩擦力影响消除后，对重侧与轿厢侧的实际重量差。
（3）式两端除以额定载荷Q，得平衡系数K的计算公式为：
= （4）
对于额定载荷不大于1吨的电梯，对重侧一般只安装一个缓冲器，此种情况使用一只传感器P1（或P2）进行测量；将传感器P1（或P2）安装在对重缓冲器顶部按上述方法操作，则P1L＋P1H（或P2L＋P2H）即为对重侧与轿厢侧的重量差WC[此时另一只传感器P2（或P1）的支反力值P2L和P2H均等于零，即WC2=0代入公式]。
（三）轿厢内有咐加或临时重量及无平衡链电梯平衡系数测试修正公式
电梯正式投入使用前，使用单位为防止轿厢壁碰损，一般都装有防护物，以保护轿厢壁；这部分咐加或临时重量在电梯正式投入使用时均要拆除，但咐加或临时重量在验收检验时，对平衡系数测试有较大影响，必须修正。另外，无平衡链电梯采用本方法测试平衡系数时，由于轿厢和对重不在同一氺平面上，钢丝绳重量及随行电缆重量对平衡系数也有影响，也需修正。上述情况的修正公式如下：
= （5）
式中：WC——对重与轿厢的重量差，即WC1、WC2两路力传感器测量值之和，单位Kg ；
E1——轿厢内咐加重量、临时防护物重量，单位Kg ；
E2——无平衡链时钢丝绳重量影响平衡补偿值，单位Kg ；
E3——无平衡链时电梯随行电缆重量影响平衡补偿值，单位Kg ；
1.钢丝绳重量影响平衡的补偿值计算公式
E2=i×；
其中：—曳引钢丝绳根数；—电梯行程（m）；—钢丝绳单位长度重量（Kg/m）
钢丝绳单位长度重量参见GB8903—2005 电梯用钢丝绳 附录A表A.1～表A.5
例表1 常用电梯钢丝绳每100 m长度重量（Kg/100m）
2.随行电缆重量影响平衡的补偿值E3计算公式
E3=
其中：—电梯行程（m）；—.随行电缆单位长度重量（Kg/m）
例表2 电梯电缆单位长度重量（Kg/m）例证（上海长顺电梯电缆有限公司）
无平衡链电梯测试过程与有平衡链电梯测试过程一样，唯一不同的是要考虑因轿厢与对重不在同一水平位置，钢丝绳重量及随行电缆重量对平衡系数的影响，须要利用公式（5）进行修正平衡。
（四） 无机房电梯平衡系数测试步骤
无机房电梯测试步骤与有机房电梯测试步骤一样，唯一不同之处是进行第二次称重时要用检修速度电动实现轿厢少量提升过程。
二. 利用重量差求解机械效率
电梯的耗能与平衡系数和机械效率相关, 机械效率是总效率的一部分。若平衡系数选择不当或机械效率过低，则浪费能源，提高机械效率和选择合适的平衡系数，则有利于节能。《中华人民共和国节约能源法》中规定：“对高耗能的特种设备，按照国务院的规定实行节能审查和监管”；国家质检总局质检特函【2007】29号文件提出，要对锅炉、换热压力容器、电梯等高耗能特种设备实行能效测试，加强特种设备使用环节的节能监管。精确、方便地测试电梯机械效率是评价电梯节能水平的需要，是检验工作的新课题。利用静态重量差二次称重法测试电梯平衡系数原理和方法，可求出电梯传动系统总摩擦阻力，从而求出机械效率，便于电梯节能监管。
由（2）式－（1）式得：WC2－WC1=2f
所以总摩擦阻力f＝(WC2－WC1)/2；
制动器人工松闸、对重自然下落时，对重与轿厢的重量差WC是主动力，所以，机械效率=【（WC－f）/WC】×100%=[(WC2＋WC1)/2－(WC2－WC1)/2]/ WC×100%
= WC1/ WC ×100% (6)
总效率包括机械效率和电磁效率，机械效率是电梯总效率的主要部分。从公式（6）可以看出摩擦阻力f对机械效率有影响。因机械效率是摩擦阻力f的函数，电梯在走合期的摩擦阻力f和机械效率与正常使用期的摩擦阻力f和机械效率是不相等的，走合期的摩擦阻力f大于正常使用期的摩擦阻力f′，因此走合期的机械效率小于正常使用期的机械效率。求得电梯的机械效率对了解电梯耗能有一定意义。单、双头涡轮蜗杆传动的曳引机机械效率低，属于淘汰产品，目前已极少生产；在用的单、双头涡轮蜗杆传动的曳引机属于更新、改造对象。其他形式的曳引机，如果测试的机械效率过小，说明总摩擦阻力f过大，可能原因是：
①润滑不良；②导靴夹紧力过大。
可通过改善润滑状况和适当调整导靴夹紧力的方法来减小摩擦阻力，从而提高机械效率，降低能耗。
三 、应用实例
笔者应用上述原理和方法对数十台电梯平衡系数进行测试，取得了比较满意的结果，并与制造厂的设计值和测试动态电流的方法进行了比对，比对结果充分证明使用“静态重量差二次称重法直接测试电梯平衡系数方法”所得测试结果，精度高于动态电流法并且极大地提高检验效率，15分钟即可将空载轿厢滞留工况、平衡系数、缓冲器回复时间和机械效率等四个检验项目测试完毕。由于本文篇幅所限，仅将两台测试结果列于下表，以供读者比对判断两种不同方法的优劣：
静态重量差法测试平衡系数实验分析报告1
实验时间： 2007年11月15 日；环境温度：5 0 C；仪器编号：YJ1# ；报告编号：DT07110724
报告1分析：1.平衡系数C（K）=（WC＋E1－E2＋E3）/Q；WC= (WC1+ WC2)
E1为轿厢内临时防护物重量；E2—钢丝绳修正值；E3—电缆修正值；因该梯验收检验时，轿厢内无包装防护物等临时重量，设计时采用完全补偿，所以E1、E2、E3均为零；
2.传动型式：无齿轮传动 ；有手动松闸装置。
3.机械效率= WC1/ WC×100%=363.67/387×100%=93.97%，比较接近理论值；
4.平衡系数设计值：K= 0.5 ；现场实际安装配重块数量比设计配备数量少一块配重；
5.如增加一块配重，则使用本方法的测试结果基本与设计值相符：
C(K)=（387＋20×0.9397）÷800=0.5072；
与设计值绝对误差︱C（K） ︱=︱0.5072－0.5︱=0.0072=0.72%；
与设计值相对误差⊿C（K） =（0.0072÷0.5）100%=0.0144=1.44%.
6.电流法测得平衡系数K= 0.46；
与设计值绝对误差︱C（K） ︱=︱0.46－0.5︱=0.04=4%
与设计值相对误差⊿C（K） =（0.04÷0.5）100%=0.08=8%
静态重量差法测试平衡系数实验分析报告2
实验时间： 2007年12 月14 日；环境温度：6 0 C ；仪器编号：YJ2#；报告编号：DT07120786
报告2分析：
1. 因该梯检验时轿厢内壁装设有防护板，重量E1=60㎏,电梯正常投入使用后，防护板将拆除; 所以防护板重量E1对平衡系数有影响，应修正；该梯有补偿链，基本完全补偿，所以E2、E3忽略。
2.传动型式：无齿轮传动 ；该梯无手动松闸装置,采用电动松闸；
3.电流法测得平衡系数K= 0.42 ; ；
4.机械效率= WC1/ WC×100%=266.9/282.15×100%=95%，基本等于理论值；
5.平衡系数设计值：K= 0.5；出厂时配备 38 块配重块，现安装 35 块配重，20㎏/块；
6.如按38块配重计算平衡系数，则使用本方法的测试结果基本与设计值相符:
C(k)=（282.15+3×20×0.95＋60）/800=0.4989；
与设计值相对误差为： ⊿C=[︱0.4989-0.5︱/0.5]×100%=0.22%
与设计值绝对误差为：︱C︳=︱0.4989-0.5︱=0.0011=0.11%
由此可见，使用重量差法测试电梯平衡系数，精度高、复现性好、置信水准高。
四、不确定度分析
以上述实验分析报告2为例分析该电梯的不确定度：
1.重量差 A类不确定度(uA)的评定:
标准偏差（单次测量不确定度）：
S=[∑（χi-Х）2/（n-1）]1/2
={[0.852×2+0.352×3+（－0.65）2×2+（－0.15）2×2+（－1.15）2]/（10-1）}1/2
=[4.025/9]1/2==0.6687㎏
重量差平均值 A类不确定度uA=S/=0.6687/=0.669/3.162=0.21㎏
2. 重量差B类不确定度uB的评定:
2.1仪器校准的不确定度：本仪器经《东北国家计量测试中心》校准，（校准证书编号：辽计08030503301）校准证书给定最大扩展不确定度UB=0.3%；按梯形分布，包含因子K=2；所以仪器不确定度ub=0.15%.
2.2仪器最大测量误差
X×0.15%=282.15×0.0015 =0.423㎏；
对于多次测量，其结果应服从正态分布，包含因子K=3 ；
所以测量误差B类不确定度 uB1=0.423÷3=0.14㎏
2.3分度值的不确定度uB2的评定
因分度值对不确定度的影响为均匀分部，包含因子k=,最小分度值为1㎏；
所以分度值的不确定度uB2=a/2÷= 1/2÷=0.29㎏
3.重量差合成不确定度uc的评定:
uC=（uA2+ uB12+ uB22）1/2=（0.212+0.142+0.292）1/2=0.384㎏≈0.38㎏
4.扩展不确定度U的评定:
按梯形分布，包含因子k=2； U=k uC =2× 0.38 =0.76 ㎏
5、结果报告：U=0.76㎏ ；（u C=0.38 ㎏，K=2）
yU=（342.15 0.76）㎏； （y= WC+E1=282.15＋60=342.15）
6、判别：平衡系数最大值为：Kmax=ymax/Q=（342.15+0.76）/800=0.4286
平衡系数最小值为：Knin= ynin/Q=（342.15－0.76）/800=0.4267
五.测试方法的自校准
使用上述测试原理还可对测试结果进行校准。空载条件下测试完毕后，轿厢承载10%或20%或30%的额定载荷，最多不超过40%额定载荷（为了保证对重侧的重量大于轿厢侧重量），即通过调整E1重复前述过程的操作，测得不同载荷条件下的平衡系数，各种载荷所得的平衡系数应基本相等，可进行比对。
六.结论
根据电梯平衡系数定义公式，采用静态重量差二次称重、直接测试对重侧与轿厢侧的重量之差（WC）的测试原理和方法，实现了平衡系数的实时在线测试，复现性好，置信水准高，避免了动态电流法测试时电压波动、瞬间读数、复现性差、人工绘图等导致的测试精度低、综合积累误差大和劳动强度大、浪费能源、检测效率低等缺陷，提高了平衡系数测试精度，节约能源、节省检验时间、提高检验效率, 15分钟即可完成空载轿厢滞留工况、平衡系数、缓冲器回复时间和机械效率等四项测试项目。因此，静态重量差二次称重法直接测试电梯平衡系数的原理和方法，是行之有效、值得推广应用的测试原理和方法。
参考文献：
1、《电梯监督检验规程》——（2002版）
2、GB/T?10059—1997《电梯试验方法》
3、GB7588—2003《电梯制造与安装安全规范》
4、《测量不确定度评定与表示指南》——国家质量技术监督局计量司组编
作者单位：辽宁省抚顺市特种设备监督检验所 姓名:杨鹏
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重量差二次称重法电梯平衡系数测试原理
