超高速电梯改造方案中马达布置标准化的实现

引言

随着电梯技术的发展,超高速电梯的马达由20世纪八九十年代主流的直流马达已经发展到现在主流的永磁同步马达,而这些老旧电梯已经使用30多年了,现在正面临停产、零配件缺乏、电气老化、技术落后、能耗大、不符合新的电梯标准和新的检规等问题,不但维修成本越来越高,维修停梯时间也越来越长,严重影响楼宇乘客的正常乘梯,而且事故频发,安全隐患越来越多。这些老旧电梯必然需要更新改造,由于现在永磁同步马达效率高、结构紧凑、重量轻,而原来的老旧马达体积大且笨重,所以两者的布置方式和安装位置必然有着较大的差异。为了施工简便以及在更新改造中不破坏电梯机房预制承重结构,如何实现新马达的布置成为电梯改造面临的新挑战。下文以中国市场上超高速电梯老马达的几种布置为例,对更新改造过程中如何实现马达布置的标准化设计展开分析。

1电梯主要部件介绍

电梯设备是由机电合一的相关部件和组合件组装在一起的整体设备,每个部件都发挥着其各自的作用,有着各负其责的使命。它的主要组成部分可以从图1中看出。

(1)马达:也叫曳引机,它的主要功能是将自身的动力输出给电梯,使电梯上下运行,它是电梯的动力系统。电梯轿厢、对重、钢丝绳、补偿绳、乘客等重量都通过马达支架安装到机房土建上的,所以它同时也是电梯主要运动部件重量的载体。

(2)控制柜:控制柜内部一般由两部分组成,一部分是控制系统,它的主要功能是控制电梯运行和停止;另一部分是驱动系统,它的主要功能是驱动马达运行。所以,控制柜是电梯的"大脑"。

(3)限速器:电梯的安全部件之一,它的主要功能是监控轿厢或对重的运行速度。

(4)轿厢:轿厢是运送乘客或货物的电梯载体,也是乘客能够直接接触的电梯重要运动部件之一。

(5)门系统:门系统是乘客进出电梯的入口,是层站和轿厢的连接部分。轿门、层门、门机、门锁装置等构成了门系统。

(6)导轨:主要功能是保证和限制轿厢和对重只能沿着导轨做上下升降运动。

(7)对重:也叫平衡铁,它的主要功能是平衡轿厢的重量,使曳引系统的功率消耗减半,达到节能和提高效率的作用。

(8)缓冲器:电梯的安全部件之一,它的主要功能是在特定条件下起到缓冲作用,减少直接撞击的伤害。

通过以上所述电梯结构可以清楚地看出,整个电梯的主要运动部件包含轿厢(含安全钳)、对重、随行电缆、钢丝绳、补偿绳和补偿张紧装置。这些运动部件的重量都通过马达作用在机房土建上。而老旧电梯改造与新楼新安装电梯不同,新楼机房在设计时就预留了承重结构,电梯到现场直接安装;而改造则不同,由于原来电梯的预制承重结构是基于当时的马达布置预留的,与更新改造新马达安装位置和承重点位置多有不同,所以更新改造只能利用原来的预制承重结构重新布置新马达,即新梯安装是土建配合电梯,而更新改造是电梯配合原来的土建。

2老旧超高速电梯的系统重量和布置方式

2.1电梯主要运动部件的重量

对于超高速电梯,垂直运动部件和马达的总重量是非常大的。

式中,M总为作用在机房土建上的总重量(kg);Mmx为马达和支架的总重量(kg);K+0为轿厢、额定载重、悬吊、安全钳等的总重量(kg);M+为对重的总重量(kg);Mc为补偿张紧装置重量(kg);st为顶层高度(m);TH为提升高度(m);R为曳引比(1:1即为1,2:1即为2,4:1即为4等);msL为每米曳引钢丝绳的总重量(kg/m);p0为地坑深度(m);m+L为每米补偿钢丝绳的总重量(kg/m);mc+为每米随行电缆的总重量(kg/m)。

以上海某个5A甲等写字楼改造项目(载重1600kg,额定速度7m/s,提升高度226m)为例,M总重量约为21600kg。这样庞大的重量不能在几百米高大楼的机房内随便摆放,必须放置在有预留此重量的承重梁或楼板上。所以,老旧电梯改造过程中保留并利用原来承重的结构是非常重要的。

2.2国内老旧超高速电梯的马达布置方式

下面我们来看看几种典型老旧超高速电梯的马达布置和预制结构,如图2所示。

图2(a)马达布置的特点:电梯绝大部分垂直运动部件的重量通过马达支架直接作用在预制的钢筋混凝土牛腿上,而钢筋混凝土牛腿是预制在井道正上方楼板上的,如果按照我们正常的布置方式,需要切割整个钢筋混凝土牛腿,不但工作量大,而且将来重新布置马达承重结构困难(甲方明确不能开孔、敲墙,破坏土建原始结构)。另外,轿厢悬吊中心到两边钢筋混凝土牛腿的距离也不相等,a<b。

图2(b)马达布置的特点:电梯绝大部分垂直运动部件的重量通过工字钢直接作用在预制的钢筋混凝土牛腿上,钢筋混凝土牛腿是预制在井道承重墙上的,这也是目前各大电梯公司马达的主要布置方式。但此轿厢悬吊中心到两边工字钢的距离也是不相等的,a>b。

图2(c)马达布置的特点:电梯绝大部分垂直运动部件的重量通过马达支架作用在预制的钢筋混凝土牛腿上,一端钢筋混凝土牛腿预制在井道正上方楼板上,另外一端钢筋混凝土牛腿预制在井道承重墙上。图2(c)的结构与图2(a)(b)完全不同,采用横向布置,并且轿厢悬吊中心到钢筋混凝土牛腿两边的距离也不相等,即非中心布置,a<b。

以上3种情况有几个共同点:(1)轿厢悬吊点到两边支撑点的距离都是不同的,而且也不对称的。(2)都有预制的钢筋混凝土牛腿。(3)曳引绳比都是1:1。

3马马达布置的标化设计

3.1马马支架置的标化设计

我们的永磁同步马达是对称的,那么在设计马达支架时必须考虑在保证马达支架强度的情况下,将马达支架设计成非完全对称的、参数化的结构,做到尺寸基于现场情况的可变性。基于以上要求,设计的标准化马达支架如图3所示。

图3的标化马马支架

通过图3可以看出,在允许的尺寸范围内(宽度适用范围1500~2000mm,长度最大4000mm),马达支架的宽度和长度可以任意调整,但随着尺寸的变化,4个支撑点R10~R13反力也在变化,计算R10~R13这些反力需要考虑作用力和反作用力的平衡5F=0、扭矩在任意轴的平衡5M=0、板壳理论等。笔者在多次实际运用中发现可以简化成工程中常用到的静定梁模型来计算,误差几乎都在可控范围内。

还是以上面列举的改造项目为例,按照图4计算得到的反作用力大小如表1所示。

3.2马马减震垫置选型和计算

在此实际案例中发现,最大受力与最小受力之间的差距超过50%,那么,马达减震垫就不能采用相同规格参数,需按照减震垫上受力大小分别考虑减震垫选型和面积,否则个别减震垫超出允许载荷后,起不到减震、隔音、缓冲和防滑的效果,同时减震垫还会加速老化,失去应有的作用。情况严重时,马达支架甚至会产生变形而引起抖动、噪声、舒适感下降等问题。减震垫的规格参数如表2所示。

马达支架下面的4个减震垫的实用面积基于减震垫的材料和受力FR10~R13。

式中,p为允许的静载荷(N/mm2),参考项目中选用0.6N/mm2:A为减震垫的面积(mm2)。

还是以上面列举的改造项目为例,计算后减震垫的面积如表3所示。

4结论

通过以上的设计计算和具体案例中的多次成功使用可知,在改造过程中保留原有的机房预制承重结构,并使用此标准化改造马达支架,有如下机电优势:

(1)在前期现场勘测中节约了勘测时间,减少了因勘测导致的停梯时间 ,提高了员工工作效率 ,减少了对客户电梯使用 的影响。

(2)在前期投标阶段 ,节约了工程师的方案设计和计算时 间 ,提高了投标阶段的效率。

(3)在订单处理阶段 ,不但节约了非标设计时间 ,还减少 了工厂非标生产量 , 降低了制造成本。

(4)在施工阶段 ,减少了土建整改的工作量 ,不但提高了 安装效率 ,还将施工停梯时间减少了一周左右。

综上所述 ,超高速电梯改造方案中马达布置的标准化设 计 ,不但节约了人工设计和制造成本 ,而且缩短了生产制造周 期和施工中停梯时间 ,进而提高了工作效率和客户满意度。