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摘要:本论文主要对电梯限速器寿命试验台介绍与阐述，该试验台由PLC、伺服系统、编码器及接近开关等组成控制回路，通过HIM人机界面与PLC的编程，精确控制电机速度及整个测试过程。
关键词：限速器寿命试验台、电梯限速器、寿命试验。
中图分类号：U464文献标识码： A
一 ．引言
限速器是电梯最重要的机械安全装置，限速器的制造质量、选型、校验、维护保养、检测设备的制造质量及正确操作，直接影响电梯的安全使用。而电梯限速器寿命试验台正是对限速器进行寿命试验的一种机电设备，它能够在实验室中模拟限速器实际使用工况进行长期寿命性试验，从而判断其是否满足设计要求及安全标准。
二．电梯限速器寿命试验台
电梯限速器寿命试验台是专门为电梯限速器的研发而开发设计的机电一体化的试验设备，满足
不同梯速的限速器寿命试验需求，其主要特征是系统的速度及加速度可调；测试试验台的使用不受限速器的中心高度、绳轮直径大小及底座安装宽度限制，兼容性极高；全自动数据采集、曲线生成，拥有数据储存、数据管理、数据备份及数据报表打印功能，从而使得使用人员能对测试过程进行监控。
2.1机械部分介绍
试验台采用卷筒缠绕钢丝绳直接拖动限速器绳轮转动，主要由驱动负载装置、机械底架及防护罩构成，见图1。
图1电梯限速器寿命特性试验台示意图
2.1.1 驱动负载装置：主要由驱动系统、卷筒装置及负载装置构成。
2.1.1.1驱动系统
试验台由伺服电机驱动，通过减速机减速，采用同步带联接方式，驱动钢丝绳卷筒按给定的速度曲线运行，进行试验。
（1）伺服电机的选取计算举例：
限速器转动惯量：93660.6kg.mm2=0.0937kg.m2
限速器额定速度540m/min，绳轮中心径φ360，对应钢丝绳卷筒直径φ360
绳轮线加速度：1.5m/s2
减速机减速比：1:3
减速机转动惯量：12.14kg.cm2=0.001214kg.m2
※卷筒惯量及惯性矩计算
J2=π/4 ×(0.3572-0.3272)× 946×7.85×（0.1785 2+0.16352）/2=3.5063 Kg.m2
J卷筒2= =3.5063 +2×（0.144 +0.0013-0.0458）=3.7053 Kg.m2
ε2=ω/t=v/(r2×t)=a/r2=1.5/0.18=8.333 rad/s2
J丝杆2=π/4 ×0.0482×1230×7.85×0.0242/2=0.005 Kg.m2
J主轴2=π/4 ×0.0542×1295×7.85×0.0272/2=0.0085 Kg.m2
J负2=3.7053 +0.0937+0.005+0.0085+0.0012=3.8125 Kg.m2
T2= J负2× ε2=31.77Nm
※伺服电机转速校核
电机减速后输出转速n=n0/i=1500/3=500rpm，
額定速度540 m/min限速器，对应φ360规格卷筒，最大转速n2=540/（π×D2）=477.5 rpm＜n
故速度满足要求。
※卷筒旋转驱动功率计算
按其负载的2倍计算，P= 2T2×n2/9550=2×31.77×477.5/9550=3.177kw。
※卷筒移动驱动功率计算
按最大负载320KG计算，额定速度540m/min=9m/s，对应转速477.5rpm=7.958r/s
加速度1.5m/s2，加速时间t=9/1.5=6s
丝杠螺距11.5mm,即每转一圈移动11.5mm，移动速度为7.958r/s ×11.5mm/r=91.52mm/s,
移动加速度a′=91.52/6=15.25 mm/s2
加速段称动距离S= a′t2/2=274.5mm
功率P′=m a′×S/t=0.22w＜＜P，故忽略不计。
所选电机功率4.4KW＞3.177KW
因此，所选电机满足设备要求。
2.1.1.2钢丝绳卷筒装置
由卷筒、支座及同步丝杠组成，试验不同型号的限速器时，使用不同规格的卷筒。卷筒更换要借助叉车等外部设备，将卷筒及其支座整体更换。卷筒表面均布螺旋槽，槽内缠绕钢丝绳，转动时带动限速器不停地作正、反向交替运动。
按540m/min额定速度运行时，每半个周期工作钢丝绳长度为72m，卷筒直径为φ360,工作圈数为64圈,两端各留6圈,实际采用76圈。
卷筒旋转的同时伴随轴向往复移动，移动是由同步丝杠机构完成的，同步丝杠材质为40Cr，两套不同螺距的同步丝杠都安装到设备上，切换同步带的连接位置和丝杠螺母的连接方式（锁紧或松开），就可改变同带丝杠的工作状态（是否参与工作），并有专门的检测信号，保证丝杠和卷筒不会紊乱。
2.1.1.3负载装置
负载装置起固定和加载作用，有固定的旋转轴心，利用钢丝绳卷绳筒装置及其本身的重力涨紧钢丝绳。缠绕钢丝绳时需转动顶紧螺栓，托高卷筒装置辅助完成。
2.1.2 机械底架由型钢焊制，外形尺寸约为L2520×W1100×H1150。
2.1.3防护罩：采用透明板制成，固定在工作台面上。
2.2 电气部分
电气系统由驱动、检测、PLC、操控显示四部分硬件组成，由程序控制实现自动控制试验功能，整个系统见下图。
2.2.1 驱动功能
驱动部分由伺服电机和驱动器组成，驱动器接收PLC的指令，控制电机通过减速机驱动绳筒正反向旋转和水平往复运动。
2.2.1.1试验驱动
试验时，如果绳筒本周期离开原点，下个周期则应回到原点，不应有位置误差。否则经过上百万次的累计误差，钢丝绳两端的余量和绳筒行走的行程余量都是不够的。但如果严格按速度曲线进行控制，位置偏差是难以消除的。因此，伺服系统采用位置控制模式，在基本满足速度曲线的前提下，保证每个周期钢丝绳的工作长度一定，绳筒每2个周期就可回到原点。
位置控制时，PLC向伺服控制器输出脉冲，脉冲总数对应每个周期钢丝绳工作长度，而脉冲频率则对应绳筒的旋转速度，按照正向起动→加速→恒速→减速→停止→反向起动→加速→恒速→减速→停止的顺序周期运转。
2.2.1.2 维护驱动
当安装钢丝绳或检修时，需要绳筒动作配合。在操作箱上设“模式选择”开关，选“维护”模式时，可低速点动进行正反向运转；选“试验”模式则可进行正常试验。
2.2.2 测速功能
考虑到绳筒、钢丝绳和限速器轮三者间无打滑现象，可通过测量绳筒线速度替代限速器线速度。而绳筒的转速在伺服系统由可准确测量，由PLC读取转速，并根据不同绳筒直径换算成线速度即可。考虑到伺服控制器测速运算处理、信号输出、PLC采样和程序计算的误差，最大测速误差可控制在0.5%之内。
实时速度值在显示屏上以数值和曲线的方式显示。
2.2.3 计数功能
试验中绳筒每往复运动一次，算2个周期。为了计数，在绳筒附近安装1个接近开关，位置固定，在绳筒水平运动座中间安装1个感应片。开关每触发一次，PLC内部的周期累计值自动加1。累计值在显示屏上显示，最大计数值可达109。新试验开始时可人为清“0”，但有密码保护。
为做到断电后累计值不丢失，选用有停电数据保存功能PLC，将需要停电保存的数据保存在非易失性RAM中，或者将其数据写在SD卡中。
在显示屏上可预置试验周期数（密码保护），最大值109，最当累计次数达到时，自动停止试验。
试验中每间隔50万周期，系统自动停止运行，需人为起动可继续。
2.2.4 运行记录功能
正常试验中，每隔5万次需记录对应的时间、系统状态；每次起动、停止操作、自动停止或故障引起停止均要记录对应的时间和状态。为此，系统需有实时时钟供记录归档用。系统的PLC具备实时时钟功能，即使断电后在后备电池支持下，时钟会正常运行。
人机界面从PLC中读取时钟、计数值、相关事件和系统状态，在归档文件内对其进行记录。记录在单独画面内显示，并可以文件格式用SD存储卡（16GB）导出或打印输出，记录表格式大体如下表所示。
为防止存储卡容量不足引起记录丢失，建议每次新试验前将上次试验记录导出，画面届时作出提示。
2.2.5 保护功能
2.2.5.1钢丝绳联锁保护
试验过程中，钢丝绳应在绳筒上正常缠绕且处于张紧状态，如果缠绕错乱或断绳，应及时停止试验。正常状态时，钢丝绳的2个竖直段与台体的水平相对位置不变，而发生故障时，绳必定离开固定位置，因此系统实时监视钢丝绳1个竖直段的位置，一旦绳偏离位置，立即停机并报警。
在钢丝绳的1个竖直段附近呈90°安装2个槽形光电开关进行检测，信号同时有效为正常。当安装钢丝绳时将其移走，以防受损；钢丝绳就绪后，再移回来，并调整位置使信号正常。
2.2.5.2钢丝绳伸长保护
试验过程中，负载装置应该处于悬挂状态。如果钢丝绳少量伸长，只改变负载装置的倾角，只要不触底，不影响试验进行。如果伸长量过大，则负载装置会触底，试验必须中止。
因此，在负载装置侧面安装接近开关来检测其位置，保证在钢丝绳过量伸长时，自动停止试验并报警。
2.2.5.3绳筒行走装置联锁保护
选不同限速器试验，必须选择对应的绳筒和行走机构，而且要打开另1个行走机构的丝杠螺母，才能保证机构正常工作。为防止人为安装失误或运行中传动带损坏造成设备事故，在2个皮带和2个丝杠螺母处设置光电开关，检测其状态并与限速器型号在程序中建立联锁保护关系。试验启动时检查联锁状态，错误时禁止运行；运行中皮带状态异常，立即停机并报警
2.2.5.4绳筒行走限位保护
试验中绳筒往复行走，到端部时机械行程应有余量，绳筒上钢丝绳也有余量。控制中虽有误差消除措施，但位置累计误差仍然难免，当绳筒走到机械极限时，会造成设备损坏。因此，在两端设置绳筒行走限位开关，正常时其不会超越保护位，开关不动作。一旦开关动作，立即停机并报警。
2.2.5.5超速保护
试验中每种限速器的速度应该控制在相应范围内，系统设置各种限速器速度上限为110%额定值，正常试验时不应超速。一旦发生超速，PLC触发系统停机并报警。
2.2.5.6急停
操作箱面板上設“急停”按钮，紧急情况下按下，伺服系统断电停车。
2.2.6 人机界面规划
HMI设主画面、记录画面、参数画面共3个。
主画面：显示试验限速器型号、当前运行速度、速度曲线、预置周期数、当前累计周期数。
记录画面：显示试验的正常间隔、启动操作、停止操作、故障停车的记录列表，提供输出操作。
参数画面：密码进入，可选试验速度、设置总试验周期数、对累计周期数清“0”。
四．结束语
本文研究设计的电梯限速器寿命试验台用于电梯限速器开发过程的寿命试验，具有装夹方便，操作简单，方便的人机界面操作，准确而系统的数据采集能力及强大的数据库储存管理能力，有利于电梯限速器的开发及研制，更大大提高了电梯限速器设计效率，减少设计成本，缩短研发周期。
参考文献
[1] GB 7588 2003电梯制造与安装安全规范 [S].
[2] 成大先.机械设计手册（第五板）[S].化学工业出版社.第三圈
第一作者简介：
黄冠英，男，1980年生，广东湛江，大学本科（学士学位），助理工程师。研究领域：自动化及过程控制。
关键词：限速器寿命试验台、电梯限速器、寿命试验。
中图分类号：U464文献标识码： A
一 ．引言
限速器是电梯最重要的机械安全装置，限速器的制造质量、选型、校验、维护保养、检测设备的制造质量及正确操作，直接影响电梯的安全使用。而电梯限速器寿命试验台正是对限速器进行寿命试验的一种机电设备，它能够在实验室中模拟限速器实际使用工况进行长期寿命性试验，从而判断其是否满足设计要求及安全标准。
二．电梯限速器寿命试验台
电梯限速器寿命试验台是专门为电梯限速器的研发而开发设计的机电一体化的试验设备，满足
不同梯速的限速器寿命试验需求，其主要特征是系统的速度及加速度可调；测试试验台的使用不受限速器的中心高度、绳轮直径大小及底座安装宽度限制，兼容性极高；全自动数据采集、曲线生成，拥有数据储存、数据管理、数据备份及数据报表打印功能，从而使得使用人员能对测试过程进行监控。
2.1机械部分介绍
试验台采用卷筒缠绕钢丝绳直接拖动限速器绳轮转动，主要由驱动负载装置、机械底架及防护罩构成，见图1。
图1电梯限速器寿命特性试验台示意图
2.1.1 驱动负载装置：主要由驱动系统、卷筒装置及负载装置构成。
2.1.1.1驱动系统
试验台由伺服电机驱动，通过减速机减速，采用同步带联接方式，驱动钢丝绳卷筒按给定的速度曲线运行，进行试验。
（1）伺服电机的选取计算举例：
限速器转动惯量：93660.6kg.mm2=0.0937kg.m2
限速器额定速度540m/min，绳轮中心径φ360，对应钢丝绳卷筒直径φ360
绳轮线加速度：1.5m/s2
减速机减速比：1:3
减速机转动惯量：12.14kg.cm2=0.001214kg.m2
※卷筒惯量及惯性矩计算
J2=π/4 ×(0.3572-0.3272)× 946×7.85×（0.1785 2+0.16352）/2=3.5063 Kg.m2
J卷筒2= =3.5063 +2×（0.144 +0.0013-0.0458）=3.7053 Kg.m2
ε2=ω/t=v/(r2×t)=a/r2=1.5/0.18=8.333 rad/s2
J丝杆2=π/4 ×0.0482×1230×7.85×0.0242/2=0.005 Kg.m2
J主轴2=π/4 ×0.0542×1295×7.85×0.0272/2=0.0085 Kg.m2
J负2=3.7053 +0.0937+0.005+0.0085+0.0012=3.8125 Kg.m2
T2= J负2× ε2=31.77Nm
※伺服电机转速校核
电机减速后输出转速n=n0/i=1500/3=500rpm，
額定速度540 m/min限速器，对应φ360规格卷筒，最大转速n2=540/（π×D2）=477.5 rpm＜n
故速度满足要求。
※卷筒旋转驱动功率计算
按其负载的2倍计算，P= 2T2×n2/9550=2×31.77×477.5/9550=3.177kw。
※卷筒移动驱动功率计算
按最大负载320KG计算，额定速度540m/min=9m/s，对应转速477.5rpm=7.958r/s
加速度1.5m/s2，加速时间t=9/1.5=6s
丝杠螺距11.5mm,即每转一圈移动11.5mm，移动速度为7.958r/s ×11.5mm/r=91.52mm/s,
移动加速度a′=91.52/6=15.25 mm/s2
加速段称动距离S= a′t2/2=274.5mm
功率P′=m a′×S/t=0.22w＜＜P，故忽略不计。
所选电机功率4.4KW＞3.177KW
因此，所选电机满足设备要求。
2.1.1.2钢丝绳卷筒装置
由卷筒、支座及同步丝杠组成，试验不同型号的限速器时，使用不同规格的卷筒。卷筒更换要借助叉车等外部设备，将卷筒及其支座整体更换。卷筒表面均布螺旋槽，槽内缠绕钢丝绳，转动时带动限速器不停地作正、反向交替运动。
按540m/min额定速度运行时，每半个周期工作钢丝绳长度为72m，卷筒直径为φ360,工作圈数为64圈,两端各留6圈,实际采用76圈。
卷筒旋转的同时伴随轴向往复移动，移动是由同步丝杠机构完成的，同步丝杠材质为40Cr，两套不同螺距的同步丝杠都安装到设备上，切换同步带的连接位置和丝杠螺母的连接方式（锁紧或松开），就可改变同带丝杠的工作状态（是否参与工作），并有专门的检测信号，保证丝杠和卷筒不会紊乱。
2.1.1.3负载装置
负载装置起固定和加载作用，有固定的旋转轴心，利用钢丝绳卷绳筒装置及其本身的重力涨紧钢丝绳。缠绕钢丝绳时需转动顶紧螺栓，托高卷筒装置辅助完成。
2.1.2 机械底架由型钢焊制，外形尺寸约为L2520×W1100×H1150。
2.1.3防护罩：采用透明板制成，固定在工作台面上。
2.2 电气部分
电气系统由驱动、检测、PLC、操控显示四部分硬件组成，由程序控制实现自动控制试验功能，整个系统见下图。
2.2.1 驱动功能
驱动部分由伺服电机和驱动器组成，驱动器接收PLC的指令，控制电机通过减速机驱动绳筒正反向旋转和水平往复运动。
2.2.1.1试验驱动
试验时，如果绳筒本周期离开原点，下个周期则应回到原点，不应有位置误差。否则经过上百万次的累计误差，钢丝绳两端的余量和绳筒行走的行程余量都是不够的。但如果严格按速度曲线进行控制，位置偏差是难以消除的。因此，伺服系统采用位置控制模式，在基本满足速度曲线的前提下，保证每个周期钢丝绳的工作长度一定，绳筒每2个周期就可回到原点。
位置控制时，PLC向伺服控制器输出脉冲，脉冲总数对应每个周期钢丝绳工作长度，而脉冲频率则对应绳筒的旋转速度，按照正向起动→加速→恒速→减速→停止→反向起动→加速→恒速→减速→停止的顺序周期运转。
2.2.1.2 维护驱动
当安装钢丝绳或检修时，需要绳筒动作配合。在操作箱上设“模式选择”开关，选“维护”模式时，可低速点动进行正反向运转；选“试验”模式则可进行正常试验。
2.2.2 测速功能
考虑到绳筒、钢丝绳和限速器轮三者间无打滑现象，可通过测量绳筒线速度替代限速器线速度。而绳筒的转速在伺服系统由可准确测量，由PLC读取转速，并根据不同绳筒直径换算成线速度即可。考虑到伺服控制器测速运算处理、信号输出、PLC采样和程序计算的误差，最大测速误差可控制在0.5%之内。
实时速度值在显示屏上以数值和曲线的方式显示。
2.2.3 计数功能
试验中绳筒每往复运动一次，算2个周期。为了计数，在绳筒附近安装1个接近开关，位置固定，在绳筒水平运动座中间安装1个感应片。开关每触发一次，PLC内部的周期累计值自动加1。累计值在显示屏上显示，最大计数值可达109。新试验开始时可人为清“0”，但有密码保护。
为做到断电后累计值不丢失，选用有停电数据保存功能PLC，将需要停电保存的数据保存在非易失性RAM中，或者将其数据写在SD卡中。
在显示屏上可预置试验周期数（密码保护），最大值109，最当累计次数达到时，自动停止试验。
试验中每间隔50万周期，系统自动停止运行，需人为起动可继续。
2.2.4 运行记录功能
正常试验中，每隔5万次需记录对应的时间、系统状态；每次起动、停止操作、自动停止或故障引起停止均要记录对应的时间和状态。为此，系统需有实时时钟供记录归档用。系统的PLC具备实时时钟功能，即使断电后在后备电池支持下，时钟会正常运行。
人机界面从PLC中读取时钟、计数值、相关事件和系统状态，在归档文件内对其进行记录。记录在单独画面内显示，并可以文件格式用SD存储卡（16GB）导出或打印输出，记录表格式大体如下表所示。
为防止存储卡容量不足引起记录丢失，建议每次新试验前将上次试验记录导出，画面届时作出提示。
2.2.5 保护功能
2.2.5.1钢丝绳联锁保护
试验过程中，钢丝绳应在绳筒上正常缠绕且处于张紧状态，如果缠绕错乱或断绳，应及时停止试验。正常状态时，钢丝绳的2个竖直段与台体的水平相对位置不变，而发生故障时，绳必定离开固定位置，因此系统实时监视钢丝绳1个竖直段的位置，一旦绳偏离位置，立即停机并报警。
在钢丝绳的1个竖直段附近呈90°安装2个槽形光电开关进行检测，信号同时有效为正常。当安装钢丝绳时将其移走，以防受损；钢丝绳就绪后，再移回来，并调整位置使信号正常。
2.2.5.2钢丝绳伸长保护
试验过程中，负载装置应该处于悬挂状态。如果钢丝绳少量伸长，只改变负载装置的倾角，只要不触底，不影响试验进行。如果伸长量过大，则负载装置会触底，试验必须中止。
因此，在负载装置侧面安装接近开关来检测其位置，保证在钢丝绳过量伸长时，自动停止试验并报警。
2.2.5.3绳筒行走装置联锁保护
选不同限速器试验，必须选择对应的绳筒和行走机构，而且要打开另1个行走机构的丝杠螺母，才能保证机构正常工作。为防止人为安装失误或运行中传动带损坏造成设备事故，在2个皮带和2个丝杠螺母处设置光电开关，检测其状态并与限速器型号在程序中建立联锁保护关系。试验启动时检查联锁状态，错误时禁止运行；运行中皮带状态异常，立即停机并报警
2.2.5.4绳筒行走限位保护
试验中绳筒往复行走，到端部时机械行程应有余量，绳筒上钢丝绳也有余量。控制中虽有误差消除措施，但位置累计误差仍然难免，当绳筒走到机械极限时，会造成设备损坏。因此，在两端设置绳筒行走限位开关，正常时其不会超越保护位，开关不动作。一旦开关动作，立即停机并报警。
2.2.5.5超速保护
试验中每种限速器的速度应该控制在相应范围内，系统设置各种限速器速度上限为110%额定值，正常试验时不应超速。一旦发生超速，PLC触发系统停机并报警。
2.2.5.6急停
操作箱面板上設“急停”按钮，紧急情况下按下，伺服系统断电停车。
2.2.6 人机界面规划
HMI设主画面、记录画面、参数画面共3个。
主画面：显示试验限速器型号、当前运行速度、速度曲线、预置周期数、当前累计周期数。
记录画面：显示试验的正常间隔、启动操作、停止操作、故障停车的记录列表，提供输出操作。
参数画面：密码进入，可选试验速度、设置总试验周期数、对累计周期数清“0”。
四．结束语
本文研究设计的电梯限速器寿命试验台用于电梯限速器开发过程的寿命试验，具有装夹方便，操作简单，方便的人机界面操作，准确而系统的数据采集能力及强大的数据库储存管理能力，有利于电梯限速器的开发及研制，更大大提高了电梯限速器设计效率，减少设计成本，缩短研发周期。
参考文献
[1] GB 7588 2003电梯制造与安装安全规范 [S].
[2] 成大先.机械设计手册（第五板）[S].化学工业出版社.第三圈
第一作者简介：
黄冠英，男，1980年生，广东湛江，大学本科（学士学位），助理工程师。研究领域：自动化及过程控制。