錢嘉俊

上海三菱電梯有限公司 上海 200245

1 研究背景

緩沖器是電梯的重要安全部件,設(shè)置于電梯井道底坑內(nèi)轎廂和對重的下方,是電梯轎廂或?qū)χ匕l(fā)生意外沉底時的最后一道安全保障。根據(jù)現(xiàn)行標準GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》和國際上其它主流電梯標準要求,當(dāng)電梯額定速度不超過1 m/s時,可以配置線性蓄能型緩沖器[1-3],如圖1所示。線性蓄能型緩沖器因為結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用,被普遍應(yīng)用于低速載客電梯、載貨電梯和雜物電梯中。

圖1 線性蓄能型緩沖器

2 線性蓄能型緩沖器性能要求

根據(jù)GB 7588—2003要求,作為安全部件,電梯緩沖器必須經(jīng)國家批準機構(gòu)所進行的型式試驗證明合格,取得對應(yīng)的型式試驗證書后,方可用于電梯產(chǎn)品。參照TSG T7007—2016《電梯型式試驗規(guī)則》中與緩沖器相關(guān)的附錄N要求,線性蓄能型緩沖器的適用參數(shù)范圍和配置表中應(yīng)包括參數(shù)最大緩沖行程,見表1。規(guī)程特別指出,當(dāng)緩沖器的參數(shù)最大緩沖行程改變后,需要重新進行型式試驗[4]。

表1 線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表

在GB 7588—2003和TSG T7007—2016中都明確規(guī)定,對于線性蓄能型緩沖器,其適用的撞擊質(zhì)量范圍由型式試驗中實測的壓力壓縮行程載荷圖根據(jù)計算式得到:

Cr/4≤M≤Cr/2.5

(1)

式中:Cr為完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量,kg;M為緩沖器適用質(zhì)量范圍,kg。

用做轎廂側(cè)緩沖器時,范圍M應(yīng)覆蓋對應(yīng)電梯的轎廂質(zhì)量加上額定裝載質(zhì)量。用做對重側(cè)緩沖器時,范圍M應(yīng)覆蓋對應(yīng)電梯的對重質(zhì)量。

對于線性蓄能型緩沖器可能的總行程,GB 7588—2003中還有要求,應(yīng)至少等于對應(yīng)于115%額定速度的重力制停距離的兩倍,且無論如何,此行程不得短于65 mm。完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr對應(yīng)的彈簧壓縮量FL為:

(2)

式中:k為線性蓄能型緩沖器彈簧剛度,N/mm;v為電梯額定速度,m/s;g為標準重力加速度,g=9.81 m/s2。

對式(2)進行簡化,結(jié)合GB 7588—2003對線性蓄能型緩沖器的使用限制條件,可以得到緩沖器適用電梯額定速度與對應(yīng)完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr時的緩沖器壓縮量之間的關(guān)系為:

(3)

聯(lián)立式(1)和式(3),可以確定線性蓄能型緩沖器兩個最主要的工作參數(shù)——適用質(zhì)量范圍與額定速度。

3 最大緩沖行程參數(shù)問題

由于TSG T7007—2016中未明確線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中最大緩沖行程的定義,按照目前的通常理解,業(yè)內(nèi)習(xí)慣將配置表中的最大緩沖行程簡單等效為型式試驗中實測的完全壓縮緩沖器所需要質(zhì)量Cr對應(yīng)的緩沖器總壓縮量FL。

隨著TSG T7007—2016的廣泛實施,如將線性蓄能型沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程簡單認為就是型式試驗中實測Cr所對應(yīng)的緩沖器總壓縮量FL,則可能會在首次型式試驗數(shù)年后所要求進行的緩沖器一致性核查中引起問題,即驗證試驗中得到的完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr與首次型式試驗結(jié)果存在偏差,根據(jù)式(1)計算會直接影響到緩沖器的適用質(zhì)量范圍。

由于電梯用線性蓄能型緩沖器需承受的撞擊質(zhì)量較大,因此普遍采用熱卷工藝進行制造。根據(jù)GB/T 23934—2015《熱卷圓柱螺旋壓縮彈簧 技術(shù)要求》規(guī)定,標準情況下熱卷彈簧的剛度極限偏差為±10%,對精度有特殊要求的彈簧可選±5%[5]。

為了能夠承受大載荷的撞擊,電梯用緩沖器一般都選用直徑超過20 mm的彈簧鋼盤條進行制作,熱卷成形后還需要經(jīng)過淬火和回火工藝。由于彈簧線徑尺寸本身存在偏差[6],以及不可避免地在后熱處理工藝中存在不均勻性,因此若根據(jù)上述特殊精度要求將彈簧剛度控制在±5%以內(nèi)判定線性蓄能型緩沖器是否合格,則廢品率會非常高,批量生產(chǎn)基本沒有可行性。可見,對于電梯用線性蓄能型緩沖器,由于結(jié)構(gòu)尺寸的特點,在現(xiàn)行工藝條件下彈簧的剛度極限偏差要求控制在±10%是最為可能實現(xiàn)的[7-8]。

TSG T7007—2016在2018年1月開始正式實施,其中明確要求,對于首次型式試驗合格的線性蓄能型緩沖器,型式試驗機構(gòu)應(yīng)在之后每兩年或四年進行一次一致性核查,年限由制造廠家的生產(chǎn)使用屬性決定,核查樣品由型式試驗機構(gòu)在制造廠家自檢合格的產(chǎn)品中隨機抽取。

表2中,線性蓄能型緩沖器的彈簧理論剛度為k,總壓縮量為FL,首次型式試驗中對應(yīng)總壓縮量FL的完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量為Cr,通過式(1)可以得到緩沖器適用質(zhì)量M的范圍為0.25Cr～0.4Cr。

表2 彈簧剛度偏差對適用質(zhì)量范圍影響

按照前述通常理解,習(xí)慣將線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程等效為上述總壓縮量FL,那么即使僅考慮前述緩沖器制造過程中不可避免的剛度偏差,且不考慮在型式試驗過程中因壓力和溫度傳感器所造成的測量偏差[9],一致性核查時根據(jù)線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程實測,并通過計算得到緩沖器適用質(zhì)量范圍,也會受到隨機抽取樣品彈簧剛度偏差的顯著影響。表2中,當(dāng)彈簧剛度控制在±5%的情況下,型式試驗機構(gòu)根據(jù)線性蓄能型緩沖器參數(shù)配置表中的最大緩沖行程對應(yīng)總壓縮量FL,實測得到完全壓縮緩沖器所需質(zhì)量Cr可能隨機分布在0.95Cr～1.05Cr范圍內(nèi)[10],根據(jù)式(1)可以求得上述分布對應(yīng)的線性蓄能型緩沖器適用質(zhì)量M的范圍交集為0.262 5Cr～0.38Cr,相比首次型式試驗中的適用質(zhì)量范圍0.25Cr～0.4Cr減小了21.7%,這樣才可以保證被抽樣緩沖器通過一致性核查。同理,當(dāng)彈簧剛度控制在±10%的情況下,線性蓄能型緩沖器適用質(zhì)量范圍相比理想范圍需要減小43.3%,才可以保證被抽樣緩沖器通過一致性核查。顯而易見,一致性核查中因彈簧剛度偏差原因造成實測得到的適用質(zhì)量范圍相比理想范圍大幅減小,必然對線性蓄能型緩沖器的適用性造成很大限制。

4 改進方法

表3中,當(dāng)線性蓄能型緩沖器的彈簧存在±10%剛度偏差的情況下,對應(yīng)前述完全壓縮緩沖器所需要質(zhì)量Cr時的彈簧實際壓縮量應(yīng)在0.91FL～1.11FL之間。如果該壓縮量范圍小于緩沖器的最大許用壓縮量,同時也滿足式(2)所規(guī)定的適用電梯額定速度對應(yīng)的線性蓄能型緩沖器最小壓縮行程要求,那么緩沖器理應(yīng)被視作滿足基本性能要求。

表3 Cr=4 000 kg時壓縮量

因此,對于線性蓄能型緩沖器,即使考慮±10%的剛度偏差,其在型式試驗中對應(yīng)完全壓縮緩沖器所需要質(zhì)量Cr時的壓縮量在0.91FL～1.11FL范圍內(nèi),也都完全滿足國家標準、型式試驗規(guī)則和彈簧本身許用要求。同時,在滿足以上要求的前提下,只要能保證選取的彈簧壓縮量所對應(yīng)需要的質(zhì)量達到Cr值,那么該線性蓄能型緩沖器就能夠達到所設(shè)計的適用質(zhì)量M的范圍0.25Cr～0.4Cr。

通過以上分析可知,如將實際試驗時彈簧的總壓縮量FL直接作為線性蓄能型緩沖器型式試驗證書配置表中的最大緩沖行程,那么在之后的一致性核查時,彈簧制造剛度偏差就會對緩沖器的適用質(zhì)量范圍造成很大影響。而如表3所示,即使線性蓄能型緩沖器的彈簧存在±10%的剛度偏差,在壓縮量0.91FL～1.11FL范圍內(nèi),實際也都能滿足相關(guān)標準和技術(shù)要求。可見,在一致性核查中使用配置表內(nèi)最大緩沖行程參數(shù)對緩沖器的技術(shù)性能指標進行限制并無實際意義。

以下通過實例進行說明。假設(shè)現(xiàn)有一款電梯用線性蓄能型緩沖器,緩沖器的彈簧理論剛度為253 N/mm,最大許用壓縮量為180 mm,緩沖器適用于額定速度1 m/s的電梯,設(shè)計時的理想適用質(zhì)量M的范圍為1 000 kg～1 600 kg。根據(jù)式(1)可以得到完全壓縮緩沖器所需要的質(zhì)量Cr為4 000 kg,在理論剛度情況下根據(jù)式(2)得到對應(yīng)Cr的彈簧總壓縮量FL為155 mm。如表4所示,型式試驗申請單位可以根據(jù)線性蓄能型緩沖器的實際適用質(zhì)量范圍需要,申請對同一緩沖器進行兩次總壓縮量FL不同的型式試驗。即使存在無法避免的彈簧制造剛度偏差,通過兩次實際壓縮量不同的型式試驗也能夠使同一緩沖器的適用質(zhì)量范圍完全覆蓋根據(jù)理論剛度值計算確定的預(yù)期適用質(zhì)量范圍。

表4 線性蓄能型緩沖器型式試驗應(yīng)對方案

上述實例分析中,考慮線性蓄能型緩沖器彈簧在制造過程中不可避免地存在±10%的剛度極限偏差影響,其制造圖紙和相關(guān)檢驗要求應(yīng)明確彈簧壓縮達到設(shè)計載荷對應(yīng)Cr為4 000 kg時的壓縮量范圍必須在140.9～172.2 mm之間。該線性蓄能型緩沖器型式試驗證書配置表中的最大緩沖行程可規(guī)定為172.2 mm。相應(yīng)在該緩沖器型式試驗及一致性核查中,對應(yīng)Cr為4 000 kg時實測的彈簧壓縮量根據(jù)式(2)計算,只要不小于標準所要求的最小值135 mm,同時不超過配置表中的最大緩沖行程172.2 mm,都應(yīng)被認定為型式試驗或之后的一致性核查合格。

5 結(jié)論

綜上所述,線性蓄能型緩沖器型式試驗證書配置表中的參數(shù)是用來限定緩沖器幾何特性和物理特性的,用以確保實際生產(chǎn)制品與型式試驗樣品的一致性。將其中的最大緩沖行程簡單定義為型式試驗中的總壓縮量FL,既無法對緩沖器增加額外的技術(shù)性能限制,又會徒勞地增加為了達到預(yù)期適用質(zhì)量范圍所需進行的型式試驗次數(shù)。所以,對于線性蓄能型緩沖器型式試驗證書配置表中的最大緩沖行程,最合理的解釋應(yīng)是線性蓄能型緩沖器在工作范圍內(nèi)所允許的最大壓縮量,即考慮制造公差情況后給出的緩沖器最大許用壓縮量。