曳引电梯的安全保护系统之超速保护系统详细图解

小月亮

1.3　曳引电梯的安全保护系统
曳引电梯是乘人载物的竖直升、降的运输设备，安全可靠运行已成为它的一项重要指标。在电梯使用过程中，必须保证安全防护装置完整好用，可靠无误。
电梯的安全保护装置随电梯的发展而不断完善。主要的安全保护装置有机械式、电气式、机电综合式以及机械防护装置等。
机械式安全保护装置单独起保护作用的有：厅、轿门与自动关门装置，紧急开锁装置，蓄能式缓冲器，应急救护的盘车手轮与开闸扳手，护脚板，轿顶护栏，对重护栅与通井道护栅，对重块压紧装置，补偿装置的张绳轮，各旋转部件的防护罩，挡绳装置等，还有与电气安全装置共同起作用的限速器、安全钳、耗能式缓冲器、钩子锁、安全触板、超载保护装置中的称重设施等。
电气安全保护装置有：停止开关、验证开关、相序继电器、热继电器、安全电压、安全触点、安全电路、含有电子元件的安全电路、检修开关，以及各种按钮、限位、行程开关等。
电气设备本身的保护装置有：短路保护、过载保护、失欠压保护、错断相保护以及各种连锁保护装置等。
机电综合式保护装置有：超速保护系统、轿厢上行超速保护系统、门保护系统、紧急救援系统、终端保护系统、制动系统、检修运行系统以及接地接零保护系统等。
安全保护装置可以对电梯进行以下保护：曳引钢丝绳断裂、电梯失控、轿厢或对重自然滑落、轿厢冲顶蹾底、关门不牢或未关门运行的保护以及关门过程中的保护。
1.3.1　超速保护系统
国标规定：各类电梯均应有限速器、安全钳组成的联动超速保护装置，限速器、安全钳动作电气保护装置及限速器绳断裂或松动的保护装置，并能正常工作。如图1.3.1所示。


图1.3.1　超速保护系统中的限速器与安全钳（单位：mm）
1-限速器　2-安全钳开关　3-钢丝绳　4-钢丝绳锥套　5-拉杆　6-安全嘴7-限速器断绳开关　8-张紧装置　9-安全钳传动机构
1.3.1.1　超速保护系统的保护作用及动作原理
1.超速保护系统的保护作用　限速器与安全钳共同担负着电梯失控和超速时的保护，超速保护系统的作用是防止轿厢坠落。轿厢在什么情况下会发生坠落事故呢？
（1）绳头组合板与轿厢或对重架脱离、绳头板破碎、用销钉定位的销钉磨断。
（2）用蜗轮副传动的电梯，蜗杆、蜗轮的齿、轴、键、销等发生折断。
（3）曳引轮绳槽严重磨损造成曳引力降低，轿厢超载致使钢丝绳打滑。
（4）超载装置失效而轿厢又严重超载。
（5）电梯平衡系数失调，轿厢自重偏轻或对重偏轻，钢丝绳在轮上打滑。
（6）制动器制动力矩不足，或制动电磁铁卡阻造成制动器失灵，制动失效。
2.超速保护系统的动作原理　限速器绳将轿厢运行速度传递给限速器轮，使限速器轮随轿厢的上、下运行而转动，安全钳装在轿厢架底梁两端，处于下导靴之上，随轿厢沿导轨上、下运行。安全钳楔块由拉杆、传动连杆、弹簧等传动机构与轿顶的限速器绳头相端接，当轿厢上、下运行时，轿厢通过钢丝绳驱动限速器绳轮往复运转。轿厢的运行速度超过额定运行速度15%时，限速器甩锤或甩球的离心力增大，通过连杆、弹簧等传动机构卡住钢丝绳。由于轿厢仍向下移动，相当于钢丝绳把安全钳的拉手向上猛地提拉一下，被提起来的绳头拉手，一方面通过安全钳传动机构带动拉杆，把安全钳楔块提起，将轿厢卡在导轨上。另一方面在安全钳拉手被提拉起之前或同时，碰住位于限速器和安全钳拉手处的电气开关，切断电梯的交、直流控制电源，使曳引电动机和制动电磁线圈失电，制动器制动，曳引机立即停止转动。
1.3.1.2　超速保护系统中的监控元件——限速器
限速器有很多种类，根据电梯的运行速度选用，电梯运行速度不大于0.63m/s时，应选用刚性夹持式限速器，配用瞬时式安全钳；电梯运行速度大于0.63m/s时，应选用渐进式安全钳。电梯常用的限速器有以下几种：
1.凸轮式限速器　凸轮式限速器俗称惯性限速器，适用于额定速度在0.5～1.0m/s的电梯。其结构如图1.3.2所示。当轿厢下行时，限速器绳带动限速轮顺时针旋转，限速轮内有一呈五星形盘状凸轮2，当限速轮转动时，五星盘状凸轮轮廓线处与装在摆动挺杆10上的限速胶轮8相接触，凸轮轮廓线径向的变化使挺杆10猛烈摆动。由于限速器胶轮轴的另一端被限速器拉簧6拉住，在额定速度时，使挺杆右边的棘爪9与棘轮3上的棘齿脱离接触。当轿厢运行速度达115%额定速度时，凸轮的转速加快，离心力增大，使挺杆摆动角度增大到使棘轮的棘爪钩挂住棘齿，限速器轮被迫停止运转，随着轿厢继续下行，限速器绳槽与限速器绳之间产生的摩擦力增大使限速器绳被轧住，带动安全钳联动系统将安全钳拉杆提起，安全钳楔块动作，将轿厢制停在导轨上。当须恢复时，可将轿厢缓慢提起，限速器轮反转，使棘爪和棘齿脱开，限速器即可复位。


图1.3.2　凸轮式限速器
1-限速器轮　2-凸轮　3-棘轮　4-限速拉簧调节螺栓　5-制动轮轴　6-拉簧　7-限速器机架　8-胶轮　9-棘爪　10-挺杆
2.甩块式限速器　甩块式限速器也叫圆盘型限速器，因其甩块呈锤形，又称锤形限速器。其动作时对钢丝绳的夹持是刚性的称刚性夹持限速器。如其夹持是弹性的，又称为弹性夹持限速器。
（1）刚性夹持甩块式限速器：如图1.3.3（a）所示。当轿厢下降时，限速器锤罩7在联动绳带动下，逆时针方向旋转。两个离心甩块3铰接在滑轮轴上的销轴2上，并通过连接片6相连使彼此保持平衡。当电梯超速下行时，限速轮被联动绳带动，转速加快，离心甩块3受到的离心力随之增大，离心甩块3绕轮轴4旋转，重心外移。当轿厢下降速度超过额定速度15%时，离心甩块的离心力增大到一定值时，离心甩块上的棘爪与限速器锤罩7上的棘齿相啮合，带动拨叉向着轿厢下降方向摆动。拨叉上的绳钳与限速器轮上绳槽内的限速钢丝绳相接触，随着限速器转动，使绳钳、限速器绳、限速器轮紧紧楔住。这时轿厢继续下降，限速器将安全钳拉杆提起，安全钳楔块将轿厢制停在导轨上。这种限速器适用于额定速度1m/s以下的电梯，配用瞬时式安全钳。
（2）弹性夹持式限速器：图1.3.3（b）所示是弹性夹持式限速器。当轿厢下行超过电梯额定速度5%～10%时，离心块5在离心力作用下，撞到开关打板碰铁13，开关打板14使电开关7动作，电开关触点6断开控制电路，曳引电动机失电停转，制动器线圈失电迫使抱闸动作，电梯制停。此时如果电梯已被制停或速度减缓，就不会引起安全钳动作。如果轿厢仍继续下行，当速度达115%额定速度时，限速器离心块5在离心力的作用下，碰撞夹绳打板碰铁16，夹绳打板10动作，使绳钳11在自重力作用下楔入限速器联动限速钢丝绳12。由于绳钳工作面的倾斜，在绳钳随绳移动的同时，将限速器绳楔在绳槽中。这时轿厢若仍继续下行，被楔住的钢丝绳将安全钳拉杆提起，迫使安全钳开关动作，再一次将安全控制电路切断。同时（或稍后）安全钳拉杆将安全钳楔块提升起来，将轿厢夹持在导轨上。这种限速器在电梯超速时，有两种工作状态，这样可减少安全钳的动作次数，而且动作可靠。使用这种限速器应配用渐进式安全钳。它适合用于速度大于1m/s以上的快、高速电梯上。图1.3.4为无机房远程监控限速器。它同样属于弹性夹持式限速器。

图1.3.3　甩块式限速器
（a）刚性夹持甩块式限速器
1-凸子　2-销轴　3-离心甩块　4-轮轴5-平衡弹簧　6-连接片　7-锤罩　8-偏心叉
（b）弹性夹持式限速器
1-调节螺母　2-绳钳弹簧　3-离心块弹簧4-限速轮　5-离心块　6-电开关触点　7-电开关　8-连杆　9-轮轴　10-夹绳打板　11-绳钳12-限速钢丝绳　13-开关打板碰铁　14-开关打板-拉簧-夹绳打板碰铁


图1.3.4　无机房远程监控限速器
（a）电磁式（b）机械拉线式
3.球形限速器　球形限速器同样基于离心力作用，图1.3.5所示为一种老型号球形限速器。当轿厢以常速下行时，限速绳12带动限速轮8转动，飞球3的离心力不足以使限速器开关14、前钳块9和后钳块10动作，轿厢以额定速度运行。当轿厢下行速度达额定速度的105%～110%时，飞球3产生的离心力通过滑套4和杠杆5向上提，使凸轮13偏转一个角度，造成限速器开关14动作，断开控制电路，迫使曳引机减速停转。如果限速器开关动作后，在惯性力作用下电梯速度仍在增加，当其速度增大到115%额定速度时，飞球的离心力使滑套4和杠杆5继续上提，前钳块9和后钳块10将限速器绳楔住，因后钳块有弹簧11支撑，故称这种限速器为弹性夹持式球形限速器。

图1.3.5　球形限速器
1-调节螺母　2-弹簧　3-飞球　4-滑套　5-杠杆6、7-伞齿轮　8-限速轮　9-前钳块　10-后钳块11-弹簧　12-限速绳　13-凸轮　14-限速器开关
球形限速器动作灵敏，可用于各种速度的电梯，配用渐进式安全钳。
4.限速器张紧装置　限速器张紧装置的作用是使限速器绳与绳轮有足够的摩擦力，以保证限速器轮与电梯同步运行。
限速器张紧装置由限速器绳、张绳轮、砣块、张紧架、断绳开关等组成。限速绳的一端与轿厢连接，并绕过限速轮绳槽，在底坑处穿绕张绳轮槽，首尾端接于轿厢安全钳传动杆上。如图1.3.1所示。限速绳由张绳轮和下面的配重砣块张紧，并保持一定张力。当轿厢运行时带动限速钢丝绳和限速轮、张紧轮同时转动，张紧轮下的配重装置上有导向装置，可使张紧装置跟随被张紧的钢丝绳上、下浮动，在导向装置的适当处装有开关以防限速器绳折断或绳被拉长使限速器失去作用。如图1.3.6所示。图1.3.7是限速器的另一种张紧装置。


图1.3.6　电梯常用限速器与张紧装置
（a）球形限速器（b）锤形限速器
1-限速器轮　2-底座　3-绳头组合　4-安全绳　5-配重框架　6-张紧轮　7-断绳开关8-配重砣块　9-安全钳传动杆连接点


图1.3.7　限速器的另一种张紧装置
（a）垂直砣张紧装置（b）水平砣张紧装置
1-导轨　2-张紧绳　3-张紧轮　4-张紧架5-断绳开关　6-砣块
5.限速器动作速度的选择
（1）限速器超速保护开关动作速度的选择：国标规定，在轿厢上行或下行的速度达到限速器动作速度之前，限速器或其他装置上的一个符合规定的电气安全装置应使电梯驱动主机停止运转。但是，对于额定速度不大于1m/s的电梯，此电气安全装置最迟可在限速器达到其动作速度时起作用，以便安全装置动作时，“电气优先”，即先断电后制停。
（2）配用渐进式安全钳的限速器动作速度的选择：操纵轿厢安全钳装置的限速器动作速度，因电梯的额定速度的不同而不同。对于额定速度小于或等于1.0m/s的电梯，其限速器最小动作速度为电梯额定速度的115%，其最大动作速度为1.5m/s；对于额定速度大于1.0m/s的电梯，限速器最小动作速度为电梯额定速度的115%，其最大动作速度应按下列公式计算：v≤1.25u+0.25/u（m/s），其中u为额定速度。
（3）设计专门的限速器：电梯额定速度较低且额定载重量大的电梯，应设计专门的限速器。
（4）控制对重安全钳和安全钳限速器动作速度：对重安全钳装置的限速器动作速度应大于安全钳装置的限速器动作速度，但不能大于10%。
在对电梯大修改造更换限速器时应注意和了解以上（3）、（4）两条。以上所指的限速器动作速度是指夹持钢丝绳时的电梯速度。
（5）限速器钢丝绳要具有足够的强度和耐磨性能：限速器动作时，对限速绳的作用力至少应为300N。限速器钢丝绳应有良好的柔韧性，其破断拉力应为操作安全钳所需拉力的8倍。国标规定，其公称直径不得小于6mm，一般选用直径为8mm的外粗式纤维芯钢丝绳。其安全系数应不小于8。为保护钢丝绳，要求限速器轮与钢丝绳公称直径之比应大于30，使限速器钢丝绳有足够的弯曲度。
钢丝绳与安全钳传动机构的连接一般用锥套牢固连接，绳头组合应完好无损。限速器绳距底坑距离：高速电梯为750mm±50mm；快速电梯为550mm±50mm；低速电梯为400mm±50mm。
1.3.1.3　超速保护系统中的执行元件——安全钳
安全钳是超速保护装置的重要动作器件之一，最好安装在轿厢下部。但是，如果对重或平衡重下部确实有人能够到达的空间存在，对重或平衡重上也需装设安全钳装置。
安全钳的种类多种多样，有瞬时动作式、渐进式和带有缓冲作用的瞬时动作式三种，如图1.3.8～图1.3.10所示。
1.瞬时动作式安全钳　瞬时动作式安全钳制动时会使轿厢产生较大的振动。这种安全钳一般都是上拉式操纵。动作时依靠自锁夹紧并随着轿厢的继续下降将轿厢轧在导轨上。这种安全钳多为双楔式，钳体固定在轿厢架底部，楔块置于导轨两侧。轿厢正常运行时，楔块与导轨之间应有2～3mm间隙，如图1.3.8所示。并且各楔块与导轨的间隙应趋于近似。瞬时式动作安全钳动作速度快，制动距离短，一般不超过30mm，故称为瞬时式安全钳。这种安全钳一般用于额定速度不大于0.63m/s的低速电梯上。


图1.3.8　瞬时动作式安全钳
1-导轨　2-安全钳座3-弹簧　4-楔块
2.渐进式安全钳　渐进式安全钳也称弹性滑动式安全钳。渐进式安全钳的钳座是弹性结构，能将制动力限制在一定范围内。渐进式安全钳的楔块或滚柱都有用以增加摩擦力的滚花。钳座与楔块之间增加了滚柱以减少动作时的摩擦力，使安全钳动作后容易复位。当楔块向上动作与滚柱产生摩擦，轿厢向下滑动一定距离后，被楔块、滚柱和塞铁卡在导轨上，如图1.3.9所示。这种安全钳也是上拉杆式操纵，制动元件有单面偏心式、单面滚柱式、双面偏心式、双面滚柱式、双面楔块式。偏心式和滚柱式多用于快速电梯，楔块式多用于高速电梯。当楔块与导轨相接触时，轿厢总重量进一步压缩弹簧而产生的最大制动力，可将轿厢迅速而平稳地制停在导轨上。当轿厢提升高度超过30m时，还应安装防跳器防止安全钳误动作。


图1.3.9　渐进式安全钳
1-导轨　2-拉杆　3-楔块　4-钳座　5-滚柱　6-弹簧　7-塞铁
3.带有缓冲作用的瞬时动作式安全钳　将液压缓冲器与瞬时动作式安全钳组装在一起使用，在轿厢下梁下端装一安全钳梁，梁上装瞬时动作式安全钳，轿厢下梁与安全钳梁用液压缓冲器相连。安全钳与缓冲器随轿厢移动。当轿厢超速时，限速器动作将安全钳拉杆提起，瞬时动作式安全钳起作用，将安全钳梁制停在导轨上，轿厢下行力将使液压缓冲器柱塞受压，使轿厢减速后停止运行。缓冲器的行程就是轿厢的制停距离。由于有缓冲作用，比单一瞬时动作式安全钳制停性能好。但是它的结构比较复杂，使用受到限制。如图1.3.10所示。


图1.3.10　带有缓冲作用的瞬时动作式安全钳
1.3.1.4　超速保护系统的安全技术要求
1.共同要求
（1）限速器、安全钳均为电梯的重要安全部件，应有各自的形式试验报告副本并存档备查。
（2）限速器、安全钳的选用应符合电梯额定速度的要求，安全钳的值应在国标允许范围内，否则将起不到安全作用。
（3）限速器与安全钳动作后，应由称职人员使电梯恢复使用。
（4）当限速器动作将限速器绳夹紧时，安全钳应能可靠地将轿厢制停在导轨上。紧急制停后的轿厢地板水平误差不超过5%。限速器轮的边缘部分应涂以黄色，并用红色箭头标明与安全钳动作相应的旋转方向。
2.限速器的安全要求
（1）限速器出厂时已调整好并加了封记的部件，维修和使用时不得随意启动和调整。
（2）钢丝绳与夹绳钳口之间应有5mm左右间距。限速器夹绳钳口应清洁，无油污。
（3）限速器绳应保持一定张力。绳不应有断裂、扭曲现象。
（4）断绳开关的位置应调整好，当张紧轮下降50mm时，应能断开安全回路。
（5）要定期做好限速器功能试验，当限速器达到限制速度时，应能将限速器绳夹持紧，电气安全装置动作应符合要求。
3.安全钳的安全要求
（1）安全钳钳口应保持清洁，无油污，应定期对安全钳做功能性试验。
（2）安全钳楔块与导轨间隙因电梯额定速度的不同或生产厂家的要求而不同，有的安全钳楔块中带有滚轮，出厂时已调整好，安装时不需再调整。但应检查其是否符合国标要求。
（3）安全钳装设位置各生产厂家有所不同，有的厂家设置在轿底下横梁处，有的厂家设置在轿顶侧，还有的设置在轿顶上横梁处。装在轿底的安全钳，其电气开关的复位是靠人为将轿厢提起来实现的，当安全钳开关动作后，维修人员应先将安全钳电路短接，然后使电梯以检修速度上升，可使安全钳机构与安全钳开关同时复位。
（4）在装有额定载重量的轿厢自由下落的情况下，渐进式安全钳装置制动时的平均减速度应为0.2～1m/s2。
1.3.1.5　限速器与安全钳的联动试验
1.试验条件
（1）瞬时式安全钳：轿厢应载有均匀分布的额定载荷。
（2）渐进式安全钳：轿厢应载有均匀分布的125%额定载荷。
（3）轿厢应处于检修运行状态。
（4）短接限速器开关。
（5）轿内无人，定期检验时轿厢应在空载下运行。
2.试验操作
（1）在机房操作平层运行慢速下行。
（2）人为使限速器动作，此时限速绳应被卡住，安全钳拉杆被提拉起来，安全钳开关和楔块也应动作，曳引机被制停。制动器失电制动，下行按钮不起作用。
（3）人为再短接安全钳开关，在机房操作下行。此时曳引钢丝绳应在曳引轮上打滑，验证轿厢已被制停在左导轨上；操作时动作应快，见到曳引绳打滑时立即停机。
（4）检查轿厢底的倾斜度应不大于5%。
（5）在已短接了限速器和安全钳开关基础上，在机房以检修速度将轿厢上提，限速器与安全钳应复位。
（6）限速器开关应手动复位，而安全钳开关则随轿厢提起后会自动复位或用手动复位。
（7）检查导轨受损情况，并及时予以修复，判定安全钳楔块间隙是否合适。
1.3.1.6　轿厢上行超速保护装置
轿厢上行超速保护装置是防止轿厢冲顶的安全保护措施，是对电梯安全保护装置的进一步完善。
1.在对重侧重于轿厢的状态下造成轿厢冲顶原因
（1）制动器电磁铁及其机构卡阻，造成制动器失灵、制动失效或制动力矩严重不足。
（2）曳引机蜗轮、蜗杆的齿、轴、键、销发生折断，造成曳引轮与制动器脱开。
（3）曳引绳槽磨损严重，造成曳引绳在曳引轮上打滑。
2.轿厢上行超速保护装置的装设　国标规定：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设计范围；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。而该装置动作时，应使电气安全装置动作，使控制电路失电，电动机停止运转，制动器制动。
（1）采用双向安全钳或上行安全钳来使轿厢制停或减速方式：该方式的限速器（图1.3.11）一般采用双向限速器进行速度监控。双向安全钳是上、下运行超速保护装置同用一套弹性元件和钳体，且上行制动力和下行制动力可以单独设定的安全钳，如图1.3.12所示。上行安全钳由于没有制动后轿厢地板倾斜不大于5%的要求，它可以成对配置，也可以单独配置。这种方式也是一种较为成熟的方式，是有齿曳引机较为理想的改造方案。


图1.3.11　双向限速器
1-底板　2-制动棘轮　3-上向压板　4-上向压杆　5-上向压紧弹簧　6-上向触杆　7-双向电气开关　8-双向开关拨架　9-绳轮　10-下向压紧弹簧　11-下向压杆　12-下向压块　13-下向触杆


图1.3.12　双向安全钳
1-安全钳壳体　2-轿厢侧梁　3-下向安全钳拉杆　4-下向楔块　5-上向楔块　6-上向拉杆　7-上向安全钳拉手
（2）对重限速器与安全钳：设在对重上的上行超速保护装置的限速器与安全钳系统与对重下方有人能达到的空间应设的限速器安全钳系数不同，它只要求将对重速度减到对重缓冲器能承受的设计范围内。安全钳可成对配置，也可单独配置。但是上行超速保护装置也必须有一个符合规定的电气安全装置，在限速器安全钳动作时动作，使制动器制动，电动机停转。
（3）采用钢丝绳制动器的方式：采用钢丝绳制动器方式俗称夹绳器。它一般安装在曳引轮和导向轮之间，通过夹持曳引钢丝绳使轿厢减速。如果电梯有补偿绳，夹绳器也可以作用在补偿绳上。夹绳器可以机械触发，也可以电触发。触发的信号均可用限速器上向机械动作或上向电气开关动作来实现。这种方式灵活，适合改造旧梯时使用。
（4）采用制动器方法：采用制动器方法一般只适用于无齿曳引机驱动电梯，而且制动器必须是安全型制动器，也就是符合GB7588—2003要求的制动器。它是将无齿曳引机制动器作为减速装置，减速信号一般由限速器的上行安全开关动作时实现电气触发的。这种方案是无齿曳引机最为理想的上行超速保护装置。
3.上行超速保护装置速度检测元件　上行超速保护装置的动作速度范围从电梯额定速度的115%至下向限速器动作速度的110%，比下向限速器的动作速度范围大。完全可以用限速器装置作为上行超速保护装置的速度检测元件。轿厢上行超速保护装置是安全部件，应根据国标要求进行检验。