涂层钢带式电梯的设计与改进

技术讨论

by 梁红亮

关键词： 涂层钢带 (CSB)、永磁 (PM) 电机、过牵引、磨损区、驱动轮直径

抽象

永磁电机的尺寸取决于其产生的最大扭矩；扭矩 = 驱动力 × 半径。为了最大限度地降低扭矩，从而降低制造成本，驱动轮的半径应尽可能小。传统上，驱动轮的直径基于钢丝绳的标准，该标准要求其至少为钢丝绳直径 (d) 的 40 倍。然而，牵引带——通常由聚氨酯外壳和钢丝拉绳组成——最初用于无机房电梯 (MRL)。它们被称为涂层钢带 (CSB)。虽然 CSB 内部的钢丝保持完好，但其外层护套不耐磨，导致与钢丝本身无关的故障。因此，传统的钢丝绳标准不适用于确定 CSB 电梯的驱动轮直径。CSB 的摩擦系数范围较广且不稳定，并且会随着时间的推移而增加。即使使用 80 毫米的驱动轮，这种摩擦力的增加也可能导致过牵引。然而，这种较小的滑轮直径会导致皮带快速磨损，显著缩短其使用寿命——对于提升高度超过30米、速度超过1.0米/秒的电梯，其使用寿命通常仅为五年左右。磨损与过度牵引之间的矛盾使得有必要对现有的CSB规范和标准进行审查和修订。必须开发先进技术来应对这些挑战，并且应优先考虑CSB的维修方法。

1。 背景

2024年6月，中国电梯自动扶梯协会秘书长张乐祥先生在领英上发表文章，表达了对中轴流电梯系统面临挑战的担忧。他提及2023年8月26日发生在长沙的一起严重的乘客“弹射”事故，并质疑这是否会成为中轴流电梯制造商的转折点。

他还指出，自2000年以来，钢丝绳牵引电梯（CSB电梯）因其节能和紧凑的设计而备受推崇，从而降低了制造成本。然而，近期推出的采用80毫米小型化曳引轮和10安培变频器的机型却存在严重的可靠性问题。报告显示，CSB电梯的使用寿命通常不足五年，远低于宣传的寿命。CSB电梯的更换成本是传统钢丝绳电梯的8到10倍。为了解决这些问题，中国国家市场监督管理总局（SAMR）现已要求电梯供应商保证CSB电梯15年（或3万次循环）的使用寿命，并对过早失效的CSB电梯提供免费更换服务。此外，CSB电梯也不适用于高速项目，因为过大的牵引力可能导致危险的减速，从而在紧急制动时造成乘客受伤的风险。对于高度超过30米或运行速度超过1.6米/秒的建筑物，这些挑战将更加严峻。

尽管存在这些问题，张先生认为CSB电梯可以通过完善的系统设计得到改进。然而，目前行业对成本削减的过度重视威胁到电梯的长期安全性和可靠性，可能给电梯公司和利益相关者带来灾难性后果。

2. 技术讨论

在笔者与张先生最近的一次讨论中，两位专业人士深入探讨了CSB电梯的技术难题，并指出了一些设计和运行方面的问题。笔者首先请求张先生提供一份关于CSB电梯使用寿命短的官方报告，并附上照片（图1至图5），以便笔者撰写相关文章。张先生承认CSB电梯的使用寿命普遍较短，通常只有三到五年，并强调了更广泛的问题，例如噪音、振动、轴承故障以及曳引轮和分流器之间的平行度偏差，这些问题都会加剧磨损和应力。

作者赞同张先生的观察，并提出了其他几点，例如D/d比为40以及牵引轮直径在80毫米至120毫米之间的不合理性。他将该系统的低效比作“小狗拉马车”，认为接触面积小、转速高是导致快速磨损的原因。作者强调了皮带的不对称载荷，这会使单条皮带承受过重负荷，并指出不均匀应力可能对皮带边缘造成影响。张先生进一步阐述了噪音、振动、轴承故障和皮带轮频繁缠绕等问题，这些问题会导致配重和车辆坠落等严重后果。他指出，解决这些挑战非常复杂，尤其是在牵引力过大的情况下。据张先生介绍，一些公司（例如B公司）采用特氟龙™涂层来降低牵引力，而A公司仅在16层以上的建筑物中使用补偿链。

读者平台反映的是作者的专业知识和观点，而不是出版商的观点。

对此，笔者对“牵引不足”而非“牵引过大”才是问题所在表示怀疑，但也承认从张先生那里学到了新的视角。张先生详细阐述了他1999年参与CSB电梯认证工作的经验，并澄清说，主要问题在于涂层钢带的护套损坏，而非钢丝本身。他强调了事实准确性的重要性，并引用了国家电梯测试中心开展的严谨研究，以反驳一些电梯制造商可能提出的批评。

讨论最后，笔者反思了在缺乏可靠实验数据的情况下，仅凭个人努力来证明技术理论的局限性。他感叹当前科学文献中重理论建构而轻现实的趋势，并强调了针对CSB提出切实可行的、基于证据的解决方案的必要性。

3. 调查和技术评估报告摘要^[1]

3.1 电梯详情

• 容量：800 公斤；额定速度：1.75 米/秒
• 绳索：2:1；悬挂：3 根 30 毫米 x 3 毫米（宽 x 厚）的绳子。
• 楼层/站点：27 层/27 站（-1 层、1 层至 26 层，1 层为主楼层）
• 标准补偿链：是（但最近已被移除）
• 车辆导轨中心至车底导流板中心的距离：200 毫米
• 由深圳市质量安全部门认证
  检验协会 2023年12月25日

3.2 总布置图（GA）

3.2.1 永磁电机特性

T=BLR2πRA= 2BA(πR²L) = 2BAV，其中 T = 总扭矩，B = 磁场强度，L = 磁场中导体的长度，R = 电机的等效半径，V = 电机体积（长度为 L 的截面）。由于扭矩与半径的平方成正比，因此在设计多级电阻电梯时，必须使用（扁平）永磁电机。

对于笔式永磁电机，D 的尺寸必须尽可能小，因此一些 MRL 电梯制造商必须使用皮带而非绳索来驱动轿厢和配重。当 MRL 电梯解决方案（图 1）用于机房上方（MRA）电梯（图 2）以最大限度地降低成本时，必须特别注意中高层建筑的“小型机房”电梯。简单地将 MRL 电梯的电机从井道移到机房来建造 MRA 电梯（图 2）是不可接受的，尤其是在高层住宅建筑中。

4. 事故分析

4.1 初始事件

可以看出，从24楼到4楼，电梯运行正常。

4.2 紧急停止

电梯轿厢从四楼和三楼继续向下运行至一楼；这就是为什么“轿厢内一楼按钮失灵”的原因。但轿厢并未停在一楼，因此门没有打开。随后，它悄无声息地向上倒退。最终，电梯轿厢突然停在了四楼和三楼之间，距离三楼门门槛上方1,465毫米处。

4.3 乘客被抛向空中

“乘客被向上抛出。”这种情况通常发生在电梯轿厢过度运行进入净空高度（或配重安全装置启动，但该电梯没有配重安全装置）时，导致配重撞击缓冲器，阻止轿厢继续向上运行。在本例中，由于配重断裂，轿厢向上的拉力突然消失，导致乘客被向上抛出，从而引起反弹（图 4）。

4.4 事故结论

从图16和图17可以看出，皮带上磨损严重的区域必定是电梯轿厢位于一层（主楼层）时皮带与驱动轮的接触面。主楼层是客流量最大的楼层，因此这些接触面经常承受上升加速和下降减速的阻力。该区域是每条皮带上最脆弱的区域。图5进一步证实了当轿厢停在三层和四层之间时，23层处的断裂区域也存在问题。

该电梯的载重为800公斤（10人）。轿厢内有三名乘客，这意味着CTW的重量大于轿厢重量加上乘客重量。当轿厢接近一层平台时，驱动轮与皮带之间的摩擦力突然减小或消失，导致其无法将轿厢固定在一层平台区域。轿厢被CTW向上拉动，但机器仍在向下运行。此时，皮带表面与驱动轮表面之间发生剧烈的滑动摩擦，并伴有大量热量，导致皮带表面严重烧毁（图8）。

当轿厢经过三楼，上升速度超过调速器限速（大于 1.15 x 1.75 米/秒 = 2.0125 米/秒）时，调速器的安全开关被触发（图 6），导致电梯机上的制动器接合（图 14a）。

因此，牵引轮停止向下旋转。此时，由于牵引轮与皮带之间的相对运动速度降低（图14b），摩擦系数从运行条件下小于0.176的滑动摩擦系数（如原始报告[1]第26页所述）急剧增加到车辆保持条件下的等效摩擦系数0.48（静摩擦系数）。但实际情况为“等效摩擦系数”，导致滑动摩擦（图14c）迅速恢复为静摩擦（图14d）。

静摩擦力的突然出现（摩擦系数为0.784，张称之为“过牵引”，这也证实了CSB的摩擦系数不稳定；使用时间越长，摩擦系数越大）同时发生。原本向下运动的CTW突然被一股巨大的力向上拉起。此时，这股突如其来的力导致向下运动的CTW解体断裂。CTW解体的原因是，该型电梯设计的最大载重为408 kg，最大额定速度为0.7 m/s。因此，轿厢加上三名乘客的重量突然超过了剩余CTW的重量。轿厢开始向下坠落。与此同时，调速器的机械棘爪锁定在向下方向（图7），安全装置启动，将轿厢停在了三层和四层之间。

根据 ChatGPT 的说法：电梯驱动轮（通常由铸铁或钢等材料制成）与钢丝绳之间的摩擦系数是电梯系统设计和运行的关键因素。通常，电梯驱动轮与钢丝绳之间的摩擦系数 (μ) 范围为：

• 干燥条件下：0.10 至 0.30
• 润滑状态：0.05 至 0.20*

冲量也可以看作是物体在受到合力作用时动量的变化。当质量恒定时，冲量可以用更简单的形式表示：J=F × Δt= m v2- m v1，其中，F 为所施加的合力，Δt 为冲量开始和结束的时间间隔，m 为物体的质量，v2 为物体在时间间隔结束时的速度，v1 为物体在时间间隔开始时的速度。

由于配重块解体破碎，导致车厢向上拉力突然消失，产生的反弹效应将乘客向上抛起。

4.4.1. CSB的摩擦系数

钢丝绳与铁质驱动轮之间的摩擦系数通常为0.15-0.3，且非常稳定；因此，垂直运输中通常采用金属与金属之间的摩擦力作为牵引力。但涂层钢带之间的摩擦系数不仅范围很广（0.176-0.784），而且使用时间越长，摩擦系数越大，这增加了过牵引的可能性。

4.4.2 永磁电机的有效转速范围

交流电机转速的基本公式为：RPM = 120*F/P。其中，F 为电源频率，单位为赫兹 (Hz)，P 为电机的极数。极数可根据设计从 2 个到 18 个甚至更多不等。电机的极数决定了其转速和扭矩特性。极数越多，转速越慢但扭矩越大；极数越少，转速越快但扭矩越小。对于这种笔式永磁电机，为了获得更高的转速，其极数必须为 2。

与交流感应电机不同，永磁电机没有额定转速；然而，由于欧洲国家以及亚洲、非洲和澳大利亚的许多地区使用 50 Hz，使其成为许多大型工业和商业应用的标准，因此永磁电机在 50 Hz 交流电源下的转速可以视为额定转速或参考转速：在这种情况下，转速（RPM）=120×50（Hz）/ 2=3000 RPM。

旋转体的功率可表示为 P = T，当转速超出有效范围时，功率输出为常数（图 15）。因此，永磁电机的有效范围（图 15 中的绿色区域）为额定转速的千分之一到十万分之一（频率低于 50 Hz），所以当驱动轮直径 D=80 mm 时，永磁电机满载运行时的最大有效转速为 3000 RPM × 100‰ = 300 RPM。

• 当升降机的额定速度为 0.7 米/秒，绳索传动比为 2:1 时，旋转速度 = (2× 0.7 米/秒 × 60 秒/分钟) / (0.08 米 × 3.14) = 334.39 转/分钟。
• 当电梯额定速度为 1.0 米/秒，钢丝绳传动比为 2:1 时，旋转速度为 477.70 转/分钟，是 300 转/分钟的 1.59 倍，属于低效速度。
• 当电梯额定速度为 1.75 米/秒，钢丝绳传动比为 2:1 时，旋转速度为 835.975 转/分钟，是 300 转/分钟的 2.78 倍，属于低效速度。

4.4.3. CSB磨损严重的区域

当轿厢降落在主楼层时，每条CSB皮带的严重磨损区域仅出现在皮带与驱动轮接触的特定区域（图16）。分流器的不平衡布置导致第一条皮带（通往轿厢底梁）承受不平衡的载荷，因此第一条皮带的磨损速度比其他皮带快得多（图17）。

5. 结论

与香肠型永磁电机相比，小型铅笔型永磁电机的工作原理就像“狗通过 4:1 滑轮装置拉马车”，其中驱动轮直径 D = 320 毫米，绳索直径 d = 8 毫米 (D/d/=40)，但是“狗必须跑得比马快四倍才能追上马”。

• 这台意外损坏的电梯额定载重800公斤，额定速度1.75米/秒，但实际速度只有1.25米/秒（图18），这与官网宣传册上的数据相差甚远。CSB的这款电梯最大载重408公斤，最高速度0.7米/秒，最多停靠8层，最大提升高度25米。
• 分流器的布置（图 12 和图 13）导致第一根皮带（连接到车门槛）承受不平衡的负载，因此第一根皮带的磨损速度会比其他皮带快得多（图 17）。
• 当皮带用于 MRA 电梯时，分流器应位于轿厢顶部，与 CTW 上的分流器类似（图 20）。
• 当曳引轮直径为 80 毫米时，CSB 型电梯不适用于速度超过 1 米/秒的情况。很可能其速度极限为 1.0 米/秒。

6. 作者注解

MRL电梯是永磁电机创新技术的产物。如今，永磁电机已取代交流齿轮电机或直流无齿轮电机，广泛应用于MRA电梯。CSB技术虽好，但也存在一些局限性：尤其需要注意电梯的最大载客量和运行速度。因​​此，作者在下文中提出以下几点说明：

• 这些小型笔式永磁电机并不比其他盘式永磁电机更节能。相反，当转速高于有效转速时，永磁电机转速越快，能效越低。
• CSB 与钢丝绳完全不同，钢丝绳的规范和标准不适用于 CSB。
• 当分流器位于车厢平台下方时，传送带应对称地布置在车厢导轨的两侧（图 3）。
• 由于严重磨损区域仅出现在每个 CSB 的特定区域（图 16 和图 17），CSB 电梯制造商应该开发快速维修套件来定期解决这个问题，就像修理车辆轮胎一样。
• CSB与驱动轮之间的摩擦系数非常不稳定（0.176-0.784），这会导致紧急制动时牵引力过大。然而，在CSB电梯机的制动器上加装防抱死制动系统（ABS）可能是一个可行的解决方案。
• 由于CSB（钢丝绳滑轮）过度牵引，即使驱动轮直径较小且CSB数量不足，CSB电梯仍能驱动轿厢和配重，其运载能力可达原设计运载能力的两倍。这导致钢丝绳对每个CSB外护套施加过大的压力，可能造成钢丝绳从CSB外部突出和缠绕（图1和图4）。因此，新的规范和标准也应解决这一问题。
• 针对上述解决方案，笔者建议CSB电梯的驱动轮直径采用以下规格：
• D80 毫米，适用于 0.7-1.0 米/秒的速度，最大上升高度为 25 米，无 ABS；
• D160 毫米，适用于 1.6-2.0 米/秒的速度，最大上升高度为 60 米，带 ABS；
• D240 毫米为最小直径，速度为 2.5-3.5 米/秒，最大上升高度为 120 米，汽车和 CTW 均独立配备 ABS 和安全齿轮。

7。 参考

[1] “8.26”事件调查报告和技术评估报告 中方锐志电梯故障伤人事故 社区，福荣区。

[2] PMSM驱动特性和约束曲线， uk.mathworks.com.

8。 承认

我谨向张乐祥先生致以特别的谢意和感谢，感谢他在撰写本文过程中给予的指导和帮助。

*据在2025年电梯大会（Elevcon 2025）上发表的论文《紧急停止时的高速绳索牵引》的作者之一Jaakko Kalliomäki先生所述：在一般应用中，动态（滑动）摩擦系数的可能最小值和最大值可以设定在0.075到0.2之间。但摩擦系数通常服从威布尔分布，因此实际值可能会更高或更低。当然，具体数值取决于应用情况，因此需要仔细考虑材料参数和环境条件等因素。