電梯結構原理與安全保護裝置（一）--曳引系統
一、曳引驅動工作原理
曳引式電梯曳引驅動關系如圖2—2所示。安裝在機房的電動機與減速箱、制動器等組成曳引機，是曳引驅動的動力。曳引鋼絲繩通過曳引輪一端連接轎廂，一端連接對重裝置。為使井道中的轎廂與對重各自沿井道中導軌運行而不相蹭，曳引機上放置一導向輪使二者分開。轎廂與對重裝置的重力使曳引鋼絲繩壓緊在曳引輪槽內產生摩擦力。這樣，電動機轉動帶動曳引輪轉動，驅動鋼絲繩，拖動轎廂和對重作相對運動。即轎廂上升，對重下降；對重上升，轎廂下降。于是，轎廂在井道中沿導軌上、下往復運行，電梯執行垂直運送任務。
圖2—2 電梯曳引傳動系統
1—電動機；2—制動器；3—減速器；4—曳引繩；5—導向輪；6—繩頭組合；7—轎廂；8—對重
轎廂與對重能作相對運動是靠曳引繩和曳引輪間的摩擦力來實現的。這種力就叫曳引力或驅動力。
運行中電梯轎廂的載荷和轎廂的位置以及運行方向都在變化。為使電梯在各種情況下都有足夠的曳引力，國家標準GB 7588—1995《電梯制造與安裝安全規范》規定：
曳引條件必須滿足：T1／T2×C1×C2≤efα
式中：T1／T2——為載有125％額定載荷的轎廂位于最低層站及空轎廂位于最高層站的兩種情況下，曳引輪兩邊的曳引繩較大靜拉力與較小靜拉力之比。
C1——與加速度、減速度及電梯特殊安裝情況有關的系數，一般稱為動力系數或加速系數。(C1＝
；g：重力加速度，a：轎廂制動減速度)。
C2——由于磨損導致曳引輪槽斷面變化的影響系數(對半圓或切口槽：C2＝1，對V型槽：C2＝1．2)。
efα中，f為曳引繩在曳引槽中的當量摩擦系數，α為曳引繩在曳引導輪上的包角。efα稱為曳引系數。它限定了T1／T2的比值，efα越大，則表明了T1／T2允許值和T1—T2允許值越大，也就表明電梯曳引能力越大。因此，一臺電梯的曳引系數代表了該臺電梯的曳引能力。
可以看出，曳引力與下述幾個因素有關：
①轎廂與對重的重量平衡系數。
②曳引輪繩槽形狀與曳引輪材料當量摩擦系數。
③曳引繩在曳引輪上的包角。
圖2—3 曳引示意圖
(一)平衡系數
由于曳引力是轎廂與對重的重力共同通過曳引繩作用于曳引輪繩槽上產生的，對重是曳引繩與曳引輪繩槽產生摩擦力的必要條件。有了它，就易于使轎廂重量與有效載荷的重量保持平衡，這樣也可以在電梯運行時，降低傳動裝置功率消耗。因此對重又稱平衡重，相對于轎廂懸掛在曳引輪的另一端，起到平衡轎廂重量的作用。
當轎廂側重量與對重側重量相等時，T1＝T2，若不考慮鋼絲繩重量的變化，曳引機只需克服各種摩擦阻力就能輕松的運行。但實際上轎廂的重量隨著貨物(乘客)的變化而變化，因此固定的對重不可能在各種載荷下都完全平衡轎廂的重量。因此對重的輕重匹配將直接影響到曳引力和傳動功率。
為使電梯滿載和空載情況下，其負載轉矩絕對值基本相等，國標規定平衡系數K=0．4～0．5，即對重平衡40％～50％額定載荷。故對重側的總重量應等于轎廂自重加上0．4～0．5倍的額定載重量。此0．4～0．5即為平衡系數。
當K＝0．5時，電梯在半載時，其負載轉矩為零。轎廂與對重完全平衡，電梯處于最佳工作狀態。而電梯負載自空載(空載)至額定載荷(滿載)之間變化時，反映在曳引輪上的轉矩變化只有土50％，減少了能量消耗，降低了曳引機的負擔。
(二)當量摩擦系數f與繩槽形狀
曳引繩與曳引輪不同形狀繩槽接觸時，所產生的摩擦力是不同的，摩擦力越大則曳引力越大。從目前使用來看有幾種：半圓槽、V型槽、半圓型帶切口槽，如圖2—4所示。
圖2—4 曳引輪繩槽
半圓槽f最小，用于復繞式曳引輪。
V型輪f最大，并隨著開口角的減小而增大，但同時磨損也增大，而對曳引繩磨損并卡繩。隨著磨損會趨于半圓槽。
半圓切口槽f介于二者之間，而其基本不隨磨損而變化，目前應用較廣。
鋼絲繩在繩槽內的潤滑也直接影響摩擦系數，只可用繩內油芯的輕微潤滑，不可在繩外涂潤滑油，以免降低摩擦系數，造成打滑現象，降低曳引力。
(三)曳引繩在曳引輪上的包角
包角是指曳引鋼絲繩經過繩槽內所接觸的弧度，用。表示包角越大摩擦力越大，即曳引力也隨之增大，提高了電梯的安全性。增大包角目前主要采用兩種方法，一是采用2：1的曳引比，使包角增至180°。另一種是復繞式(為α1+α2)，如圖2—5所示。
圖2—5 復繞張力圖
電梯曳引鋼絲繩的繞繩方式主要取決于曳引條件，額定載重量和額定速度等因素。它有多種。這些繞法也可看成是不同傳動方式，不同繞法就有不同的傳動速比，也叫曳引比，它是由電梯運行時曳引輪節圓的線速度與轎廂運行速度之比。鋼絲繩在曳引輪上繞的次數可分單繞和復繞，單繞時鋼絲繩在曳引輪上只繞過一次，其包角小于或等于180°，而復繞時鋼絲繩在曳引輪上繞過二次，其包角大于180°。
常用的繞法有：
(1)1：1繞法 曳引輪的線速度與轎廂升降速度之比為1：1如圖2—6a所示。
(2)2：1繞法 曳引輪的線速度與轎廂升降速度之比為2：1如圖2—6b所示。
(3)3：1繞法 曳引輪的線速度與轎廂升降速度之比為3：1如圖2—6c所示。
圖2—6 各種繞法示意圖
二、曳引機
電梯曳引機是電梯的動力設備，又稱電梯主機。功能早輸送與傳遞動力使電梯運行。它由電動機、制動器、聯軸器、減速箱、曳引輪、機架和導向輪及附屬盤車手輪等組成。導向輪一般裝在機架或機架下的承重梁上。盤車手輪有的固定在電機軸上，也有平時掛在附近墻上，使用時再套在電機軸上。
如果曳引機的電動機動力是通過減速箱傳到曳引輪上的，稱為有齒輪曳引機，一般用于2．5m／s以下的低中速電梯(圖2—7a)。若電動機的動力不通過減速箱而直接傳動到曳引輪上則稱為無齒輪曳引機，一般用于2．5m／s以上的高速電梯和超高速電梯(圖2—7b)。
圖2—7a 有齒輪曳引機的結構圖
1—減速器 2—曳引輪 3—制動器 4—電動機
圖2—7b 無齒輪曳引機
1—底座 2—直流電動機 3—電磁制動器 4—制動器抱閘 5—曳引輪 6—支座
1．曳引電動機
電梯的曳引電動機有交流電動機和直流電動機，曳引電動機是驅動電梯上下運行的動力源。
電梯是典型的位能性負載。根據電梯的工作性質，電梯曳引電動機應具有以下特點：
(1)能頻繁地起動和制動
電梯在運行中每小時起制動次數常超過100次，最高可達到每小時180～240次，因此，電梯專用電動機應能夠頻繁起、制動，其工作方式為斷續周期性工作制。
(2)起動電流較小
在電梯用交流電動機的鼠籠式轉子的設計與制造上，雖然仍采用低電阻系數材料制作導條，但是轉子的短路環卻用高電阻系數材料制作，使轉子繞組電阻有所提高。這樣，一方面降低了起動電流，使起動電流降為額定電流的2．5～3．5倍左右，從而增加了每小時允許的起動次數；另一方面，由于只是轉子短路端環電阻較大，利于熱量直接散發，綜合效果使電動機的溫升有所下降。而且保證了足夠的起動轉矩，一般為額定轉矩的2．5倍左右。不過，與普通交流電動機相比，其機械特性硬度和效率有所下降，轉差率也提高到0．1～0．2。機械特性變軟，使調速范圍增大，而且在堵轉力矩下工作時，也不致燒毀電機。
(3)電動機運行噪聲低
為了降低電動機運行噪聲，采用滑動軸承。此外，適當加大定子鐵芯的有效外徑，并在定子鐵芯沖片形狀等方面均作合理處理，以減小磁通密度，從而降低電磁噪聲。
曳引電動機的容量在初選和核算時，可用經驗公式按靜功率計算，即
式中P——電動機功率(kW)；
K——電梯平衡系數；
Q——電梯額定載重量(kg)；
V——電梯額定速度(m／s)；
η——機械傳動總效率。
2．制動器
制動器對主動轉軸起制動作用。能使工作中的電機停止運行。
它安苯在電動機與減速器之間，即在電動機軸與蝸輪軸相連的制動輪處(如是無齒輪曳引機制動器安裝在電動機與曳引輪之間)。
(1)電梯上應用的制動器及基本要求
電梯采用的是機一電摩擦型常閉式制動器，如圖2—8所示。所謂常閉式制動器，指機械不工作時制動器制動，機械運轉時松閘。電梯制動時，依靠機械力的作用，使制動帶與制動輪摩擦而產生制動力矩；電梯運行時，依靠電磁力使制動器松閘，因此又稱電磁制動器。根據制動器產生電磁力的線圈工作電流，分為交流電磁制動器和直流電磁制動器。由于直流電磁制動器制動平穩，體積小，工作可靠，電梯多采用直流電磁制動器。因此這種制動器的全稱是常閉式直流電磁制動器。
圖2—8 電磁制動器
1—制動彈簧調節螺母；2—制動瓦塊定位彈簧螺栓；3—制動瓦塊定位螺栓；4—倒順螺母；5—制動電磁鐵；6—電磁鐵芯；7—定位螺栓；8—制動臂；9—制動瓦塊；10—制動襯料；11—制動輪；12—制動彈簧螺桿；13—手動松閘凸輪(緣)；14—制動彈簧
制動器是保證電梯安全運行的基本裝置，對電梯制動器的要求是：能產生足夠的制動力矩，而且制動力矩大小應與曳引機轉向無關；制動時對曳引電動機的軸和減速箱的蝸桿軸不應產生附加載荷；當制動器松閘或制動時，要求平穩，而且能滿足頻繁起、制動的工作要求；制動器應有足夠的剛性和強度；制動帶有較高的耐磨性和耐熱性；結構簡單、緊湊、易于調整；應有人工松閘裝置；噪聲小。
制動器功能基本要求：
①當電梯動力電源失電或控制電路電源失電時，制動器能立即進行制動。
②當轎廂載有125％額定載荷并以額定速度運行時，制動器應能使曳引機停止運轉。
③電梯正常運行時，制動器應在持續通電情況下保持松開狀態；斷開制動器的釋放電路后，電梯應無附加延遲地被有效制動。
④切斷制動器的電流，至少應用兩個獨立的電氣裝置來實現。電梯停止時，如果其中一個接觸器的主觸點未打開，最遲到下一次運行方向改變時，應防止電梯再運行。
⑤裝有手動盤車手輪的電梯曳引機，應能用手松開制動器并需要一持續力去保持其松開狀態。
(2)制動器的構造及其工作原理
制動器的外形圖如圖2—8所示。
制動器的工作原理：當電梯處于靜止狀態時，曳引電動機、電磁制動器的線圈中均無電流通過，這時因電磁鐵芯間沒有吸引力、制動瓦塊在制動彈簧壓力作用下，將制動輪抱緊，保證電機不旋轉；當曳引電動機通電旋轉的瞬間，制動電磁鐵中的線圈同時通上電流，電磁鐵芯迅速磁化吸合，帶動制動臂使其制動彈簧受作用力，制動瓦塊張開，與制動輪完全脫離，電梯得以運行；當電梯轎廂到達所需停站時，曳引電動機失電、制動電磁鐵中的線圈也同時失電，電磁鐵芯中的磁力迅速消失，鐵芯在制動彈簧的作用下通過制動臂復位，使制動瓦塊再次將制動輪抱住，電梯停止工作。
(3)常見電磁制動器的類型
①圖2—8所示是一種常見的制動器。電磁鐵的鐵芯通過連接螺栓與制動臂鉸接，松開螺栓上的鎖緊螺母，轉動鐵芯，就能改變鐵芯在線圈套中的位置，用寸：調整吸合后的鐵芯底部間隙。
制動瓦用銷軸鉸接在制動臂上，瓦塊上下等重，因此在制動臂上設有上、下頂定螺釘，松閘后瓦塊的活動量由頂定螺釘調定。
制動彈簧的壓縮量由連桿螺栓兩端的螺母調節，在螺栓內側設有擋塊，用扳手將螺栓轉動90°，擋塊上的凸緣將制動臂向兩側頂開，可達到手松閘的目的。
這種制動器由于采用雙彈簧，為保證兩側閘瓦對動輪的壓力一致，應將壓縮量調得一致。
②圖2—9所示是另一種常見的臥式電磁制動器。閘瓦采用球面連接，因此無需設頂定螺釘；采用單條制動彈簧，調節方便。將彈簧螺栓轉動90°，可達到松閘目的。
1—鐵芯；2—鎖緊螺母；3—限位螺釘；4—連接螺栓；5—碟形彈簧；6—偏斜套；7—制動彈簧
③圖2—10所示的結構，將制動臂的鉸點放在下面，彈簧置于上部，使壓力的調整比較方便。由于鉸點在下面，松閘時需將制動臂頂開，因此兩塊鐵芯底部的頂桿均穿過對方，當
鐵芯吸合時，頂桿向前運動，將制動臂頂開。
圖2—10 單側鉸接式電磁制動器
1—制動彈簧；2—制動臂；3—調節螺栓；4—頂桿；5—線圈；6—左鐵芯；7—右鐵芯；8—頂桿；9—拉桿；10—調節螺栓；11—閘瓦；12—球面頭；13—連接螺栓；14—制動帶
這種結構的制動器，鐵芯外側端部制有凸緣，凸緣與端蓋的間隙α，即為單側角芯的吸合行程，當制動帶在使用中磨損，松閘間隙過大時，只要放松調節螺栓，使間隙。減小，便能達到調整松閘間隙的目的。鐵芯在吸合后的底部間隙是固定的，無需調整。
④圖2—11所示為立式制動器。鐵芯分為動鐵芯和定鐵芯，上部的是動鐵芯。鐵芯吸合時，動鐵芯向下運動，頂桿推動轉臂轉動，將兩側制動臂推開而達到松閘目的。
圖2—11 立式電磁制動器
1—制動彈簧；2—拉桿；3—螺釘；4—電磁鐵座；5—線圈；6—動鐵芯；7—罩蓋；8—頂桿；9—制動臂；10—頂桿螺栓；11—轉臂；12—球面頭；13—連接螺釘；14—閘瓦；15—制動材料
⑤內脹式制動器(圖2—12為外形立面示意圖)
圖2—12 內脹式制動器
3．減速器
減速器被用于有齒輪曳引機上。安裝在曳引電動機轉軸和曳引輪轉軸之間。
減速器(箱)的種類及其特點
蝸桿減速器如圖2—13所示。
圖2—13 蝸桿蝸輪減速器(立面剖視圖)
1—蝸桿；2—蝸輪；3—滾動軸承；4—輸入軸；5—輸出軸
蝸桿減速器是由帶主動軸的蝸桿與安裝在殼體軸承上帶從動軸的蝸輪組成，其速比可在18～120范圍內，蝸輪的齒數不少于30，其效率不如齒輪減速器，但其結構緊湊，外型尺寸不大。
蝸桿減速器特點：傳動比大，噪音小、傳動平穩，而且當由蝸輪傳動蝸桿時，反效率低，有一定的自鎖能力；可以增加電梯制動力矩，增加電梯停車時的安全性。
上面提到的蝸桿、蝸輪的傳動比也稱為減速比。
減速器工作時，蝸桿軸的轉速與蝸輪軸的轉速的比，稱為減速器的減速比i減。由于蝸桿軸每轉動一圈，蝸輪軸只轉過蝸桿螺線數個齒，所以蝸桿減速器的減速比i減是由蝸輪的齒數Z輪與蝸桿的螺線數Z桿之比決定的：
i減＝Z輪／Z桿
例1：蝸桿螺線數(也稱頭數)為1，蝸輪的齒數為40。
那么其減速比i減＝40／1＝40：1
也就是說當蝸桿軸每轉動一圈，蝸輪軸只轉過1／40圈(周)，即蝸桿軸旋轉40圈時，蝸輪軸才轉過一圈(周)，因為蝸桿軸與電動機連在一起，這樣就能把電動機的轉速經過減速器后其轉速顯然地從快速減下變為慢速。
例2：蝸桿螺線數(頭數)為2，蝸輪的齒數為64。
其減速比i減＝64／2＝32：1
即蝸桿軸每轉一圈，而蝸輪軸只轉1／32圈。
減速器中的蝸桿與蝸輪的嚙合外形如圖2—14所示。
圖2—14 蝸桿與蝸輪嚙合
1—杠桿；2—蝸輪
①在減速器內，凡蝸桿安裝在蝸輪上面的稱為蝸桿上置式。其特點是：減速箱內蝸桿、蝸輪齒的嚙合面不易進入雜物，安裝維修方便，但潤滑性較差。
②在減速器內，凡蝸桿置于蝸輪下面的稱為蝸桿下置式。其特點是：潤滑性能好，但對減速器的密封要求高，否則很容易向外滲油。
③潤滑油的加入量
減速器對蝸輪蝸桿采用浸浴潤滑方式，即在箱內加入潤滑油。
減速器注入的油量是關系到潤滑是否正常的重要因素，一般對減速器注入的油量是：
當蝸桿在蝸輪下面時，注入減速器內的油，應保持在蝸桿中線以上，嚙合面以下；當蝸桿在蝸輪上面時，蝸輪的浸入油的深度在兩個齒高為宜。減速箱上均有油針或油鏡，可用來檢查注油量。對于油針，應使油面位于兩條刻線之間，對于油鏡，油應位于中線為宜。
4．聯軸器
聯軸器是連接曳引電動機軸與減速器蝸桿軸的裝置，用以傳遞由一根軸延續到另一根軸上的扭矩，又是制動器裝置的制動輪。在曳引電動機軸端與減速器蝸桿軸端的會合處。
電動機軸與減速器蝸桿軸是在同一軸線上，當電動機旋轉時帶動蝸桿軸也旋轉，但是兩者是兩個不同的部件，需要用合適的方法把它們連接在同一軸線上，保持一定要求的同軸度。
(1)聯軸器的種類
①剛性聯軸器：
對于蝸桿軸采用滑動軸承的結構，一般采用剛性聯軸器，因為此時軸與軸承的配合間隙較大，剛性聯軸器有助于蝸桿軸的穩定轉動。剛性聯軸器要求兩軸之間有高度的同心度，在連接后不同心度不應大于0．02mm，如圖2—15所示。
圖2—15 剛性聯軸器
1—電動機軸；2—左半聯軸器；3—右半聯軸器；4—蝸桿軸；5—螺栓
②彈性聯軸器：由于聯軸器中的橡膠塊在傳遞力矩時會發生彈性變形，從而能在一定范圍內自動調節電動機軸與蝸桿軸之間的同軸度，因此允許安裝時有較大的同心度(允差0．1mm)，使安裝與維修方便，同時，彈性聯軸器對傳動中的振動具有減緩作用，如圖2—16所示。
圖2—16 彈性聯軸器
1—電動機軸；2—左半聯軸器；3—右半聯軸器；4—橡膠塊；5—鍵；6—蝸桿軸
5．曳引輪
曳引輪是曳引機上的繩輪，也稱曳引繩輪或驅繩輪。是電梯傳遞曳引動力的裝置，利用曳引鋼絲繩與曳引輪緣上繩槽的摩擦力傳遞動力，裝在減速器中的蝸輪軸上。如是無齒輪曳引機，裝在制動器的旁側，與電動機軸、制動器軸在同一軸線上。
(1)曳引輪的材料及結構要求
①材料及工藝要求：由于曳引輪要承受轎廂、載重量、對重等裝置的全部動靜載荷，因此要求曳引輪強度大、韌性好、耐磨損、耐沖擊，所以在材料上多用QT60—2球墨鑄鐵。為了減少曳引鋼絲繩在曳引輪繩槽內的磨損，除了選擇合適的繩槽槽型外，對繩槽的工作表面的粗糙度、硬度應有合理的要求。
②曳引輪的直徑：曳引輪的直徑要大于鋼絲繩直徑的40倍。在實際中，一般都取45～55倍，有時還大于60倍。因為為了減小曳引機體積增大，減速器的減速比增大，因此其直徑大小應適宜。
③曳引輪的構造型式：整體曳引輪分成兩部分構成，中間為輪筒(鼓