解析电梯运行中补偿装置的原理与作用

黄奶秋

（福建省特种设备检验研究院宁德分院，福建宁德352100）

0 引言

随着科学技术的发展，城市建设日新月异，高层住宅拔地而起，电梯已成为高楼上下通行必备的“交通工具”。随着电梯的广泛应用，人们对电梯的安全性能、使用性能要求逐渐提高。作为电梯相关从业者，只有“走近电梯”，熟悉电梯的结构组成、掌握电梯的工作原理，才能提升电梯运行质量，确保乘客生命财产安全，提供更加优质的乘运环境。本文剖析了电梯补偿装置的工作原理，并通过数学理论推导，论证了其设置的重要性。

1 电梯补偿装置介绍

电梯在运行时，轿厢侧和对重侧的钢丝绳以及轿厢下随行电缆的长度在不断变化，为减少电梯运行过程中由于钢丝绳和随行电缆长度变化造成的曳引轮两侧的拉力差，提高曳引质量，在对重侧和轿厢侧下方安装一定规格的补偿装置[1]。为避免电梯运行时，补偿装置摆动与对重隔障、缓冲器固定支座等底坑设备产生撞击，一般在底坑设置导向组件。通常补偿装置有补偿链、补偿绳、补偿缆三种。因补偿链便于安装、调试，且能在电梯运行中保持良好的垂向，工作稳定，目前在电梯制造企业中被广泛采用。补偿链由多个金属链孔连接而成，为避免链之间摩擦撞击产生声音，通常在链外或内包裹穿连隔音材料。补偿链按照链包裹的方式可分为裹纤维补偿链、全塑补偿链、包塑补偿链、穿绳补偿链，优质的补偿链可使电梯运行安全平稳，达到静音舒适的效果。而劣质的补偿链常常产生下列问题：（1）电梯运行时抖动严重，造成轿厢振动、噪音大，使乘客乘坐体验大打折扣；（2）使用寿命短，柔韧性差，不耐寒，外裹层易开裂，开裂后剧烈晃动等；（3）强度差且不稳定，易造成断链事故。因此，补偿链选择与设置是电梯具备良好使用性能的重要因素。

2 补偿装置的工作原理

电梯轿厢在曳引机上曳引钢丝绳的牵引下，在井道内做垂直升降运动。曳引钢丝绳和随行电缆悬挂重量随着电梯在井道中运行高度的变化而发生变化，引起对重侧和轿厢侧曳引力的变化。要使电梯在运行任何时刻都处于平衡状态（轿厢处于可控状态），则必须保证曳引轮上的曳引力满足曳引条件[2]。

假设电梯轿厢位于井道的任意位置，轿厢离最高层平层位置的距离为X，电梯提升高度为H，则对重装置离最高层平层位置间的钢丝绳长度为H-X。当X=0时，表示电梯位于最高层位置，曳引钢丝绳的重量完全受重于对重侧，补偿装置重量受重于轿厢侧。轿厢重量为G，轿厢额定载重量为Q。当X=H时，表示轿厢位于最低层位置，曳引钢丝绳的重量完全受重于轿厢侧，补偿装置重量受重于对重侧。电梯悬挂补偿系统简图如图1所示。假设电梯轿厢的装载系数为m，对重平衡系数为k，分别表示曳引钢丝绳数量和单位长度重量，nc、gc分别表示补偿装置数量和单位长度重量，nt、gt分别表示电缆数量和单位长度重量，r表示电梯曳引比。

图1 电梯悬挂补偿系统简图

则曳引轮轿厢侧钢丝绳拉力T1为：

对重侧钢丝绳拉力T2为：

曳引钢丝绳拉力差为：

当轿厢位于最高层时，X=0，则曳引轮两侧拉力差为：

当轿厢位于最低层时，X=H，则曳引轮两侧拉力差为：

当电梯轿厢和对重下方未设置补偿装置时，则相应的式

（4）、（5）分别变为式（6）、（7）。

当轿厢位于最高层时：

当轿厢位于最低层时：

为确保轿厢在任何时刻都能满足曳引条件，则曳引轮上的曳引力应在下列情况下的任何时刻都能得到保证：（1）不正常运行；（2）在底层装载；（3）紧急制停的减速度。另外必须考虑到当轿厢在井道中不管由于何种原因而滞留时应允许钢丝绳在绳轮上滑移[3]。综合考虑各种最不利情况，可根据欧拉公式进行曳引力的计算：

式中，f为当量摩擦系数；α为钢丝绳在绳轮上的包角；T1为曳引轮重边拉力；T2为曳引轮轻边拉力。

式（8）适用于轿厢装载和紧急制动工况下的计算，式（9）适用于轿厢滞留工况下的计算。

若要满足曳引条件的曳引力，曳引机必须具备足够的制动力矩和启动力矩，确保曳引轮正常启制动。

曳引机制动力矩M为：

紧急制动状态下的负载转矩M负为：

式中，P为曳引机功率；n为转速；D为曳引轮上钢丝绳接触的节圆外径；η为曳引机传动效率。

3 补偿装置的作用

为了使电梯系统在上下运行过程中曳引钢丝绳上的拉力差的差值保持在一定小范围内，避免变化的拉力差的差值影响乘运质量，取轿厢位于最低层和最高层两种极限位置进行分析，令ΔT1=ΔT2，求得：

由式（12）易知，补偿装置的设置与电梯的提升高度、对重平衡系数无关，与电梯轿厢内的实时载重量也无关，它只与曳引钢丝绳、随行电缆的参数以及电梯的曳引比有关。

电梯轿厢与对重处于最大高度差时的两种工况如下：（1）轿厢满载下行至最低层站；（2）轿厢空载上行至最高层站。电梯轿厢处于紧急制动工况下，除了静态力的作用，还有动态力和阻尼力的作用（本文为便于计算，先予以忽略）。这两种工况对曳引条件要求最高，轿厢侧的钢丝绳与对重侧的钢丝绳上的拉力差达到最大值。

将式（13）代入式（8）中进行验证，发现当轿厢设置补偿链后T1/T2值变小，曳引条件比未设置补偿链的更容易满足欧拉公式。

将式（14）代入式（8）中进行验证，发现当轿厢设置补偿链后T1/T2值变小，曳引条件比未设置补偿链的更容易满足欧拉公式。

同理，分别进行该两种工况下的轿厢滞留状态曳引条件确认，通常轿厢设置补偿链后T1/T2也满足欧拉公式。

GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中详细规定了电梯在启动运行、制动停梯等状态下的运动速度特性，其中规定最大启、制动加减速度均不应大于1.5 m/s2[3]。GB/T 24478—2009《电梯曳引机》中对曳引机的额定制动力矩也作了相应规定，曳引机制动轮上的力矩必须满足规定[4]。对电梯正常启动运行时的4种工况进行分析：

（1）轿厢处于最低层处，且满载。由式（13）可知，当轿厢设置补偿装置后，T1-T2的值减小。

（2）轿厢处于最高层处，且空载。由式（14）可知，当轿厢设置补偿装置后，T1-T2的值也减小。由式（10）、（11）可得曳引机启动时提供力矩减小，启动功率降低。

（3）轿厢处于最低层处，且空载。当轿厢设置补偿装置后，忽略钢丝绳引起的拉力差，曳引机启动只需提供平衡对重拉力作用于曳引机的反向力矩，而该力矩小于第（1）种工况下的力矩。

（4）轿厢处于最高层处，且满载。设置补偿链后，尽管此时曳引机需提供大于第（2）种工况下的反向力矩。但该工况在日常电梯运行中频次较低。综上，结合日常电梯使用状态分布，设置电梯补偿装置后，一定程度上可降低曳引机的能耗。

除此之外，部分无机房曳引式电梯在救援时，当轿厢侧拉力与对重侧拉力相等轿厢处于平衡状态时，利用电梯补偿链、悬挂部分专用重块破坏静平衡，实施救援。

4 结语

尽管电梯补偿装置是电梯部件中简单的部分，但如果没有利用好该部件，轻则影响电梯乘运舒适感，重则引发电梯安全事故。只有正确安装电梯补偿装置，使用经设计计算的补偿装置，才能发挥它的作用。