MRL 中的手动释放制动器及其挑战

一项关键的安全任务

拉克什马南·拉贾

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手动释放制动器被认为是最安全的任务，因为在电梯正常运行期间，只有在确保安全电路正常后制动器才会通电打开。^* 和门电路^# 关闭并且电机通电。 因此，通过直接释放制动器，我们超越了许多安全控制并承担了巨大的责任。 这应该是电梯人员在紧急救援情况下执行的最后手段。 当乘客因停电而被困在电梯内时，就会出现紧急情况，因为建筑物内没有备用电源或无法工作。 乘客还可能因驱动器故障、电机故障或其他运动控制故障等控制故障而被困，这些故障需要更长的时间来排除故障和维修。 在这种情况下，手动松开刹车来营救乘客是唯一的选择。 出于测试目的，还需要手动释放制动器。 由于此制动释放操作涉及高风险，因此用于执行此任务的功能应经过精心设计、安装和维护。 不幸的是，这些手动制动释放装置并不经常使用，而且通常被忽视。 本文对这些设备及其功能进行了一些介绍，并强调了需要考虑的挑战。 

有一些例外。

^#根据 A17.1，2016-2.12.3.1。 门电路可能会被其他控制电路绕过。 示例：轿厢调平或卡车分区装置 (2.26.1.6)、井道入口开关 (2.12.7)、通过使用井道/轿门旁路开关 (2.16.1.5) 或在提前开门功能期间。

^*根据 A17.1, 2016-2.7.6.5.2 (h) — 着陆检查操作开关应绕过以下开关：轿厢安全机构开关、轿厢缓冲开关、最终终端停止以及轿厢和对重调速器开关。

有机房电梯

对于有机房电梯，电梯工作人员在救援和试运行时，可以站在曳引机附近，使用提供的制动释放工具手动释放制动，观察轿厢速度并控制轿厢运动。 由于轿厢与对重之间的不平衡，松开制动器会导致轿厢向上或向下加速。 授权的电梯机械师必须反复释放和施加制动器来控制轿厢的运动并将其停在解锁区域内。 

现场行业惯例是在吊绳上做标记以识别楼层高度。 执行救援操作的人员将通过观察该标记将汽车停在大约与地面水平的位置。 之后，他可以下到相应楼层打开电梯门，让被困乘客安全退出电梯轿厢。 

因此，打开制动器的人必须非常细心和熟练，以正确的间隔打开和关闭制动器。 如果制动器长时间打开，汽车将达到危险的速度^@再次踩刹车时，可能会因汽车突然停止而对车内人员造成严重伤害。

^@在曳引机中可以避免这种情况，曳引机使用具有动态制动功能的永磁同步电机 (PMSM)。

无机房电梯 

1996 年 MRL 电梯的推出以及 ASME A17.1S-2005 补充版中包含此类安排带来了优势和挑战。 MRL的重要挑战是曳引机位于井道内：在执行救援操作时很难近距离观察曳引机的轿厢速度、方向、大概速度以及轿厢到达开门区域。 因此，该规范包含了 MRL 的所有要求。

代码要求

我在表17.1中列出了与MRL相关的A2016-1规则，特别是关于手动释放和救援操作（以及我的解释）。为了获得准确的信息，读者应该参考A17.1规范书和相关手册。

规则	作者解读
2.7.6.2	允许机器空间和控制空间位于井道内部或外部。
2.7.6.3.1	允许电动驱动机器位于机器处所或机房内。
2.7.6.4	由于机器和制动器允许位于井道内，因此规则 2.7.6.4 和规则 2.7.6.4.1 至 2.7.6.4.3 规定了进行测试所需的手段的要求，这需要轿厢的移动和制动器的释放应在井道外进行。 它还允许电梯工作人员使用这些手段来救援乘客。
2.7.6.4.1	当电梯工作人员在井道外无法直接观察电梯驱动轮或绳索的位置进行必要的测试或救援时，规则 2.7.6.4.1 要求应提供显示装置或等效设备来传达诸如电梯轿厢的运动方向、电梯轿厢的速度以及电梯轿厢到达解锁区域。 当正常电源出现故障时，这些显示装置应能工作至少 4 小时。 如果电池用于此目的，则应监控其电量。 轿厢在层站正常停车后，如果电池电量不足，不得重新启动。
2.7.6.4.2	允许测试所需的装置位于符合 2.7.6.5.2 要求的检查和测试面板内。 以防止未经授权的访问。 根据 2.7.6.5.2，检查和测试面板应保持关闭和锁定。 关键应为第 1 组安全，涵盖仅限电梯人员进入或操作的设备。 检查和测试面板应包括 2.7.6.4.1 要求的显示装置。
2.7.6.4.3	从井道外移动轿厢的装置应符合以下规定： 不应依赖于正常电源的可用性，并且应仅可由电梯人员使用。 它应允许汽车仅在持续努力的情况下才能移动。 如果手动移动轿厢，则沿负载不平衡方向移动轿厢所需的作用力不得超过 400 N (90 lbf)。 如果使用的装置是可拆卸的，则应将其存放在井道外，并且应使用 1 级安全钥匙来访问该装置。 应适当标记以表明其适用的机器。 如果移动轿厢所需的人力超过 400 N (90 lbf)，则应提供电动操作装置以允许移动轿厢。 这种电动操作方式应要求操作装置上有恒定的压力来移动轿厢，并且当启动时，应防止通过所有其他操作方式操作轿厢。 单个恒压运行装置发生故障，电梯不得运行或继续运行。 如果使用电池进行电气操作，则应提供监控系统。 在轿厢正常运行期间，如果监控系统显示电力不足以移动轿厢，则不允许轿厢在层站正常停止后重新启动。
2.24.8.4	允许手动释放驱动机器制动器。 然而，汽车的移动应该是渐进的、可控的。 手动释放装置应设计为只能通过持续努力手动操作。 已采取措施防止这些设备意外启动。 在没有手动施力的情况下，制动器应以其完全调整的能力重新施加。 手动释放装置使用时，允许暂时解除轿厢超速保护或轿厢意外移动保护装置。
2.26.8.1	除非 2.7.6.4.3 允许，否则在驱动机电机通电之前，驱动机制动器不得电动释放。

电梯行业中使用的大多数手动制动器释放装置都基于机械或电气技术。 两者都有优势和挑战。 

机械方式

这种手动制动器释放装置包括放置在检查和测试面板上的枢转杆，通过制动器释放电缆（鲍登电缆）连接到位于井道内的驱动机器制动器。 释放缆线由细的多股钢丝绳组成，穿过柔性导管状外壳，类似于自行车中用于释放制动器的缆线。 外壳由用于减少摩擦的内衬/管道、缠绕在螺旋结构（如弹簧）中的不可压缩钢丝层和保护性外护套组成，如图 1 所示。 

除此之外，还将有显示装置来指示汽车的行驶方向、速度以及汽车是否在车门解锁区域。 当正常电源出现故障时，这些显示设备需要至少工作4小时。 这是停电期间救援行动所需要的。 如果使用电池，则应对其电量进行监控，在层站正常停车后，如果发现电池电量不足，则不允许车辆重新启动。 

在救援操作期间，当从井道外部移动杠杆时，电缆的内部钢丝绳在导管的管道上滑动并拉动位于曳引机处的制动释放器，从而打开制动器。 这就是机械能通过柔性路径传递的方式。 然而，灵活性并不是没有摩擦的，而且 is 摩擦力，这取决于电缆的铺设方式。 图 2 显示了具有用于释放制动器的机械装置的类似 MRL 装置。 

如果电缆敷设时有很多弯曲，那么其能量传输效率就会降低。 它由绞盘方程控制： e^μθ=弯曲前后电缆上的拉力之比

其中 µ 是摩擦系数，θ 是弯曲所对的角度（以弧度表示）。 如果有多个弯曲，则将它们的角度相加。 图 3 和随后的分析显示了这种关系是如何得出的。 

考虑到通过移动检查和测试面板上的杠杆来手动打开制动器的情况，它对释放制动拉索内部的绳索产生拉力，并且即将向左移动。 取电缆的弯曲部分（圆弧MN）供我们分析研究。 让： 

• T₂ 是杠杆侧的张力
• T₁ 是制动器侧的张力
• θ 是圆弧 MN 所对的角度

现在考虑弯曲部分的圆弧 MN 内的一个小线段 PQ，它在平衡条件下对着一个角度 Δθ，并让： 

• T + ΔT 为杠杆侧的张力
• T 是制动器侧的张力
• ΔN 是作用在这个小段上的法向力
• µΔN 为摩擦力，
• 由于线段 PQ 对着角度 Δθ，因此它被 ∠A 和 ∠C 等分： ∠A=∠C= Δθ/2
• 考虑图 3A 中的两个三角形 OPB 和 OGA。
• ∠G=90°   
• ∠P=90°，因为 P 位于切线与半径的交点处。
• ∠O 在两个三角形中具有相同的值，因为它是对角。
• 两个三角形中的两个角具有相同的值。 因此，第三角∠B=∠A。  
• 同理∠C=∠D。
• 因此 ∠A=∠B= ∠C=∠D= Δθ/2

现在水平分解力并将其总和为零，因为绳索即将移动并且系统处于平衡状态。

以同样的方式，垂直分解力并将其总和为零：

现在将我们从方程 2 中找到的 ΔN 值代入方程 1： 

将所有项除以 Δθ：

将第二项的分子和分母除以数字 2： 

重新排列第二项，我们得到： 

如果我们现在让 Δθ 趋近于零，则： 

它将产生以下微分方程：

对于所考虑的电缆小段 PQ，我们得到的关系为 dT/T=μdθ。 

为了评估完全弯曲部分 MN，我们将方程的左侧与从 T1 到 T2 的张力以及右侧从角度 0 到 θ 的张力进行积分。  

积分后我们得到：

通过两边取指数，我们有：

拉力的比率随着摩擦系数和制动释放拉索弯曲所夹的累积角度呈指数增加。

注：推导出来的方程是Euler-Eytelwein方程，它只不过是牵引方程。 在牵引应用中，我们提高摩擦系数 µ 通过在驱动绳轮上使用不同的凹槽轮廓并通过增加包角θ来保持力。 然而，在制动释放应用中，我们需要较小的摩擦系数和包角（匝数所对的角度），这与牵引应用相反。

从公式 3 中，我们了解到，每当制动释放拉索弯曲时，所施加的输入力就会减少一个因子 e^μθ.

• µ 是摩擦系数，取决于制造电缆所用的材料。 

• θ 是圈数所对的累积角度（以弧度表示）。 在现场安装期间必须控制该角度。

累计弯曲角度	摩擦系数
	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6
0.5π	0.7304022	0.6242277	0.5334873	0.4559373	0.3896603
π——半圈	0.5334873	0.3896603	0.2846087	0.2078788	0.1518351
1.5π	0.3896603	0.2432368	0.1518351	0.0947797	0.0591641
2π – 单匝	0.2846087	0.1518351	0.0810021	0.0432136	0.0230539
2.5π	0.2078788	0.0947797	0.0432136	0.0197027	0.0089832
3π	0.1518351	0.0591641	0.0230539	0.0089832	0.0035004
3.5π	0.1109007	0.0369319	0.012299	0.0040958	0.001364
4π – 两圈	0.0810021	0.0230539	0.0065613	0.0018674	0.0005315
4.5π	0.0591641	0.0143909	0.0035004	0.0008514	0.0002071
5π	0.0432136	0.0089832	0.0018674	0.0003882	8.07E-05
5.5π	0.0315633	0.0056076	0.0009962	0.000177	3.144E-05
6π – 三圈	0.0230539	0.0035004	0.0005315	8.07E-05	1.225E-05
	效率值随着累积弯曲角度和摩擦系数的增加而降低

不同摩擦系数和累积弯曲角度下制动拉索的理论效率如图 4 所示，相应的数据点在表 2 中给出。从图中我们可以看出，制动拉索效率随着摩擦系数和累积弯曲角度增加。  

手动释放制动器时，电梯人员在操纵杆侧施力。 这会将制动释放拉索的内部钢丝绳移向控制杆并打开制动器。 一旦该力撤去，制动器将开始关闭，并且在关闭时，它将向制动器侧拉回内部钢丝绳。 绞盘效应适用于这两种情况，从而防止内部钢丝绳的移动。 下面的例子清楚地说明了这一点。

计费示例： 考虑到图5，所使用的制动拉索的摩擦系数为0.2。 制动器所需的释放力为200N。 

案例1

从图 5 观察到的制动释放拉索所对的累积角度的计算公式为 π/2+ π/2+2π=3π。  

电梯人员在井道外的杠杆上施加的用于打开制动器的力 = 200 NX e^0.2×3π = 1317 N。 （注：可以使用长杠杆/延长杆来减小该力。此处不考虑此类物品的机械优势。）  

案例2

从图 5 观察到的制动释放拉索所对的累积角度计算公式为 π/2+π/2=π。 

电梯人员对位于井道外的制动释放杆施加的力 = 200 NX e^0.2×π = 374 N。

该示例清楚地表明了正确铺设制动释放拉索的重要性。 累积弯曲角度必须尽可能减小。 案例1中仅增加一整圈，打开制动器所需的力就增加了四倍，这就是该因素的影响 e^μθ.

现在考虑一种情况，电梯人员撤回力，制动器开始关闭。 制动器对内钢丝绳施加200N的拉力，内钢丝绳开始向制动器侧移动。 假设制动释放杆或内部钢丝绳的末端存在一些摩擦/负载问题，并且它施加一些残余保持力。 让我们计算一下杠杆侧存在多少残余力可能会阻止制动器关闭并损害制动器的有效性。 令残余力为F_剩余的.

对于情况 1，30 N 的小力就能够阻止内部钢丝绳的移动，从而阻止制动器完全关闭。 如果杠杆侧的残余力为 15 N，则可能会部分影响制动操作。 对于情况 2，由于弯道较少，因此需要 107 N 才能完全影响制动操作。 情况 2 具有更高的抗扰度，因为电缆敷设时弯曲较少。 

鲍登缆内钢丝绳在两个方向上的运动受到绞盘效应的限制。 规范不允许这样做，因为规范要求在没有手动作用力的情况下，制动器应以其完全调整的能力重新施加（A17.1 2016 – 2.24.8.4）。 制造商可能添加了额外的弹簧，以确保制动释放操作后内部钢丝绳正确缩回。 下游承包商应该了解此类弹簧的重要性，以免在安装和维护过程中出现任何疏忽。 

此外，制造商安装程序应明确说明允许的最大累积弯曲角度和要保持的最小弯曲半径。 尽管电缆弯曲半径不是公式 3 的一部分，但较小的弯曲半径会增加电缆的磨损，从而随着时间的推移对摩擦系数产生负面影响。 制造商推荐的弯曲半径至少大于或等于钢丝绳内径的20倍。 安装后，在采取必要的预防措施后，现场专业人员进行测试并确保手动释放装置的使用不受任何阻力，并且不会影响制动操作。 

到目前为止，我们已经完成了对一个杠杆打开一个制动器的研究。 如果机器上有两个制动单元，则图 6 中显示了单独打开制动器的布置示例。但是，类似类型的力分析和绞盘效应适用于此类布置。

电气方式 

在该救援系统中，电能用于释放制动器。 电能从电池获得。 该电池通过充电电路从正常电源充电。 应监控电池的电量，如果电量低于阈值，则不允许轿厢在层站正常停车后重新启动。 制动器的电能由恒压操作装置控制，由电梯人员操作以移动轿厢。 单个恒压运行装置失效，电梯不得运行或继续运行。 

大多数电气救援系统不仅仅具有打开制动器的功能。 它们具有速度监控和控制功能，当电梯速度超过某些预设限制时，将切断制动电源，并在预定时间后重置。 这类似于电梯人员通过机械救援系统中反复打开和关闭制动器来控制轿厢运动。 然而，这里它是以自动化的方式完成的。 

将速度限制设定在检查操作速度以下是一种安全的行业惯例，因为当制动器解除时，被困乘客会感受到电梯从该速度突然停止。A17.1 2016 - 2.26.1.4.1 规定检查速度限制低于 0.75 米/秒。速度调节器超速触点可作为超速检测电路的输入，作为额外的安全层。此外，还有指示灯显示电梯轿厢是否到达门区、轿厢运行方向和大致速度。 

此类系统的典型布置如图 7 所示。在救援操作期间，电梯人员必须将启用开关更改为救援模式。 这将启用 DC-DC 转换器，将电池电压转换为制动线圈所需的电压。 由于电梯仍然静止，速度监控电路将允许该电压到达制动释放按钮。 如果制动器有两个线圈，则可能有两个释放按钮。 必须连续按下两个按钮，电流才能到达两个线圈并为其通电以打开制动器。 由于轿厢与对重之间的载荷不平衡，轿厢会加速向上或向下。 当速度达到设定极限时，速度监控电路切断制动线圈的电源，电梯停止。 如果在汽车停止后持续按下按钮，速度监控电路将允许电源在预定时间后到达制动器线圈，这可以从图 8 中的图表中看出。制动器现在通电以打开，汽车开始加速，这个循环重复几次，直到汽车到达门区。 

用于控制轿厢速度的 ON-OFF 控制器的响应如图 8 所示。打开制动器后速度的增加可能不是如图所示的线性，并且在松开制动器后速度不会立即变为零。充满活力。 该图是开关控制器的非常简化的概念视图。 

结语

时间和安全是执行救援行动的重要因素。 用于手动释放制动器的系统的可靠性至关重要。 手动释放系统在电梯的日常、正常运行中并不使用，其故障不会轻易被注意到。 此类项目的检查和测试非常重要。 我在表3中总结了机械和电气手动释放系统之间的主要区别和共同要求。 

	机械方式	电气方式
1	手动制动释放是通过从位于井道外部的制动释放杆通过鲍登缆线传输到井道内部曳引机的制动释放器的机械能来实现的。	手动制动器释放是通过电线将电能从可充电电池传输到井道内的制动器线圈来完成的。 电梯正常运行时必须对电池进行监控，如果电量不足，则轿厢正常停靠层站后不允许重新启动。
2	救援行动中轿厢速度的控制取决于电梯操作人员的技能。如果操作人员技能不足，长时间保持制动器开启状态，轿厢可能会加速到高速，之后的紧急制动可能会伤及被困乘客。然而，使用具有动态制动功能的永磁同步电机（PMSM）可以避免这种情况。	自动超速预防可以纳入系统中，从而防止汽车达到高速并突然停止的可能性。 调速器超速触点可用作超速检测的输入，作为附加安全层。 因此，可以避免由于人为错误而导致汽车超速。
3	制动释放拉索的摩擦起着重要作用。 电缆的敷设方式应减少其所成的角度。 应避免急弯。 制造商安装手册必须提供这些详细信息，现场专业人员应遵守这些详细信息。	印刷电路板和所使用的电子元件的可靠性起着重要作用。 由于这些部件直接控制制动器的打开，因此必须研究和处理它们的故障模式。
4	两种方法均应设计为只能通过持续努力手动应用。 已采取措施防止这些设备意外启动。 在没有手动施力的情况下，制动器应以其完全调整的能力重新施加。
5	两者都意味着配备有显示装置或等同物来传达信息，例如电梯轿厢运动的方向、其速度以及电梯轿厢到达解锁区域。 当正常电源出现故障时，这些显示装置应至少工作4小时。 如果电池用于此目的，则应监控其电量。 轿厢在层站正常停车后，如果电池电量不足，不得重新启动。

如需了解更多信息，建议读者参阅相应的规范、手册以及制造商安装和维护手册。

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案例 

[1] 安德烈·席勒、皮埃尔·勒蒂尔、理查德·范德林德和弗兰斯·范德赫尔姆。 “用于力反馈外骨骼的鲍登电缆执行器。” 2006 年 IEEE/RSJ 国际智能机器人和系统会议，第 3599-3604 页。 IEEE，2006。

[2] 琼斯，J.，J. Burdess，和 JN Fawcett。 基础力学与工程应用。 劳特利奇，2012。

[3] 比尔，Ferdinand P.、E. Johnston Jr.、Mazurek Russell、F. David 和 Elliot R. Eisenberg。 “工程师矢量力学：静力学（SI 单位）。” 第七版，麦格劳希尔高等教育。

[4] ASME A17.1-2016，电梯和自动扶梯安全规范，美国机械工程师学会。 

[5] ASME A17.1S-2005，ASME A17.1 – 2004 的补充，电梯和自动扶梯安全规范，美国机械工程师协会。

[6]奥的斯电梯公司“电梯救援系统”美国专利号6,196,355。 6 年 2001 月 XNUMX 日。

[7] Kone Oy“电梯机械制动释放装置”美国专利号 5,971,109。 26 年 1999 月 XNUMX 日。

[8] Mayr — ROBA — twinstop 电梯制动器安装和操作说明 mayr.com/produkte/einbau-und-betriebsanleitungen/b.8012.en.pdf