无机房电梯技术管理研究论文
摘要：为了满足建筑市场的需求,自从九十年代以来,世界著名跨国电梯公司OTIS.SCHINDLER.KONE.MTTSUBISHI等纷纷研制无机房电梯,并分别在1997年上海第二届和1998年北京第三届中国国际电梯设备及技术展览会上先后推出无机房电梯实物展品或录像介绍……
关键词：无机房电梯关键技术电梯井道布置
为了满足建筑市场的需求,自从九十年代以来,世界著名跨国电梯公司OTIS.SCHINDLER.KONE.MTTSUBISHI等纷纷研制无机房电梯,并分别在1997年上海第二届和1998年北京第三届中国国际电梯设备及技术展览会上先后推出无机房电梯实物展品或录像介绍.---无机房电梯是在建筑市场激烈的成本竞争和电梯行业迅速的技术进步前提下部世的,它不是电梯无机房的简单局部改进,而是电梯技术的一次意义深远的多方面变革.这是因为目前无机房电梯采用的一些关键技术,将会推广应用到其他电梯产品上,进而带动整个电梯行业的技术进步.下面根据目前国内外无机房电梯的发展动态和我们自己的开发体会,对无机房电梯的关键技术进行初步探讨.
1.井道布置
无机房电梯的首要难题是在不设机房的条件下,如何将轿厢、对重、驱动主机、控制柜、限速器等关键部件布置在一般电梯井道内。如果取消机房后，通过加大井道截面尺寸或者增加井道顶层高度来解决这一问题，那将得不偿失。解决无机房井道布置这个难题的主要途径是巧妙利用井道空间、研制特殊电梯部件和开发新型驱动方式。
---1.1巧妙利用井道空间—
可以用做无机房曳引驱动电梯布置驱动主机和控制柜的井道部位有：
A)井道顶层空间。这一方案是采用专门设计制造的扁形盘式驱动主机使其能安放在井道顶层轿厢和井道壁之间，而把控制柜与顶层层门装成一体。其主要优点是驱动主机和限速器与有机房电梯受力工况相同以及控制柜调试维修方便。其主要缺点是电梯额定载重量、额定速度和最大提升高度受驱动主机外形尺制约和紧急盘车操作复杂困难。
B）井道底坑空间。这一方案是将驱动主机安放在底坑内，而把控制柜挂在靠近底坑的轿厢和井道壁之间。其最大优点是增加电梯额定载重量、额定速度和最大提升高度不受驱动主机外形尺寸限制和紧急盘车操作方便容易。其主要缺点是由于驱动主机和限速器受力工况与普通电梯不同，因此必须进行改进设计。
C）井道侧壁开孔空间。这一方案是将驱动主机和控制安放在顶层井道侧壁预留开孔之内。其最大优点是可以增加电梯额定载重量、额定速度和最大提升高度和能够选配普通电梯使用的驱动主机和限速器，而且安装维修和紧急盘车操作也较方便。其主要缺点是需要适当增加顶层预留开孔井道侧壁的厚度和在井道壁开孔外侧装设检修门。
——1.2研制特殊电梯部件—
无机房电梯取消机房后，为了满足不同井道布置的需要，已经投入使用的主要特殊电梯部件有：
A）结构紧凑并可满足不同工况的新型驱动主机；
B）具有较高灵活性、方便性和可靠性的控制柜；
C）构造简单且能减小宽度和高度外形尺寸的连体轿厢轿架；
D）为了减小井道顶层高度而可以进行伸缩安装的轿顶护栏；
E）符合GB7588规定和可以设在井道不同位置的新型限速器；
F）能够装在轿架梁上端或下端的单提位安全钳系统；
G）既符合GB7588缓冲行程的规定又具有最小安装尺寸的新型缓冲器；
H）简单方便和安全可靠的紧急操作装置。
——1.3开发新型驱动方式为了解决无机房电梯井道布置的困难——
已经开发问世的新型驱动方式主要有直线电机直接驱动轿厢或对重、摩擦传动机构直接驱动轿厢以及钢丝带曳引驱动轿厢和对重。它们共同的思路是通过压缩驱动主机尺寸或者简化传动机构环节来处理井道布置问题，具体说明见后。
2.顶层高
无机房电梯取消高于建筑物顶层的专用机房后，如何减小井道顶层高度是第二个难题。这是因为当井道顶层超过建筑物主体高度时，将使不设机房变得几乎没有意义。
2.1轿厢
GB75885.7.1.1规定“轿顶最高面积的水平面，与位于轿顶投影部分的井道顶最低部件的水平面之间的自由垂直距离应不小于1.0+0.035V2（m）。”和8.1.1规定“轿厢内部净高度不得小于2m。"，因此在符合上述规定的前提下通过压缩轿厢高度来减小井道顶层高度的唯一途径就是选取最小轿厢内部净高度和尽量减小吊顶所占轿厢高度空间。
2.2轿顶护栏---
GB75885.7.1.1C）规定“井道顶的最低部件与固定在轿厢顶上的设备的最高部件之间的自由距离，应不小于0.3+0.035V2（m）。”，当轿厢顶部装有安全护栏时，绝大多数情况下轿顶护栏将是轿厢顶上的最高部件和成为决定顶层高度的关键因素。由于设置轿顶护栏的目的是为了安装或检修电梯时防止操作人员坠入井道，而电梯正常运行时轿顶不允许站人，因此可把轿顶护栏设计成插接式，当进行安装检修操作时把活动部分提高到安全高度并销接，而在开始正常运行前再将活动部分退回到较低位置。
2.3井道顶最低部件
GB75885.7.1.1B）和C）规定说明井道顶层高度与井道顶最低部件有关。井道部件通常是指安装检修吊钩、悬挂装置承重梁和钢丝绳固定装置等，为了减小井道顶层高度，应当把井道顶部件安放在井道顶层轿厢与井道壁之间。
2.4极限开关–
GB758810.5.1规定“电梯应设有极限开关，并应设置在尽可能接近端站时起作用而无误动作危险的位置上，极限开关应在轿厢或对重接触缓冲器之间起作用，并在缓冲器被压缩期间保持其动作状态。”，而GB75885.7.1.1又规定确定曳引驱动电梯顶部间距的前提是当对重完全压在它的缓冲器上，因此极限开关的安装位置与轿厢在顶层时对重与缓冲器的安装距离有关，所以应该在条件允许情况下减小顶层极限开关起作用的安装距离，以便减小轿厢位于顶层时对重与缓冲器的安装距离，最终达到减小井道顶层高度的目的。
2.5对重
为了对重利用井道截面，无机房电梯通常将对重与驱动主机布置在轿厢与井道壁的同侧空间之内。当电梯额定载重量较小和相应的井道截面尺寸有限时，常常通过增加对重高度来压缩其需要占据的井道垂直方向投影面积，这样会出现对重而不是轿厢决定顶层高度的情况。解决这一问题的方法有二：其一与前顶层极限开关理由相同而减小底层极限开关的起作用安装距离；其二在不改变对重与缓冲器安装距离的条件下降低对重缓冲器的安装高度。
3.连体轿厢轿架
由于把轿厢轿架做成一体，不仅能够压缩外部尺寸，而且可以简化轿厢轿架的结构，所以连体轿厢轿架是无机房电梯应该采用的一项先进技术。
3.1立梁嵌接轿壁为了压缩轿架的外部尺寸，便于无机房电梯的井道布置；把轿架立梁与轿厢轿壁嵌接的设计优点有三：其一可使轿架导轨方向尺寸减小100mm以上；其二立梁与轿壁嵌接后刚度互补和强度提高；其三型钢立梁的槽形空间可以安放轿厢操纵盘和开设轿厢自然通风孔。
3.2上梁拼成轿顶—
连体轿厢轿架把型钢上梁与几块成型钢板组成拼装轿顶的好处如下：一是可以减小轿厢轿架的高度尺寸；二是上梁与轿顶拼成一体后刚度互补和结构简化；二是型钢上梁的槽形空间可以安放轴流风机和用作线槽进行布线。
3.3可装压重轿底—
把轿厢内外轿底做成一体后放在曳引悬挂横梁上是连体轿厢轿架的另一个特点，好处有三：其一压缩了轿底的高度尺寸；其二简化了结构和减轻了重量；其三内外轿底合一后刚度增大和强度提高，便于装设压重。无机房电梯为了选配小型驱动主机，通常采用2：1曳引驱动，这在某些特殊情况下可能发生轿厢无法下行而曳引绳打滑，因此在轿底装设压重是解决这一问题的有力措施。
3.4万向缓冲靴–
由于轿厢和轿架做成一体后在它们中间取消了减振装置，因此装在连体轿厢轿架上的导靴应该选用具有多个方向缓冲作用的产品。目前多数轿厢导靴在导轨轨顶方向装有预紧力可调的弹簧，而在导轨轨侧方向只设减振橡胶垫。对于连体轿厢轿架来说，为了弥补取消的减振装置，应该选用至少在轿厢导轨轨顶和轨侧三个方向具有预紧力可调的导靴，以加大对轿厢的'减振作用。如果选用万同缓冲导靴可能减振效果更好，这在目前电梯配件产品中可以选配到的。
3.5曳引悬挂横梁—
采用2：1曳引的连体轿厢轿架，一般通过减振橡胶垫将其安放在悬挂横梁上，这样驱动主机即可通过绕过装在悬挂横梁上二个返绳轮的钢丝绳驱动轿厢沿着导轨上下运动。为了防止减振装置在轿厢超载或冲顶墩底时，不被压坏或者错位，应该在连体轿厢轿架和悬挂横梁之间设置限位和防跳螺栓。另外为了减缓轿厢运行时的垂直和水平振动，减振橡胶垫应该具有稳定的工作刚度和较长的使用寿命。
4.驱动方式
开发各种新型驱动方式是无机房电梯的一个重要发展方向。普通电梯由于能把驱动主机安放在具有足够空间的机房内，因此通常采用1：1钢丝绳曳引驱动。对于无机房电梯来说，如不采用新的驱动方式，是很难解决井道布置这一难题的，因此出现下述各种新型驱动方式。
4.1钢丝绳曳引驱动--这种驱动方式与传统钢丝绳曳引驱动有二大变化；一是采用2：1曳引比，使曳引驱动转矩减小一倍和曳引轮转速提高一倍后来压缩驱动主机外形尺寸；二是研制扁形盘式同步无齿驱动主机，以便能够安放在井道上端轿厢和井道壁之间。
4.2钢丝带曳引驱动--这种驱动方式的重大改进是采用扁形钢丝带代替园形钢丝绳，这样在同样绳经比条件下，大大减小了曳引轮直径，再加上采用2：1曳引比，使曳引驱动转矩进一步减小和曳引轮转速更加提高，因此大大压缩了驱动主机外形尺寸，以致可以容易地将其安放在井道顶层轿厢和井道壁之间。
4.3直线电机驱动--这种驱动方式可以不要对重，将永久磁铁直接安装在轿厢上而把线圈固定在对应侧的井道壁上，通过组成的直线电机直接驱动轿厢上下运动。另外也可将线圈安装在对重上而把永久磁铁固定在对应侧的井道壁上，通过组成的直线电机间接驱动轿厢上处运动。
4.4磨擦轮驱动--这种驱动方式是把带有磨擦轮的驱动主机直接安装在轿厢底部，使其与特制的轿厢导轨接触并借助压轮施加一定的正压力，这样通过驱动主机带动磨擦轮旋转时产生的磨擦力来驱动轿厢沿着导轨上下运动。
上述四种驱动方式是为了解决无机房电梯的井道布置而先后出现的，各有优缺点，均待改进完善，究竟哪种方式能脱颖而出还要通过市场竞争和长期使用进行检验。
5.控制系统
由于无机房电梯不设机房，因此它的控制系统和普通电梯相比具有更高的灵活性、方便性和可靠性。
5.1灵活性--为了便于电气布线，无机房电梯的控制柜通常安放在靠近驱动主机的位置，主要有三种形式：其一当驱动主机安装在井道底坑内时，控制柜放在顶层并与层门做成连体型；其二当驱动主机安装在井道底坑内时，控制柜放在井道底层轿厢与井道壁之间并做成壁挂型；其三当驱动主机安装在井道壁开孔空间内时，控制柜放在同一开孔并做成轻便型。
5.2方便性--无机房电梯控制系统的方便性主要是指下述几个方面：第一电气设备的选型与安装应有利于井道内动力电路、安全电路、照明电路和控制电路的井道布线；第二控制框外形应能满足连体型、壁挂型和轻便型的特殊尺寸要求；第三控制柜的设计应能适应连体型、壁挂型和轻便型的特殊安装要求；第四不管控制柜放在什么位置和采用哪种形式都能进行检修操作。
5.3可靠性--无机房电梯的井道布置比普通电梯紧凑得多，这增加了控制系统的检修难度，因此应该具有更高的可靠性。设计中应特别注意下述问题：一是控制系统选用的电气设备和元器件应该具有较长的使用寿命和较高的工作可靠性，以便减少检修工作量；二是放在井道附近的控制柜容易和电气线路产生干扰，因此在控制系统设计中应采取更加得力的软件和硬件抗干扰措施；三是应该采用串行通讯先进技术，以便减少井道电缆和导线的数量以及提高信号交换的可靠性。
6.紧急操作
GB758812.5.1规定“如果向上移动额定载重量的轿厢，所需的操作力不大于400N，电梯驱动主机应装设手动紧急操作装置，以便借用平滑的盘车手轮将轿厢移动到一个层站。”，无机房电梯由于井道布置困难，一般不采用应急备用电源进行紧急操作，因此如何装设手动紧急操作装置也是无机房电梯一大难题。具体难度有三：其一紧急操作装置如何简单方便地与驱动主机接合或脱开；其二操作人员站在何处紧急盘车操作；其三如何检查轿厢是否进入开锁门区。
6.1顶层井道外盘车--当把驱动主机安放在井道顶层内时，在顶层层门处开洞，操作人员站在顶层层门外通过专用机构打开驱动主机制动器，然后利用轿厢和对重的重量差驱动轿厢运动，同时通过层门洞口观察轿厢是否进入开锁门区。这一方法的主要问题是当轿厢和对重接近到平衡载荷时，不能确保轿厢产生运动。另外利用制动器控制轿厢运动的操作也不够安全。
6.2底坑井道内盘车--当把驱动主机安放在井道底坑内时，操作人员进入底坑进行盘车操作与在机房操作一样简单方便，但问题是当停车故障正好发生在轿厢处于底层开锁区上方时，操作人员无法进入底坑。如能在底坑处装设检修门，则此问题可迎刃而解。
6.3井道壁外平台盘车--当把驱动主机安放在井道壁开孔空间内时，操作人员可以打开检修门站在平台上，进行盘车操作。这一方法的问题是当检修门能装在建筑物内侧时，操作人员可借助临时平台进行操作，但如果检修门必须装在建筑物外侧时，则需要在建筑物外面设置爬梯和简易悬臂平台。
7.通风照明
无机房电梯不设机房后如何处理井道通风、机房通风和机房照明是容易忽略的问题。
7.1井道通风--GB75885.2.3规定“在井道顶部应设置通风孔，其面积不得小于井道水平断面面积的1％。通风孔可直接通向室外，或经机房或滑轮间通向室外。”，有机房电梯的井道顶部通常设有电缆导线、曳引钢丝绳、限速器绳等开口，其总合面积一般可达到1％井道断面面积的通风要求，因此无需开设专用通风孔。对于无机房电梯来说，取消机房后应该在井道顶部开设专用通风孔，否则将不符合GB7588规定，另外也会增大电梯的运行噪声。
7.2机房通风--GB75886.3.5规定“机房必须＝通风，以保护电动机、设备以及电缆等，使它们尽可能地不受灰尘、有害气体和潮气的损害。”和6.3.5.2规定“机房内的环境温度应保持在5-40度之间。”，对于无机房曳引驱动电梯来说，驱动主机通常采用顶层内上置、底坑内下置和井道壁开孔内侧置，可以把井道看作机房，因此只要设计中考虑了井道通风。即可满足GB7588对机房提出的通风和温度要求。
7.3机房照明--GB75886.3.6规定“机房应设有固定式电气照明，地板表面上的照度应不小于200LX。照明电源应符合13.6.1的要求。在机房内靠近入口的适当高度处应设有一个开关，以便进入时能控制机房照明。机房内应设置一个或多个电源插座。”的主要目的是为电梯在机房内进行安装、调试、维修和紧急盘车操作提供足够的照明。对于无机房电梯来说，应该根据驱动主机和控制柜的安装位置参照上述规定设计照明电源、电源开关和电源插座，以保证驱动主机、控制柜、限速器等部件能在足够条件下进行安装、调试、维修和紧急盘车操作。
8.主要参数
由于无机房电梯不设机房，所以额定载重量、额定速度和最大提升高度三个主要参数受到了井道布置的制约。
8.1额定载重量--曳引驱动无机房电梯的关键技术之一是如何压缩驱动主机的外形尺寸，以便解决井道布置的困难。曳引转矩是决定驱动主机尺寸的主要因素之一，而它直接与载重量和曳引轮直径有关。GB75889.1.1和9.2.2分别规定了曳引钢丝绳的公称直径不小于8mm和曳引轮的节园直径与钢丝绳的公称直径之比不于40。在满足上述规定和载重量相同的前提下，减小曳引转矩的方法有三：其一采用2：1曳引比，使钢丝绳拉力减小一半；其二8mm钢丝绳曳引驱动，使曳引轮节园直径减到320mm；其三采用钢丝带曳引驱动，使曳引轮直径减到更小。
8.2额定速度--无机房电梯额定速度的大小是决定驱动主机外形尺寸的另一个重要因素。提高电梯运行的额定速度必然加大电动机和减速器的驱动功率，毫无疑问将导致驱动主机外形尺寸的增大，同样会带来井道布置的困难。另外提高额定速度后还会给无机房电梯带来如何降低振动和噪声的新问题。
8.3最大提升高度--制约无机房电梯井道布置的另一个主要参数是最大提升高度。它的影响主要反映在二个方面：一个方面是增加电梯提升高度会加大轿厢悬钢丝绳、随行电缆和平衡补偿链的重量，故使曳引转矩随之增加，最终导致驱动主机外形尺寸加大和井道布置困难；另一个方面是无机房电梯的驱动主机、悬挂绳头、返绳滑轮、限速器等部件常常安装在与井道内壁固接的轿厢导轨、对重导轨或承重梁上，因此增加电梯提升高度，也会加大导轨、承重梁和井道内壁的支承力。综上所述，额定载重量、额定速度和最大提升高度既是限制无机房电梯使用的约束条件，也是促进电梯技术的发展动力。目前投放市场的无机房电梯三个主要参数大多在1000kg、1.0m/s和40m以下，今后随着各种新技术的出现和发展，三个主要参数肯定会逐步增大。
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