电梯结构原理与安全保护装置（一）--曳引系统
一、曳引驱动工作原理
曳引式电梯曳引驱动关系如图2—2所示。安装在机房的电动机与减速箱、制动器等组成曳引机，是曳引驱动的动力。曳引钢丝绳通过曳引轮一端连接轿厢，一端连接对重装置。为使井道中的轿厢与对重各自沿井道中导轨运行而不相蹭，曳引机上放置一导向轮使二者分开。轿厢与对重装置的重力使曳引钢丝绳压紧在曳引轮槽内产生摩擦力。这样，电动机转动带动曳引轮转动，驱动钢丝绳，拖动轿厢和对重作相对运动。即轿厢上升，对重下降；对重上升，轿厢下降。于是，轿厢在井道中沿导轨上、下往复运行，电梯执行垂直运送任务。
图2—2 电梯曳引传动系统
1—电动机；2—制动器；3—减速器；4—曳引绳；5—导向轮；6—绳头组合；7—轿厢；8—对重
轿厢与对重能作相对运动是靠曳引绳和曳引轮间的摩擦力来实现的。这种力就叫曳引力或驱动力。
运行中电梯轿厢的载荷和轿厢的位置以及运行方向都在变化。为使电梯在各种情况下都有足够的曳引力，国家标准GB 7588—1995《电梯制造与安装安全规范》规定：
曳引条件必须满足：T1／T2×C1×C2≤efα
式中：T1／T2——为载有125％额定载荷的轿厢位于最低层站及空轿厢位于最高层站的两种情况下，曳引轮两边的曳引绳较大静拉力与较小静拉力之比。
C1——与加速度、减速度及电梯特殊安装情况有关的系数，一般称为动力系数或加速系数。(C1＝
；g：重力加速度，a：轿厢制动减速度)。
C2——由于磨损导致曳引轮槽断面变化的影响系数(对半圆或切口槽：C2＝1，对V型槽：C2＝1．2)。
efα中，f为曳引绳在曳引槽中的当量摩擦系数，α为曳引绳在曳引导轮上的包角。efα称为曳引系数。它限定了T1／T2的比值，efα越大，则表明了T1／T2允许值和T1—T2允许值越大，也就表明电梯曳引能力越大。因此，一台电梯的曳引系数代表了该台电梯的曳引能力。
可以看出，曳引力与下述几个因素有关：
①轿厢与对重的重量平衡系数。
②曳引轮绳槽形状与曳引轮材料当量摩擦系数。
③曳引绳在曳引轮上的包角。
图2—3 曳引示意图
(一)平衡系数
由于曳引力是轿厢与对重的重力共同通过曳引绳作用于曳引轮绳槽上产生的，对重是曳引绳与曳引轮绳槽产生摩擦力的必要条件。有了它，就易于使轿厢重量与有效载荷的重量保持平衡，这样也可以在电梯运行时，降低传动装置功率消耗。因此对重又称平衡重，相对于轿厢悬挂在曳引轮的另一端，起到平衡轿厢重量的作用。
当轿厢侧重量与对重侧重量相等时，T1＝T2，若不考虑钢丝绳重量的变化，曳引机只需克服各种摩擦阻力就能轻松的运行。但实际上轿厢的重量随着货物(乘客)的变化而变化，因此固定的对重不可能在各种载荷下都完全平衡轿厢的重量。因此对重的轻重匹配将直接影响到曳引力和传动功率。
为使电梯满载和空载情况下，其负载转矩绝对值基本相等，国标规定平衡系数K=0．4～0．5，即对重平衡40％～50％额定载荷。故对重侧的总重量应等于轿厢自重加上0．4～0．5倍的额定载重量。此0．4～0．5即为平衡系数。
当K＝0．5时，电梯在半载时，其负载转矩为零。轿厢与对重完全平衡，电梯处于最佳工作状态。而电梯负载自空载(空载)至额定载荷(满载)之间变化时，反映在曳引轮上的转矩变化只有土50％，减少了能量消耗，降低了曳引机的负担。
(二)当量摩擦系数f与绳槽形状
曳引绳与曳引轮不同形状绳槽接触时，所产生的摩擦力是不同的，摩擦力越大则曳引力越大。从目前使用来看有几种：半圆槽、V型槽、半圆型带切口槽，如图2—4所示。
图2—4 曳引轮绳槽
半圆槽f最小，用于复绕式曳引轮。
V型轮f最大，并随着开口角的减小而增大，但同时磨损也增大，而对曳引绳磨损并卡绳。随着磨损会趋于半圆槽。
半圆切口槽f介于二者之间，而其基本不随磨损而变化，目前应用较广。
钢丝绳在绳槽内的润滑也直接影响摩擦系数，只可用绳内油芯的轻微润滑，不可在绳外涂润滑油，以免降低摩擦系数，造成打滑现象，降低曳引力。
(三)曳引绳在曳引轮上的包角
包角是指曳引钢丝绳经过绳槽内所接触的弧度，用。表示包角越大摩擦力越大，即曳引力也随之增大，提高了电梯的安全性。增大包角目前主要采用两种方法，一是采用2：1的曳引比，使包角增至180°。另一种是复绕式(为α1+α2)，如图2—5所示。
图2—5 复绕张力图
电梯曳引钢丝绳的绕绳方式主要取决于曳引条件，额定载重量和额定速度等因素。它有多种。这些绕法也可看成是不同传动方式，不同绕法就有不同的传动速比，也叫曳引比，它是由电梯运行时曳引轮节圆的线速度与轿厢运行速度之比。钢丝绳在曳引轮上绕的次数可分单绕和复绕，单绕时钢丝绳在曳引轮上只绕过一次，其包角小于或等于180°，而复绕时钢丝绳在曳引轮上绕过二次，其包角大于180°。
常用的绕法有：
(1)1：1绕法 曳引轮的线速度与轿厢升降速度之比为1：1如图2—6a所示。
(2)2：1绕法 曳引轮的线速度与轿厢升降速度之比为2：1如图2—6b所示。
(3)3：1绕法 曳引轮的线速度与轿厢升降速度之比为3：1如图2—6c所示。
图2—6 各种绕法示意图
二、曳引机
电梯曳引机是电梯的动力设备，又称电梯主机。功能早输送与传递动力使电梯运行。它由电动机、制动器、联轴器、减速箱、曳引轮、机架和导向轮及附属盘车手轮等组成。导向轮一般装在机架或机架下的承重梁上。盘车手轮有的固定在电机轴上，也有平时挂在附近墙上，使用时再套在电机轴上。
如果曳引机的电动机动力是通过减速箱传到曳引轮上的，称为有齿轮曳引机，一般用于2．5m／s以下的低中速电梯(图2—7a)。若电动机的动力不通过减速箱而直接传动到曳引轮上则称为无齿轮曳引机，一般用于2．5m／s以上的高速电梯和超高速电梯(图2—7b)。
图2—7a 有齿轮曳引机的结构图
1—减速器 2—曳引轮 3—制动器 4—电动机
图2—7b 无齿轮曳引机
1—底座 2—直流电动机 3—电磁制动器 4—制动器抱闸 5—曳引轮 6—支座
1．曳引电动机
电梯的曳引电动机有交流电动机和直流电动机，曳引电动机是驱动电梯上下运行的动力源。
电梯是典型的位能性负载。根据电梯的工作性质，电梯曳引电动机应具有以下特点：
(1)能频繁地起动和制动
电梯在运行中每小时起制动次数常超过100次，最高可达到每小时180～240次，因此，电梯专用电动机应能够频繁起、制动，其工作方式为断续周期性工作制。
(2)起动电流较小
在电梯用交流电动机的鼠笼式转子的设计与制造上，虽然仍采用低电阻系数材料制作导条，但是转子的短路环却用高电阻系数材料制作，使转子绕组电阻有所提高。这样，一方面降低了起动电流，使起动电流降为额定电流的2．5～3．5倍左右，从而增加了每小时允许的起动次数；另一方面，由于只是转子短路端环电阻较大，利于热量直接散发，综合效果使电动机的温升有所下降。而且保证了足够的起动转矩，一般为额定转矩的2．5倍左右。不过，与普通交流电动机相比，其机械特性硬度和效率有所下降，转差率也提高到0．1～0．2。机械特性变软，使调速范围增大，而且在堵转力矩下工作时，也不致烧毁电机。
(3)电动机运行噪声低
为了降低电动机运行噪声，采用滑动轴承。此外，适当加大定子铁芯的有效外径，并在定子铁芯冲片形状等方面均作合理处理，以减小磁通密度，从而降低电磁噪声。
曳引电动机的容量在初选和核算时，可用经验公式按静功率计算，即
式中P——电动机功率(kW)；
K——电梯平衡系数；
Q——电梯额定载重量(kg)；
V——电梯额定速度(m／s)；
η——机械传动总效率。
2．制动器
制动器对主动转轴起制动作用。能使工作中的电机停止运行。
它安苯在电动机与减速器之间，即在电动机轴与蜗轮轴相连的制动轮处(如是无齿轮曳引机制动器安装在电动机与曳引轮之间)。
(1)电梯上应用的制动器及基本要求
电梯采用的是机一电摩擦型常闭式制动器，如图2—8所示。所谓常闭式制动器，指机械不工作时制动器制动，机械运转时松闸。电梯制动时，依靠机械力的作用，使制动带与制动轮摩擦而产生制动力矩；电梯运行时，依靠电磁力使制动器松闸，因此又称电磁制动器。根据制动器产生电磁力的线圈工作电流，分为交流电磁制动器和直流电磁制动器。由于直流电磁制动器制动平稳，体积小，工作可靠，电梯多采用直流电磁制动器。因此这种制动器的全称是常闭式直流电磁制动器。
图2—8 电磁制动器
1—制动弹簧调节螺母；2—制动瓦块定位弹簧螺栓；3—制动瓦块定位螺栓；4—倒顺螺母；5—制动电磁铁；6—电磁铁芯；7—定位螺栓；8—制动臂；9—制动瓦块；10—制动衬料；11—制动轮；12—制动弹簧螺杆；13—手动松闸凸轮(缘)；14—制动弹簧
制动器是保证电梯安全运行的基本装置，对电梯制动器的要求是：能产生足够的制动力矩，而且制动力矩大小应与曳引机转向无关；制动时对曳引电动机的轴和减速箱的蜗杆轴不应产生附加载荷；当制动器松闸或制动时，要求平稳，而且能满足频繁起、制动的工作要求；制动器应有足够的刚性和强度；制动带有较高的耐磨性和耐热性；结构简单、紧凑、易于调整；应有人工松闸装置；噪声小。
制动器功能基本要求：
①当电梯动力电源失电或控制电路电源失电时，制动器能立即进行制动。
②当轿厢载有125％额定载荷并以额定速度运行时，制动器应能使曳引机停止运转。
③电梯正常运行时，制动器应在持续通电情况下保持松开状态；断开制动器的释放电路后，电梯应无附加延迟地被有效制动。
④切断制动器的电流，至少应用两个独立的电气装置来实现。电梯停止时，如果其中一个接触器的主触点未打开，最迟到下一次运行方向改变时，应防止电梯再运行。
⑤装有手动盘车手轮的电梯曳引机，应能用手松开制动器并需要一持续力去保持其松开状态。
(2)制动器的构造及其工作原理
制动器的外形图如图2—8所示。
制动器的工作原理：当电梯处于静止状态时，曳引电动机、电磁制动器的线圈中均无电流通过，这时因电磁铁芯间没有吸引力、制动瓦块在制动弹簧压力作用下，将制动轮抱紧，保证电机不旋转；当曳引电动机通电旋转的瞬间，制动电磁铁中的线圈同时通上电流，电磁铁芯迅速磁化吸合，带动制动臂使其制动弹簧受作用力，制动瓦块张开，与制动轮完全脱离，电梯得以运行；当电梯轿厢到达所需停站时，曳引电动机失电、制动电磁铁中的线圈也同时失电，电磁铁芯中的磁力迅速消失，铁芯在制动弹簧的作用下通过制动臂复位，使制动瓦块再次将制动轮抱住，电梯停止工作。
(3)常见电磁制动器的类型
①图2—8所示是一种常见的制动器。电磁铁的铁芯通过连接螺栓与制动臂铰接，松开螺栓上的锁紧螺母，转动铁芯，就能改变铁芯在线圈套中的位置，用寸：调整吸合后的铁芯底部间隙。
制动瓦用销轴铰接在制动臂上，瓦块上下等重，因此在制动臂上设有上、下顶定螺钉，松闸后瓦块的活动量由顶定螺钉调定。
制动弹簧的压缩量由连杆螺栓两端的螺母调节，在螺栓内侧设有挡块，用扳手将螺栓转动90°，挡块上的凸缘将制动臂向两侧顶开，可达到手松闸的目的。
这种制动器由于采用双弹簧，为保证两侧闸瓦对动轮的压力一致，应将压缩量调得一致。
②图2—9所示是另一种常见的卧式电磁制动器。闸瓦采用球面连接，因此无需设顶定螺钉；采用单条制动弹簧，调节方便。将弹簧螺栓转动90°，可达到松闸目的。
1—铁芯；2—锁紧螺母；3—限位螺钉；4—连接螺栓；5—碟形弹簧；6—偏斜套；7—制动弹簧
③图2—10所示的结构，将制动臂的铰点放在下面，弹簧置于上部，使压力的调整比较方便。由于铰点在下面，松闸时需将制动臂顶开，因此两块铁芯底部的顶杆均穿过对方，当
铁芯吸合时，顶杆向前运动，将制动臂顶开。
图2—10 单侧铰接式电磁制动器
1—制动弹簧；2—制动臂；3—调节螺栓；4—顶杆；5—线圈；6—左铁芯；7—右铁芯；8—顶杆；9—拉杆；10—调节螺栓；11—闸瓦；12—球面头；13—连接螺栓；14—制动带
这种结构的制动器，铁芯外侧端部制有凸缘，凸缘与端盖的间隙α，即为单侧角芯的吸合行程，当制动带在使用中磨损，松闸间隙过大时，只要放松调节螺栓，使间隙。减小，便能达到调整松闸间隙的目的。铁芯在吸合后的底部间隙是固定的，无需调整。
④图2—11所示为立式制动器。铁芯分为动铁芯和定铁芯，上部的是动铁芯。铁芯吸合时，动铁芯向下运动，顶杆推动转臂转动，将两侧制动臂推开而达到松闸目的。
图2—11 立式电磁制动器
1—制动弹簧；2—拉杆；3—螺钉；4—电磁铁座；5—线圈；6—动铁芯；7—罩盖；8—顶杆；9—制动臂；10—顶杆螺栓；11—转臂；12—球面头；13—连接螺钉；14—闸瓦；15—制动材料
⑤内胀式制动器(图2—12为外形立面示意图)
图2—12 内胀式制动器
3．减速器
减速器被用于有齿轮曳引机上。安装在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间。
减速器(箱)的种类及其特点
蜗杆减速器如图2—13所示。
图2—13 蜗杆蜗轮减速器(立面剖视图)
1—蜗杆；2—蜗轮；3—滚动轴承；4—输入轴；5—输出轴
蜗杆减速器是由带主动轴的蜗杆与安装在壳体轴承上带从动轴的蜗轮组成，其速比可在18～120范围内，蜗轮的齿数不少于30，其效率不如齿轮减速器，但其结构紧凑，外型尺寸不大。
蜗杆减速器特点：传动比大，噪音小、传动平稳，而且当由蜗轮传动蜗杆时，反效率低，有一定的自锁能力；可以增加电梯制动力矩，增加电梯停车时的安全性。
上面提到的蜗杆、蜗轮的传动比也称为减速比。
减速器工作时，蜗杆轴的转速与蜗轮轴的转速的比，称为减速器的减速比i减。由于蜗杆轴每转动一圈，蜗轮轴只转过蜗杆螺线数个齿，所以蜗杆减速器的减速比i减是由蜗轮的齿数Z轮与蜗杆的螺线数Z杆之比决定的：
i减＝Z轮／Z杆
例1：蜗杆螺线数(也称头数)为1，蜗轮的齿数为40。
那么其减速比i减＝40／1＝40：1
也就是说当蜗杆轴每转动一圈，蜗轮轴只转过1／40圈(周)，即蜗杆轴旋转40圈时，蜗轮轴才转过一圈(周)，因为蜗杆轴与电动机连在一起，这样就能把电动机的转速经过减速器后其转速显然地从快速减下变为慢速。
例2：蜗杆螺线数(头数)为2，蜗轮的齿数为64。
其减速比i减＝64／2＝32：1
即蜗杆轴每转一圈，而蜗轮轴只转1／32圈。
减速器中的蜗杆与蜗轮的啮合外形如图2—14所示。
图2—14 蜗杆与蜗轮啮合
1—杠杆；2—蜗轮
①在减速器内，凡蜗杆安装在蜗轮上面的称为蜗杆上置式。其特点是：减速箱内蜗杆、蜗轮齿的啮合面不易进入杂物，安装维修方便，但润滑性较差。
②在减速器内，凡蜗杆置于蜗轮下面的称为蜗杆下置式。其特点是：润滑性能好，但对减速器的密封要求高，否则很容易向外渗油。
③润滑油的加入量
减速器对蜗轮蜗杆采用浸浴润滑方式，即在箱内加入润滑油。
减速器注入的油量是关系到润滑是否正常的重要因素，一般对减速器注入的油量是：
当蜗杆在蜗轮下面时，注入减速器内的油，应保持在蜗杆中线以上，啮合面以下；当蜗杆在蜗轮上面时，蜗轮的浸入油的深度在两个齿高为宜。减速箱上均有油针或油镜，可用来检查注油量。对于油针，应使油面位于两条刻线之间，对于油镜，油应位于中线为宜。
4．联轴器
联轴器是连接曳引电动机轴与减速器蜗杆轴的装置，用以传递由一根轴延续到另一根轴上的扭矩，又是制动器装置的制动轮。在曳引电动机轴端与减速器蜗杆轴端的会合处。
电动机轴与减速器蜗杆轴是在同一轴线上，当电动机旋转时带动蜗杆轴也旋转，但是两者是两个不同的部件，需要用合适的方法把它们连接在同一轴线上，保持一定要求的同轴度。
(1)联轴器的种类
①刚性联轴器：
对于蜗杆轴采用滑动轴承的结构，一般采用刚性联轴器，因为此时轴与轴承的配合间隙较大，刚性联轴器有助于蜗杆轴的稳定转动。刚性联轴器要求两轴之间有高度的同心度，在连接后不同心度不应大于0．02mm，如图2—15所示。
图2—15 刚性联轴器
1—电动机轴；2—左半联轴器；3—右半联轴器；4—蜗杆轴；5—螺栓
②弹性联轴器：由于联轴器中的橡胶块在传递力矩时会发生弹性变形，从而能在一定范围内自动调节电动机轴与蜗杆轴之间的同轴度，因此允许安装时有较大的同心度(允差0．1mm)，使安装与维修方便，同时，弹性联轴器对传动中的振动具有减缓作用，如图2—16所示。
图2—16 弹性联轴器
1—电动机轴；2—左半联轴器；3—右半联轴器；4—橡胶块；5—键；6—蜗杆轴
5．曳引轮
曳引轮是曳引机上的绳轮，也称曳引绳轮或驱绳轮。是电梯传递曳引动力的装置，利用曳引钢丝绳与曳引轮缘上绳槽的摩擦力传递动力，装在减速器中的蜗轮轴上。如是无齿轮曳引机，装在制动器的旁侧，与电动机轴、制动器轴在同一轴线上。
(1)曳引轮的材料及结构要求
①材料及工艺要求：由于曳引轮要承受轿厢、载重量、对重等装置的全部动静载荷，因此要求曳引轮强度大、韧性好、耐磨损、耐冲击，所以在材料上多用QT60—2球墨铸铁。为了减少曳引钢丝绳在曳引轮绳槽内的磨损，除了选择合适的绳槽槽型外，对绳槽的工作表面的粗糙度、硬度应有合理的要求。
②曳引轮的直径：曳引轮的直径要大于钢丝绳直径的40倍。在实际中，一般都取45～55倍，有时还大于60倍。因为为了减小曳引机体积增大，减速器的减速比增大，因此其直径大小应适宜。
③曳引轮的构造型式：整体曳引轮分成两部分构成，中间为轮筒(鼓