电梯结构原理与安全技术(7)

老窝牛

第七章 安全保护系统

    电梯是高层建筑中必不可少的垂直运输工具，其运行质量直接关系到人员的生命安全和货物的完好，所以电梯运行的安全性必须放在首位。为保障电梯的安全运行，从电梯设计、制造、安装及日常维保等各个环节都要充分考虑到防 危险发生，并针对各种可能发生的危险，设置专门的安全装置。根据GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》中的规定，现代电梯必须设有完善的安全保护系统，包括一系列的机械安全装置和电气安全装置，以防止任何不安全情况的发生。在电梯的安全系统中，包括有高安全系数的曳引钢丝绳、限速器、安全钳、缓冲器、多道限位开关、防止超载系统及完善严格的开关门系统和安全保障。

7.1 安全保护系统

7.1.1 电梯可能发生的事故和故障

1、轿厢失控、超速运行

    当曳引机电磁制动器失灵，减速器中的的轮齿、轴、销、键等折断，以及曳引绳在曳引轮绳槽中严重打滑等情况发生，正常的制动手段已无法使电梯停止运动，轿厢失去控制，造成运行速度超过额定速度。

2、终端越位

    由于平层控制电路出现故障，轿厢运行到顶层端站或底层端站时，未停车而继续运行或超出正常的平层位置。

3、冲顶或蹲底

    当上终端限位装置失灵等，造成轿厢或对重冲向井道顶部，称为冲顶；

    当下终端限位装置失灵或电梯失控，造成电梯轿箱或对重跌落井道底坑，称为蹲底。

4、不安全运

    由于限速器失灵、层门和轿门不能关闭或关闭不严时电梯运行、轿厢超载运行、曳引电动机在缺相、错相等状态下运行等。

5、非正常停止

    由于控制电路出现故障、安全钳误动作、制动器误动作或电梯停电等原因，都会造成在运中的电梯突然停止。

6、关门障碍

    电梯在关门过程中，门扇受到人或物体的阻碍，使门无法关闭。

7.1.2  电梯安全保护系统的组成

1、超速（失控）保护装置：限速器、安全钳；

2、超越上下极限工作位置保护装置：强迫减速开关、限位开关、极限开关，上述三个开关分别起到强迫减速、切断控制电路、切断动力电源三级保护；

3、撞底（与冲顶）保护装置：缓冲器；

4、层门、轿门门锁电气联锁装置：确保门不可靠关闭电梯不能运行；

5、近门安全保护装置：层门、轿蒙柚霉獾缂觳饣虺声波检测装置、门安全触板等；保证门在关闭过程中不会夹伤乘客或货物，关门受阻时，保持门处于开启状态。

6、电梯不安全运行防止系统：轿厢超载控制装置、限速器断绳开关、安全钳误动作开关、轿顶安全窗和轿厢安全门开关等；

7、供电系统断谩⒋硐啾；ぷ爸茫合嘈虮；ぜ痰缙鞯龋

8、停电或电气系统发生故障时，轿厢慢速移动装置；

9、报警装置：轿厢内与外联系的警铃、电话等；

    除上述安全装置外，还会设置轿顶安全护栏、轿厢护脚板、底坑对重侧防护栏等设施。综上所述，电梯安全保护系统一般由机械安全装置和电气安全装置两大部分组成，但是机械安全装置往往也需要电气方面的配合和联锁，才能保证电梯运行安全可靠。

图7-1  电梯安全系统关联图

7.1.3 电梯安全保护装置的动作关联关系

    由上图可知，当电梯出现紧急故障时，分布于电梯系统各部位的安全0关被触发，切断电梯控制电路，曳引机制动器动作，制停电梯。当电梯出现极端情况如曳引绳断裂，轿厢将沿井道坠落，当到达限速器动作速度时，限速器会触发安全钳动作，将轿厢制停在导轨上。当轿厢超越顶、底层站时，首先触发强迫减速开关减速；如无效则触发限位开关使电梯控制0路动作将曳引机制停；若仍未使轿厢停止，则会采用机械方法强行切断电源，迫使曳引机断电并制动器动作制停。当曳引钢丝绳在曳引轮上打滑时，轿厢速度超限会导致限速器动作触发安全钳，将轿厢制停；如果打滑后轿厢速度未达到限速器触发速度，最终轿厢将触及缓冲器减速制停。当0厢超载并达到某一限度时，轿厢超载开关被触发，切断控制电路，导致电梯无法起动运行。当安全窗、安全门、层门或轿门未能可靠锁闭时，电梯控制电路无法接通，会导致电梯在运行中紧急停车或无法起动。当层门在关闭过程中，安全触板遇到阻力，则门机立即停止关门并反向开门，稍0延时后重新尝试关门动作，在门未可靠锁闭时电梯无法起动运行。

7.2 限速器

    限速器是电梯安全运行中最为重要的安全装置之一，它随时监测控制着电梯的运行速度，当出现超速情况时，能及时发出信号，继而产生机械动作，切断控制电路或驱动安全钳（夹绳器）将轿厢强制制停或减速，限速器是指令发出者并非执行者。

    控制轿厢超速的限速器触发速度和相关要求，在GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》中有明确的规定：即该速度至少等于电梯额定速度的115%；限速器动作时，限速器绳普帕Σ坏眯∮诎踩钳起作用所需力的两倍或300N；限速器绳的最小破断载荷与限速器动作时产生的限速器绳张力安全系数应大于8，限速器绳公称直径不应小于6㎜；限速器绳必须配有张紧装置张紧，且在张紧轮上装设导向装置。

    限速器与安全钳组合方式和工作原理见图7-2所示。限速器装置由限速器、限速器绳及绳头、限速器绳张紧装置等组成；限速器一般安装在机房内，限速器绳绕过限速器绳轮后，e过机房地板上开设的限速器绳孔，竖直穿过井道总高，一直延伸到装设于电梯底坑中的限速器绳张紧轮并形成回路；限速器绳绳头处连接到位于轿厢顶的连杆系统，并通过一系列安全钳操纵拉杆与安全钳相连；电梯正常运行时，电梯轿厢与限速器绳以相同的速度升降，两者之间无相对运动e限速器绳绕两个绳轮运转；当电梯出现超速并达到限速器设定值时，限速器中的夹绳装置动作，将限速器绳夹住，使其不能移动，但由于轿厢仍在运动，于是两者之间出现相对运动，限速器绳通过安全钳操纵拉杆拉动安全钳制动元件，安全钳制动元件则紧密地夹持住导轨，利用其间产生的e擦力将轿厢制停在导轨上，保证电梯安全。

    对于传统的电梯，都必须使用限速器来随时监测并控制轿厢的下行超速，但随着电梯的使用，人们发现轿厢上行超速并且冲顶的危险也确实存在，其原因是轿厢空载或极小载荷时，对重侧重量大于轿厢，一旦制动器失效或曳引机轴、键、销等折断，或由于曳引轮绳槽严重磨损导致曳引绳在其中打滑，于是轿厢上行超速就发生了。所以在GB7588-2003中规定，曳引驱动电梯应装设上行超速保护装置，该装置包括速度监控和减速元件，应能检测出上行轿厢的失控速度，当轿厢速度大于等于电梯额定速度115%时，应能使轿厢制停，或至少使其速度下降至对重缓冲器的允许使用范围。该装置应该作用于轿厢、对重、钢丝绳系统（悬挂绳或补偿绳）或曳引轮上，当该装置动作时，应使电气安全装置动作或控制电路失电，电机停止运转，制动器动作。

7.3 安全钳

    电梯安全钳装置是在限速器的操纵下，当电梯出现超速、断绳等非常严重故障后，将轿厢紧急制停并夹持在导轨上的一种安全装置。它对电梯的安全运行提供有效的保护作用，一般将其安装在轿厢架或对重架上。随着轿n上行超速保护要求的提出，现在双向安全钳也有较多的使用。

7.3.1 安全钳种类与结构特点

    目前电梯用安全钳，按照其制动元件结构形式的不同可分为楔块型、偏心轮型和滚柱型三种；从制停减速度（制停距离）方面可分为瞬时式和渐进式安全钳，上述安全钳根据电梯额定速度和用途不同来区别选用。

1、瞬时式安全钳

    瞬时式安全钳也叫做刚性急停型安全钳，它的承载结构是刚性的，动作时产生很大的制停力，使轿厢立即停止。瞬时式安全钳的使用特点是，制停距离短，轿厢承受冲击严重，在制停过程中楔块或其他型式的卡块将迅速地卡入导轨表面，从而使轿厢瞬间停止。滚柱型瞬时安全钳的制停时间约在0.1s左右；而双楔瞬时式安全钳的瞬时制停力最高时的区段只有0.01s左右，整个制停距离也只有几十毫米乃至几个毫米，轿厢最大制停减速度约在5～10g甚至更大，而一般人员所能承受的瞬时减速度为2.5g以下。由于上述特点，电梯及轿厢内的乘客或货物会受到非常剧烈的冲击，导致人员或货物伤损，因此瞬时式安全钳只能适用于额定速度不超过0.63m／s的电梯（某些国家规定为0.75m／s以下）。

    瞬时式安全钳按照制动元件结构形式可分为楔块型、偏心轮型和滚柱型三种。

（1）、楔块型瞬时式安全钳

    此类安全钳的结构原理如图7-16所示砂踩钳座一般用铸钢制成整体式结构，楔块用优质耐热钢制造，表面淬火使其有一定的硬度；为加大楔块与导轨工作面间的摩擦力，楔块工作面常制出齿状花纹。电梯正常运行时，楔块与导轨侧面保持2～3㎜的间隙，楔块装于钳座内，并与安全钳拉杆相连。在电梯正常工作时，由于拉杆弹傻恼帕ψ饔茫楔块保持固定位置，与导轨侧工作面的间隙保持不变。当限速器动作时，通过传动装置将拉杆提起，楔块沿钳座斜面上行并与导轨工作面贴合楔紧，随着轿厢的继续下行，楔紧作用增大，此时安全钳的制停动作就已经和操纵机构无关了，最终将轿厢制停。                                                            

    为了减小楔块与钳体之间的摩擦，一般可在它们之间设置表面经硬化处理的镀铬滚柱，当安全钳动作时，楔块在滚柱上相对钳体运动。

2、渐进式安全钳

    渐进式安全钳又被称为滑移动作式安全钳，也叫做弹性滑移型安全钳。它能使制动力限制在一定范围内，并使轿厢在制停时有一定的滑移距离，它的制停力是有控制地逐渐增大或保持恒定值，使制停减速度不致很大。

    渐进式安全钳与瞬式安全钳之间的根本区别在于其安全钳制动开始之后，其制动力并非是刚性固定，而是增加了弹性元件，致使安全钳制动元件作用在导轨上的压力具有缓冲的余地，在一段较长的距离上制停轿厢，有效地使制动减速度减小，保证人员或货物的安全，渐进式安全钳均使用在额定速度大于0.63m／s的各类电梯上。

（1）、楔块型渐进式安全钳

    其结构原理如图7-21所示，它与瞬时动作安全钳的根本区别在于钳座是弹性结构（弹簧装置），当楔块3被拉杆2提起，贴合在导轨上起制动作用，楔块3通过导向滚柱7将推力传递给导向楔块4，导向楔块后侧装置有弹性元件（弹簧），使楔块作用在导轨上的压力具有了一定的弹性，产生相对柔和的制停作用。增加了导向滚柱7可以减少动作时的摩擦力，使安全钳动作后容易复位。

7.3.3 安全钳使用条件

    制停减速度指电梯被安全钳制停过程中的平均减速度。过大的制停减速度会造成剧烈的冲击，使人员货物以及电梯都受到损伤，因此安全钳对电梯制停的减速度必须加以限制。在GB7588-2003中规定，滑移动作安全钳制动时的平均减速度应在0.2g～1g之间（g为重力加速度9.8m/s2），同时还规定了各种安全钳的使用条件：

（1）、电梯额定速度大于0.63m/s，轿厢应采用渐进式安全钳。若电梯额定速度小于或等于0.63m/s，轿厢可采用瞬时式安全钳。

（2）、3轿厢装有数套安全钳，则它们应全部是渐进式的。

（3）、若额定速度大于1m/s，对重安全钳应是渐进式的，其他情况下，可以是瞬时式的。

（4）、轿厢和对重的安全钳的动作应由各自的限速器来控制。若额定速度小于或等于1m/s，对重安全钳可借助悬挂机构的断裂或3助一根安全绳来动作。

（5）、不得采用电气、液压或气动操纵的装置来操纵安全钳。

7.5 缓冲器

    缓冲器安装在井道底坑内，要求其安装牢固可靠，承载冲击能力强，缓冲器应与地面垂直并正对轿厢（或对重）下侧的缓冲板。缓冲器是一种吸收、消耗运动轿厢或对重的能量，使其减速停止，并对其提供最后一道安全保护的电梯安全装置。

    电梯在运行中，由于安全钳失效、曳引轮槽摩擦力不足、抱闸制动力不足、曳引机出现机械故障、控制系统失灵等原因，轿厢（或对重）超越终端层站底层，并以较高的速度撞向缓冲器，由缓冲器起到缓冲作用，以避免电梯轿厢（或对重）直接撞底或冲顶，保护乘客或运送货物及电梯设备的安全。

    当轿厢或对重失控竖直下落，具有相当大的动能，为尽可能减少和避免损失，就必须吸收和消耗轿厢（或对重）的能量，使其安全、减速平稳地停止在底坑。所以缓冲器的原理就是使轿厢（对重）的动能、势能转化为一种无害或安全的能量形式。采用缓冲器将使运动着的轿厢或对重在一定的缓冲行程或时间内逐渐减速停止。

7.5.1 缓冲器的类型

    缓冲器按照其工作原理不同，可分为蓄能型和耗能型两种。

1、蓄能型缓冲器

    此类缓冲器又称为弹簧式缓冲器，当缓冲器受到轿厢（对重）的冲击后，利用弹簧的变形吸收轿厢（对重）的动能，并储存于弹簧内部；当弹簧被压缩到最大变形量后，弹簧会将此能量释放出来，对轿厢（对重）产生反弹，此反弹会反复进行，直至能量耗尽弹力消失，轿厢（对重）才完全静止。

弹簧缓冲器（见图7-28）一般由缓冲橡胶、上缓冲座、弹簧、弹簧座等组成，用地脚螺栓固定在底坑基座上。

    为了适应大吨位轿厢，压缩弹簧由组合弹簧叠合而成ㄐ谐谈叨冉洗蟮牡簧缓冲器，为了增强弹簧的稳定性，在弹簧下部设有导管（图7-29所示）或在弹簧中设导向杆。

弹簧缓冲器的特点是缓冲后有回弹现象，存在着缓冲不平稳的缺点，所以弹簧缓冲器仅适用于额定速度小于1m/s的低速电梯。

    近年来，人们为了克服弹簧缓冲器容易生锈腐蚀等缺陷，开发出了聚氨酯缓冲器。聚氨酯缓冲器是一种新型缓冲器，具有体积小重量轻、软碰撞无噪声、防水防腐耐油、安装方便、易保养好维护、可减少底坑深度等特点，近年来在中低速电梯中得到应用，见图7-30所示。

2、耗能型缓冲器

    耗能型缓冲器又被称为油（液）压缓冲器，常用的油压缓冲器的结构如图7-31所示。它的基本构件是缸体10、柱塞4、缓冲橡胶垫1和复位弹簧3等。缸体内注有缓冲器油13。

（1）、油压缓冲器结构

    当油压缓冲器受到轿厢和对重的冲击时，柱塞4向下运动，压缩缸体10内的油，油通过环形节流孔14喷向柱塞腔（沿图中箭头方向流动）。当油通过环形节流孔时，由于流动截面积突然减小，就会形成涡流，使液体内的质点相互撞击、摩擦，将动能转化为热量散发掉，从而消耗了轿厢或对重的能量，使轿厢或对重逐渐缓慢地停下来。

    因此油压缓冲器是一种耗能型缓冲器，它是利用液体流动的阻尼作用，缓冲轿厢或对重的冲击。当轿厢或对重离开缓冲器时，柱塞4在复位弹簧3的作用下，向上复位，油重新流回油缸，恢复正常状态。

    由于油压缓冲器是以消耗能量的方式实行缓冲的，因此无回弹作用，同时由于变量棒9的作用，柱塞在下压时，环形节流孔的截面积逐步变小，能使电梯的缓冲接近匀减速运动。因而，油压缓冲器具有缓冲平稳，有良好的缓冲性能的优点，在使用条件相同的情况下，油压缓冲器所需的行s可以比弹簧缓冲器减少一半，所以油压缓冲器适用于快速和高速电梯。

（2）、油压缓冲器分类及工作原理

    常用的油压缓冲器有油孔柱式缓冲器（图7-31）、多孔式缓冲器（图7-32及图7-33）、多槽式缓冲器（图7-34）等。

    以上s种油压缓冲器的结构虽有所不同，但基本原理相同。即当轿厢（对重）撞击缓冲器时，柱塞向下运动，压缩油缸内的油，使油通过节流孔外溢并升温，在制停轿厢（对重）的过程中，其动能转化为油的热能，使轿厢（对重）以一定的减速度逐渐停下来。当轿厢或对重离开缓冲器时，柱塞在s位弹簧的作用下复位，恢复正常状态。

    油孔柱式油压缓冲器

    油孔柱式油压缓冲器见图7-31，在前面已经介绍了它的工作原理与结构特点。

    多孔式缓冲器工作原理：

    多孔式油压缓冲器分为s体内壁溢流和柱塞油孔溢流两种。

    缸体内壁具有溢流孔的油压缓冲器见图7-32所示，当柱塞2下移进入充满缓冲器油（液压油）的缸体l中，油被迫从油缸壁的溢流孔6进入外部的储油腔中，随着柱塞的下降，缸壁泄油孔数目逐渐减少，油流动的节流作用也增大，由s产生足够的油压，使轿厢的运动减速，直到平稳地停止。

    柱塞上带有泄油孔的油压缓冲器见图7-33所示，在柱塞2的下部有一空腔，柱塞四壁有一泄油孔6，缸体l平滑无孔，当柱塞被压下时，缸体上部渐渐盖住柱塞上的泄油孔，减少了泄油孔的数目和总泄油孔面积s油流动的节流作用也就增大，由此产生足够的油压，使轿厢的运动减速，直到平稳地停止。当提起轿厢使缓冲器卸载时，复位弹簧4使柱塞回到正常位置，这样，油经溢流孔从油腔重新流回油缸，活塞自动回复到原位置。

    多槽式缓冲器工作原理（图7-34）

    在柱塞2上有一组长短不一的泄油槽6，在缓冲过程中油槽依次被挡住，即泄油通道面积逐渐减少，由此产生足够的油压，从而使轿厢（对重）减速。当提起轿厢使缓冲器卸载时，复位弹簧4使柱塞回到正常位置，这样，油经溢流孔从油腔重新流回油缸，活塞自动回复到原位置。这种缓冲器，由于要在柱塞上加工油槽，工艺比加工孔要复杂，所以较少使用。

7.5.2 缓冲器的数量

    缓冲器使用的数量，要根据电梯额定速度和额定载重量确定。一般电梯会设置三个缓冲器，即轿厢下设置二个缓冲器，对重下设置一个缓冲器。

7.6 终端限位保护装置

    终端限位保护装置的功能就是防止由于电梯电气系统失灵，轿厢到达顶层或底层后仍继续行驶（冲顶或蹲底），造成超限运行的事故。此类限位保护装置主要由强迫减速开关、终端限位开关、终端极限开关等三个９丶跋嘤Φ呐霭濉⑴雎趾土动机构组成（图7-35)。

7.6.1 强迫减速开关

1、一般强迫减速开关：

    强迫减速开关，是电梯失控有可能造成冲顶或蹲底时的第一道防线。强迫减速开关由上下两个开关组成，一般安装在井道的顶部和底部。当Ｌ菔Э兀轿厢已到顶层或底层，而不能减速停车时，装在轿厢上的碰板，与强迫减速开关的碰轮相接触，使接点发出指令信号，迫使电梯减速停驶。

2、快速梯和高速梯用的端站强迫减速开关

    此装置包括分别固定在轿厢导轨上下端站处的打板以及固定在轿厢顶上，且具有多组触点的特制开关装置，开关装置部分如图7-36 所示。

    电梯运行时，设置在轿顶上的开关沃酶随轿厢上下运行，达到上下端站楼面之前，开关装置的橡皮滚轮左、右碰撞固定在轿厢导轨上的打板，橡皮滚轮通过传动机构分别推动预定触点组依次切断相应的控制电路，强迫电梯到达端站楼面之前提前减速，在超越端站楼面一定距离时就立即停靠。

7.6.2 终端限位开

    终端限位开关由上、下两个开关组成，一般是分别安装在井道顶部和底部，在强迫减速开关之后，是电梯失控的第二道防线。当强迫减速开关未能使电梯减速停驶，轿厢越出顶层或底层位置后，上限位开关或下限位开关动作，切断控制线路，使曳引机断电并使制动器动作，迫使电梯停止运行。

7.6.3 终端极限开关

1、机械电气式终端极限开关

    该极限开关是在强迫减速开关和终端限位开关失去作用时，控制轿厢上行（或下行）的主接触器失电后仍不能释放时（例如接触器触点熔焊粘连、线圈铁芯被油污粘住、衔铁或机械部分被卡死等），切断电梯供电电源，使曳引机停车并制动器制动。其工作时是当轿厢地坎超越上、下端站地坎200mm，轿厢或对重接触缓冲器之前，装在轿厢上的碰板与装在井道上、下端的上碰轮或下碰轮接触，牵动与装在机房墙上的极限开关相连的钢丝绳，使只有人工才能复位的极限开关动作，切断除照明和报警装置电源外的总电源。

    终端限位保护装置动作后，应由专职的维修保养人员检查，排除故障后，方可投入运行。

极限开关常用机械力切断电梯总电源的方法使电梯停驶。

2、电气式终端极限构兀

    这种形式的终端极限开关，采用与强迫减速开关和终端限位开关相同的限位开关，设置在终端限位开关之后的井道顶部或底部，用支架板固定在导轨上。当轿厢地坎超越上下端站20㎜，且轿厢或对重接触缓冲器之前动作。其动作是由装在轿厢上的碰板触动限位开关，切断安全回路电源或断开上行（或下行）主接触器，使曳引机停止转动，轿厢停止运行。

7.7 其他安全防护装置

    电梯安全保护系统中所配备的安全保护装置一般由机械安全保护装置和电气安全保护装置两大部分组成，但是有一些机械安全保护装置往往需要和电气部分的功能配合，构成联锁装置才能实现其动作和功效的可靠性。

7.7.1 轿厢顶部安全窗

    安全窗是设在轿厢顶部的只能向外开的窗口。当轿厢因故障停在楼房两层中间时，司机可通过安全窗到达轿顶，再设法打开层门，维修人员在处理故障时也可利用安全窗。安全窗打开时，装于门上的触点断开，切断控制电路，此时电梯不能运行。由于控制电源被切断，可防止维修人员出入轿厢窗口时因电梯突然启动而造成人身伤害事故。当出入安全窗时还必须先将电梯急停开关按下（如果有的话）或用钥匙将控制电源切蕖Ｎ了安全，电梯司机不到非常情况不要从安全窗出入，更不要让乘客出入，因安全窗窗口较小，且离地面有两米多高，上下很不方便，停电时，轿顶很黑，又有各种装置，易发生人身事故，加之部分电梯轿顶未设置护栏，则更不安全。

7.7.2 电梯急停开关

    急停开关也称安全开关，是串接在电梯控制线路中的一种不能自动复位的手动开关。当遇到紧急情况或在轿顶、底坑、机房等处检修电梯时，为防止电梯的启动、运行，将开关关闭，切断控制电源以保证安全。

    急停开关分别设置在轿厢内操纵箱上，轿顶操纵盒上，底坑内和机房控制柜壁上，有的电梯轿厢内操纵箱上不设此开关。

7.7.3 可切断电梯电源的主开关

    每台电梯在机房中都应装设一个能切断该电梯电源的主开关，并具有切断电梯正常行驶的最大电流的能力，如有多台电梯还应对各个主开关进行相应的编号。注意，主开关切断电源时不包括轿厢内、轿顶、机房和井道的照明、通风以及必须设置的电源插座等的供电电路。