安全钳的潜在风险

该论文发表于  2014 年巴黎垂直运输技术国际大会，并首次发表在 IAEE 书籍《电梯技术 20》，由 A. Lustig 主编。 经国际电梯工程师协会许可转载  （网站： www.elevcon.com)。本文为准确重印，未经 ELEVATOR WORLD 编辑。

抽象

当电梯系统投放市场时，用重物测试安全钳是全世界的首选做法。 理由是合理的：在这些测试中，所有组件都经过机械应力测试，以便在安装过程中出现的故障和结构缺陷暴露出来。

但在最坏的情况下——满载自由落体时紧急停止——该测试只能以非常有限的方式验证安全钳的有效性，或者根本不能验证安全装置的有效性。 这同样适用于在规定的时间间隔内进行的任何定期检查。 这不仅已被大量实际示例所证明，而且还可以轻松地进行物理验证。

同时，可以使用传统检查的几种替代方法，从而在不使用砝码的情况下对安全钳进行更安全和有意义的检查。

1. 引言

当电梯系统投放市场时，用重物测试安全钳的理由是合理的，几乎全世界都采用这种做法。 在这些测试过程中，所有组件都会受到机械应力，从而使安装过程中出现的故障和结构缺陷暴露无遗。 但在最坏的情况下——满载自由落体时紧急停止——该测试只能以非常有限的方式验证安全钳的有效性，或者根本不能验证安全装置的有效性。

这同样适用于在规定的时间间隔内进行的任何定期检查。 这不仅已被大量实际例子所证明，而且还可以很容易地进行物理验证。 同时，可以使用传统检查的几种替代方法，从而在不使用砝码的情况下对安全钳进行更安全和有意义的检查。

2. 初始情况

2.1 电梯安全钳应满足的要求

几乎所有现有的电梯系统安全标准都要求安全钳能够在自由落体情况下安全地将满载的轿厢减速到完全停止。

根据应用的标准，指定了不同的减速限制，不得超过或超过。

在许多国家/地区，规定了最小或最大滑动距离，而不是减速限制，测量的是轨道上安全钳的打滑标记的长度，当然，这在物理上与实现的减速相对应。

通常这必须在系统投放市场和定期检查期间进行验证（例如在欧洲部分地区每 2 年一次，在北美每 5 年一次）。

2.2 使用测试砝码测试安全钳

自从 Elisha Graves Otis 在 1854 年纽约世博会上展示了他革命性的电梯安全制动器后，通常不再故意切断电梯系统的悬挂绳以证明安全装置的有效性。

取而代之的是，汽车满载额定负载，在安全钳以额定速度或超速限制器的跳闸速度触发之前以向下行驶模式加速。 实现的减速度要么在过程中测量，要么随后从导轨上测量的滑动距离得出。

当测量符合相应安全标准的要求且电梯系统的机械设备没有损坏迹象时，则认为安全钳已通过测试。

2.3 不使用测试砝码测试安全钳

当新的电梯系统投放市场时，几乎世界各地的安全钳都会用测试砝码进行测试，除了在奥地利，欧洲标准中的漏洞即将被填补，允许使用替代品验证安全钳的有效性通过专门的电子测试系统进行测量。

20 多年来，德国对安全钳的定期检查通常是在不使用测试砝码的情况下进行的。 取而代之的是使用电子测试系统来测量安全钳的力并得出其对所讨论的电梯系统的有效性。

随着 A2013（美国）和/或 B 17.1（加拿大）的 44 版，这些测试系统现在也可以在北美用于重复检查。

3. 安全钳测试期间的物理相关性

在查看测试安全钳的首选做法时，将汽车装入额定负载并使其在超速或额定速度情况下停下来，很明显没有测试安全钳必须满足的一项重要要求总而言之：在自由落体情况下将满载的汽车减速到完全停止时，安全钳的有效性！ 

该要求旨在保证即使在最不可能发生的整体吊绳故障的情况下，也没有乘客受伤或死亡。

要求和实际测试之间的差异在物理上也是很大的，因为当吊绳确实存在时，它忽略了由配重产生的所有力。 配重（FCW）的部分重力通过吊绳作用在轿厢上，与安全钳（FS）的减速力方向相同。 换句话说：配重支撑安全钳以补偿满载汽车 (FFC) 的重力。 当吊绳不再存在时，这种支撑在最坏的情况下不存在。 以下极其简化模型的插图显示了在使用测试砝码进行的实际测试期间汽车紧急停止时以及在自由落体情况下停止时的力。

人们可以假设当安全钳脱扣时，配重的 FCW 力实际上为零，因为向上加速的配重由于其惯性而继续向上移动，因此配重和轿厢之间的绳索会松弛片刻. 正是在那个时刻，实际测试将等于自由落体停止的实际要求。 但事实并非如此，许多实际测量已经证明了这一点。 阻止这种情况发生的决定性因素是绳索作为长弹簧，首先必须根据其弹簧常数再次松弛。 由于实际的减速过程仅持续几毫秒，因此这种情况极少发生。

（实线：加速度，阴影线：吊索中的负载，虚线：速度）

时间 T1：加速度：0.0 m/s²    力: 28 千牛    速度：-1.3 m/s

时间 T2：加速度：2.3 m/s²    力: 11 千牛    速度：-0.7 m/s

时间 T3：加速度：-0.7 m/s²   力: 2 千牛     速度: 0.0 米/秒

图 2 清楚地表明，在整个安全钳操作 (T1-T3) 期间，吊索中的力不断减小（阴影曲线）。 在安全钳操作开始时，力为 28 kN。 在T2时刻，轿厢已经减速到限速器脱扣速度的一半，仍为11kN，安全钳动作结束时仍为2kN。

忽略该力将意味着在 12 m/s² (~ 1.2 g) 的自由落体情况下计算出的满载汽车减速度。 但是这个结果是错误的！ 在现实中，自由落体场景只会产生 3 m/s² (~ 0.3g) 的减速，这将防止该电梯系统中的严重人身伤害。

经验实验表明，这些影响源于安全钳在空车试验期间的配重，并且在实际安全钳操作期间的平均值相当于满载汽车重力的 50%。 并且对于满载的轿厢，影响甚至更大，因为轿厢实现的减速度以及配重和轿厢之间的减速度差显着更小。

图 2 中显示的模型具有以下运动方程：

其中加速度和力取决于时间。 在下文中，安全钳操作期间的简化平均值将在以下时间间隔内检查

之间_开始 和T _end，使用相同的名称，例如：

这产生了空车的平均安全钳力：

最佳减速阶段的有效停车距离由平均减速度和减速开始时的速度 v 通过二重积分计算：

装载额定载荷 m 的汽车的安全钳力_rl 那么相当于：

假设小车或空车向下行驶时的安全钳力至少不小于满载车的安全钳力，则这两个力可视为相等 F_硫、乙 =F_S，F 并可用于计算额定负载下安全钳的减速度。 这个程序是允许的，因为安全钳的理论减速力既不取决于初始速度也不取决于轿厢负载。 这些参数仅影响最终的停止距离和减速度。

通过将配重产生的力显示为轿厢载荷 a 的倍数，给出了更好的表示：

一些转换然后产生安全钳在额定负载下的减速：

这些方程可以得出两个有趣的结论：

1. 汽车的减速高度依赖于配重产生的力。 正如前面已经提到的，由配重产生的平均力通常相当于满载汽车重量的一半。 当将其输入到等式 (4) 中时，很明显这会显着影响减速和/或滑动距离的长度。 这些特性的结果在配重的影响下明显优于在绳索断裂的最坏情况下的改善。
2. 等式 (5) 清楚地表明，可以使用空车安全钳操作期间的减速度来确定减速度，从而也可以确定当重量和额定载荷为自由落体情况下满载汽车的滑动距离轿厢的载荷和配重是已知的。 该元素由之前提到的电子测试系统使用，稍后将再次处理。

4. 配重对检验报告的影响

现在有兴趣将这些反思应用到当前使用测试砝码检查安全钳的常见做法中，要求区分在电梯系统投放市场之前进行的检查和重复检查之间的区别。

4.1 系统投放市场前检查安全钳

当该系统投放市场时，人们有希望地假设配重和轿厢的实际重量符合设计标准，安全钳已在此基础上选择。 还必须进一步假设系统已正确安装，并且例如配重或轿厢导轨不会卡住，这会在减速时不允许地支撑安全钳。

选定的安全钳通常也通过了型式检验，因此证明即使在自由落体情况下，它也能够将指定的负载减速到完全停止，而不会超过某些减速阈值。

但如果看一看世界各国安全标准规定的两大主要检测标准，知道配重带来的影响，一些明显的弱点是不容忽视的。

4.1.1 测试标准：滑动距离的测量

例如，北美 ASME A17.1-2010/CSA B44-10 规定的一种检查原理是使用安全钳将超速行驶的满载汽车减速至完全停止，然后测量滑动距离使用导轨上的标记。 在 ASME A17.1-2010/CSA B44-10 的表 2.17.3“B 型轿厢安全装置额定载荷和 B 型配重安全装置的最大和最小停止距离”中，规定了一个最小和/或最大限制，需要达到。

例如，对于额定速度为 1.25 m/s 的汽车，标准规定超速限制器的脱扣速度为 1.7 m/s，最小停止距离为 150 mm，最大停止距离为 675 mm。

如果然后使用公式（4）计算安全钳的平均力，最终证明在脱扣速度和最大停止距离下，一辆空重为 2300 kg 的汽车和 1100 kg 的负载导致  F_S，F = 40633 N - F_{连续波，F} .

相比之下，在自由落体的情况下有一个 33354 N 的力会导致这次车祸。 很明显，配重产生的力 FCW,F 不能超过 7279 N，因为这会阻止安全钳使汽车减速。 这仅相当于满载汽车重量的 22%。 在北美真正存在的这个系统中，配重影响接近 50%。

这产生了一个可怕的结果，尽管根据有关确定滑动距离的有效标准，该安全钳的有效性在理论上是正确的，但在自由落体情况下，该满载驾驶室无法完全停止.

4.1.2 测试标准：测量减速度

例如，欧洲标准 DIN EN 81-1:2010-06 第 9.8.4 章中针对制动安全钳规定的其他测试标准是在自由落体情况下（无论实际负载如何）的减速极限值最少 0.2 克，最多 1.0 克。 这是通过使具有 125 % 额定负载的汽车完全停止来进行测试的。

在这里，问题也在于从未使用切割过的悬挂绳索进行测试，并且不知道配重的影响。 因此，该测试标准也不允许对安全装置在自由落体情况下的有效性做出声明。 在某些方面，这可能会导致与滑动距离测试标准中描述的相同的灾难性条件。

关于将系统投放市场之前用重物进行测试的评论表明，由于不知道配重的影响，因此实际上并未全面测试安全性的有效性。

归根结底，必须依靠安装公司的工作质量，安全钳的型式检验，首先是对重和轿厢计算重量的正确性。

4.2 安全钳的定期检查

原则上，安全钳的重复检查遵循与在系统投放市场之前已经提到的检查相同的原则。 但现在增加了影响因素时间。

电梯系统可能在此期间进行了现代化改造。 这通常与汽车重量的增加密切相关。 进行现代化改造的公司通常通过增加重量来恢复配重平衡。 因此，当检查安全钳时，由配重产生的力可能会增加，因此测试结果对于证明安全钳的有效性更无用。

根据维修条件和电梯系统运行时间，安全钳、导轨等可能会磨损。在某些情况下，这是导致配重产生的力增加的另一个因素。

5. 使用电子测试系统检查安全钳

如方程式所示，如果已知配重影响，则可以根据空车测试的安全钳的减速度来确定在自由落体情况下满载汽车的减速度。 该原理基于这样一个事实，即制动器的力以及安全钳的力与待减速的重量或其速度无关。 对于电梯系统，这意味着安全钳必须完全接合，并且在这种情况下必须始终施加相同的减速力。 该减速力可以通过测量汽车的减速和安全钳操作期间由配重产生的力来确定。 一旦确定了这个减速力，就很容易计算出电梯在自由落体情况下对于任何随机负载和初始速度的平均减速度。

因此，现代电子测试系统由两个主要部件组成：安装在轿厢上的加速度传感器和在安全钳操作期间测量轿厢正上方悬挂绳索中的力的力传感器。 然后使用前面提到的方程来计算安全钳的有效性。 由于这些系统在德国和最近也在北美使用，因此已经确定了许多电梯系统，其中安全装置的有效性无法验证，尽管它们过去曾定期检查过，但使用测试重量并且不知道安全装置的有效性配重影响。

就安全钳有效性的可能陈述而言，这种测量原理的物理优势是显而易见的。 另一个经常被忽视的因素需要补充：使用测试砝码进行检查的一个重要论据是以机械电梯系统压力测试的形式同时进行的安装和材料质量测试。 在安全钳操作最终导致汽车变形、内部镶板损坏等后，通过目视检查发现任何缺陷。

但它在更大程度上适用于没有测试砝码的测试。 由于安全钳在本次测试中的减速力与重物测试中的相同，因此减速度要高得多，停止距离要短得多。

因此，明显更高和更突然的减速也对电梯系统造成显着更高的机械应力。 在例如只有一名乘客的最坏情况下需要承受的压力。

6。 总结

本文已明确指出，使用测试砝码对安全钳进行的测试，而不确定配重的影响，不允许对安全钳的有效性做出声明，无论是在其投放市场之前还是在其投放市场期间。定期检查。

例如，在欧洲，没有测试 EN81 中规定的关于自由落体情况下的减速限制的要求。

当然，安全级别的提高是当前 2013 版北美电梯标准 A17/B44 允许电子测试系统（如果只是作为一种选择）的原因之一。 在将系统投放市场之前，仍然允许使用测试砝码进行检查，甚至是强制性的。

由于不使用测试砝码的检查还伴随着对电梯系统的大量机械应力测试，因此必须允许质疑使用测试砝码进行安全钳检查的合理性，并询问使用电子测试系统是否不能提供很多更高的可靠性和安全性。

履历详情
Tim Ebeling 自 2003 年起被聘为 Henning GmbH & Co. KG 的开发主管。 他以此身份在不伦瑞克（德国）建立了研发中心。 一个员工团队现在在那里从事电梯电子和测量组件的开发和生产。
自 2012 年起，作者还担任董事总经理。 他特别关注的重点之一是测量技术。 特别是在这一领域，作者回顾了多年在加速度和绳索载荷测量系统开发方面的经验。
作者的专业目标是通过创新的电梯部件丰富电梯市场，并通过开发高效、可持续和省力的部件来对抗电梯行业不断增加的成本压力。