编者按：将动力曳引机智能化，配置智能传感器使其在每天24小时监控曳引机的制动器动作可靠性，以及曳引力不足或缺失的问题。当相关问题出现时，运行电梯即就近平层，且故障显示或报警。
随着我国电梯的在用量越来越大，老百姓对电梯安全而便利地运行，以及乘坐舒适感的要求显得愈来愈迫切。就电梯设备安全性而言，当今电梯偶发性安全事故或事件也在逐年上升，且电梯在运行时发生的故障或人为因素引发的事故却使人不忍直视。对于我们电梯行业技术人员来说，有责任与义务应系统性而全方位分析，以及解决诸如此类相关安全问题及社会地关切。
我们知晓，近一段时间以来，电梯行业领导及专家讨论相关安全事故议题及标准时，而重点之一集中在电梯的动力系统，当电梯长期地运转，其启、制动安全问题能否得到有效解决。
一、问题地提出
众所周知，电梯制动器是电梯动力系统重要的安全装置，也是电梯安全运营的基础保障。若电梯制动器本身及控制系统等出现问题时，将会导致动力系统整体失效，对乘客的生命安全构成威胁。随着交流永磁无齿曳引机的广泛使用，电梯制动器同时被作为轿厢上行超速保护装置和轿厢意外移动保护装置的制停部件功能使用。目前市面上应用最广泛的是常闭型电磁制动器，主要由电气和机械部件组成，结构复杂且存在多种失效风险。也就是说，当前诸多引起人员伤害或财产损失的电梯安全事故都与制动器的失效密切相关。
可知，此类技术与安全问题已困扰我们电梯行业工程技术人员多年。长期以来，政府及企业不但在标准、法规与监管上陆续出台相关要求及措施，而且在设计上修改了相应结构及制作工艺的改进工作。但效果仍不甚理想，收效甚微。下面就专家对其产生的故障及问题，特提出如下几个方面的看法。
1. 在制动器设计阶段过分追求功能性，忽略了部件本身的可操作性，为后期的安装、调试及修理带来了极大的麻烦和不便。
2. 当设计工程师经验不足或考虑不周时，常常会出现一些先天不足或自带风险的电梯制动器产品。
3. 此外，一些配件生产企业为了节约成本，在重要零部件的选材上以次充好，缩减工序，导致风险的发生。
4. 在电气环节方面设计，有时考虑不到位而引起的风险。如电气元件的失效或损坏等细节。
5. 因制动器在电气、油污及环境等多方面的因素，导致制动器柱塞的机械动作延迟或滞后。
6. 在使用过程中由于长时间机械磨损及维护问题，易出现制动器柱塞的机械卡阻，或制动器两边机械动作不同步问题。
7. 若出现制动抱闸与制动轮工作面之间间隙的调整不注意，也直接影响到制动力矩的作用效果。
8. 当制动器维修不到位，或制动器等结构本身问题，易致制动轮界面受到油污及沙粒等污染。
9. 现鼓式制动器机械结构复杂，传动零组件较多， 如一个环节出现问题，则可能对其制动能力造成影响。如制动臂的一个销轴脱出，导致电梯制动失灵故障。
10. 因曳引机品类繁多，如对某一制动器维护说明书缺乏维保资料，以及维修人员素质及责任心问题，致使其动力系统出现安全隐患，极易诱发电梯事故。
综上所述，所提到的问题在电梯现场是显而易见的，且并非个案。所以，解决上述问题，这不但是电梯行业存在的顽疾，而且还是我们企业在运作中的短板。为有效抑制和针对电梯动力系统的众多问题，故国家将继续完善与改进其相关标准及法规等要求，从而进一步提升其动力系统的安全运行与可靠性。
二、方案地抉择
由此，国家针对上述问题及相关标准及法规，依据现行电梯新的专业技术标准，提出了强制性的相关检验规定，其具体检测要求及方法，现将其摘录如下：
A1.2.3.6 制动器状态监测功能
检查其是否能够监测制动器的每组制动力或者每次动作时每组机械部件的正确动作(松开或者制动)，当监测到失效时，是否能够防止电梯的正常运行。
A1.3.11曳引能力试验
A1.3.11.1 空载工况曳引能力试验
(1)轿厢空载，当对重压在缓冲器上而驱动主机按电梯上行方向旋转时，观察悬挂装置是否相对曳引轮打滑，或者驱动主机停止运转;
(2)轿厢空载，以额定速度上行至行程上部，切断电动机与制动器供电，观察轿厢(运载装置)是否完全停止。
A1.3.11.2有载工况曳引能力试验
轿厢内装载125%额定载重量的载荷，以额定速度下行至行程下部，切断电动机与制动器供电，观察轿厢(运载装置)是否完全停止。
A1.3.12制动性能试验
A1.3.12.1分组制动试验
轿厢内装载额定载重量的载荷，以额定速度下行，在驱动主机机电式制动器的一组制动部件失效的情况下，观察其余制动部件是否能够使轿厢减速、停止并且保持停止状态。
A1.3.12.2 125%额定载重量制动试验
轿厢内装载125%额定载重量的载荷，以额定速度下行至行程下部，切断电动机与制动器供电，观察制动器是否能够使驱动主机停止运转，并且轿厢及其附联部件和导轨等无明显变形和损坏。
从上所述，电梯动力系统相关问题的解决与预防的最终措施及办法，是通过其状态监测、曳引能力试验及制动性能试验来验证。这样不仅稳定了产品的质量及性能，但提高了设计与管理成本，而为产品的实用性及可靠度提供了保障，也为我们工程技术人员提出了一个新问题，因电梯是机电合一产品，长时间地运行出现机械磨损或电器损坏等状态时，或一旦维修人员的工作失误，那能否确保电梯故障发生时，不致引发相应安全事故哩！还有一个重要点，即我们维修人员能否做到对电梯运行设备24小时的维护及监控呢！或能否感知电梯动力系统仍处于正常运行期呢！这就是我们本发明所要解决的要点及落脚点。
因此，我们不妨引用电梯研究领域学者提出的一种电梯本质安全概念，特指通过设计等手段使设备或系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成安全事故的要求。也就是说，应将本质安全的思想和基本方法同传统动力系统的设计和使用结合在一起，提出相应的风险降低措施，藉以提高现有产品的安全性和可靠性。可见，此点与我们研究电梯智能化而提出的主动安全设计概念，具有异曲同工之妙。
从这段话中我们可找到解决上述问题的关键点，即电梯动力系统在控制过程中，应采取智能化方法，对其相应控制点进行动态跟踪及操纵，电梯控制操作系统将相关数字化信息及时而有效地传输到设备终端（如手机）上。当今随着物联网、人工智能及5G通讯技术地涌现，以及智能型传感器新技术及新工艺走向实用化，则为我们解决上述问题及方法提供了无限地可能。这就是我们面临所要解决的现实问题，以及本发明的理解和要点所在。
三、结构与方案
本发明总体方案在现行电梯智能化架构下，机房内（或电控柜）装设一动力安全自测试和监控系统。同时，在主机上配置相应的智能传感器等装置。它既替代可编程电子安全系统监测功能，又具备其制动器自动测试验证作用。也就是说，电梯在运营中的动力系统和制动器等零部件，运用智能传感器及电气监控系统，对其进行监测、运算及验证处置。同时，通过5G通讯低时延特点，可将其数字化信息输入电梯远程生态安全监控平台或设备终端。
图1 主机智能运行安全监控系统布置示意图
本发明详见图1所示，为电梯智能化与之配套的主机智能运行安全监控系统布置示意图。由电梯总成1、网联安全运行控制器2、主机4、限速器10、主钢丝绳7、夹绳器5、智能自动门锁17、电控柜3等组成。控制器2主要由传感器、电路板（含芯片操作系统）及软件等构成。副编码器11装设在限速器10主轴上。智能门锁17装设在层门上。夹绳器5装设在主机承重梁上，与双向限速器10（为速度触发装置）配合使用，故合称为电梯附加制动器。此外，在电控柜3配置常备电源（具有ARD功能）。
网联安全运行控制器，包括微机处理器、虚拟主机等电性连接，通过5G通讯高速而有效地处理动力控制信息及数据，确保其动力部件安全可靠地运营。
控制器：用于接收所述智能传感器将其装置生成数字化电气指令，以及反馈相关信息及指令；
微机处理器：用于动力系统控制回路和监控系统中相关信息等，以及通过所述传感器等装置的反馈信号，判断动力系统在运行中是否存在故障，并作出动态识别与处置。
虚拟主机：由所述传感器及其装置联网后在云端构建而成，所述虚拟主机用于在接收到所述智能传感器及其装置的反馈信号后，判断动力系统是否发生故障。而5G通讯系统与所述传感器及其装置的电性连接，以及监控系统组合构成5G云网络架构。
图2 主机外形总体示意图
图2为主机外形总体示意图。它主要由曳引钢丝绳、制动器38、制动器状态监测装置19、制动轮20及曳引轮21等零部件组成。
主机智能运行安全监控系统原理：通过对图1的总体布局，使主机驱动系统在电梯运营期间始终处于受控状态。当主机出现制动力不够、制动器抱闸打不开或不闭合时，通过主机4的内置智能力矩传感器（见图3中A-A剖面所示）与控制器2，以及制动器状态监测装置19， 对其监测的相关数据进行分析，与虚拟主机大数据中原始数据进行比较，则由电控柜中操作系统使电梯就近平层或开门放人；或停梯待修显示故障。同时向电梯远程监控设备终端发送相关数字化安全信息。
图3 主机智能力矩传感器结构示意图
图3为主机智能力矩传感器结构示意图，本图主体为一电梯交流永磁无齿曳引机全剖视图。它由压电晶体23、曳引轮棘爪22、滚珠摩擦电气滑环24及接线装置27等相关零组件构成。其中A-A剖面图4为智能力矩传感器主体结构。
主机智能力矩传感器工作原理：其原理与有齿曳引机联轴器原理基本相似，不同之处在于增设为智能传感器，运用传感器的特点，通过提取曳引轮和制动器之间运行时相关力矩信息（或数据），而发至控制器2进行处理。当电机启动转动时，制动器动板38动作（抱闸打开），则制动轮20转动，通过固定其上的压电晶体23与曳引轮棘爪22之间的啮合力矩[M(Fi)],带动曳引轮21在电机轴上转动，依靠曳引钢丝绳使电梯轿厢上、下移动。当轿厢到站平层时，电机断电，制动器抱闸紧急制动，则制动轮20停转，使曳引轮21也停止转动，在曳引轮21与曳引钢丝绳之间的曳引力作用下，确保轿厢平层到站。另一方面与压电晶体23相连的滚珠摩擦电气滑环的动圈也与电机轴一同转动，而接线装置与电气滑环的静圈结合在一起，同控制器电性联接。
图4 智能力矩传感器主体结构示意图
现从理论上分析电机、制动轮与力矩传感器动作时，其压电晶体与曳引轮棘爪之间的啮合力矩[M(Fi)]之间的关联。
电梯动力系统中电机输出的转矩方程式为：
M= Md + Mj
式中 Md为电梯传动系统的动态转矩；
Mj为电梯负载的静态转矩。
动态负载转矩:
Md =（GD2/375）（dn/dt）
式中 G为电梯系统总质量；
D为电梯传动系统的等效直径；
GD2是电梯系统的飞轮惯量。
综合上面的两个公式，得到：
M =（GD2/375）（dn/dt）+ Mj
可知曳引轮直径与不同运行速度也会对制动器扭矩产生影响。对于电梯的制动器，GB7588.1新标准及检规中相关要求，可以得出，作用在制动器轮上最大所需的力矩：
Mb = Mbj + Mbd
式中 Mbj为系统转化到制动器上的静力矩，Mbd 为动力矩。
Mbj =［（1.25-K）Q +T]gnη1 Dt/(2i1i2）
Mbd=（GD2/4）（dω1/dt）
式中 K为平衡系数；
Q为额定载重量；
T为轿厢侧钢丝绳重量（如果有补偿装置，为钢丝绳和补偿装置重量差）；
gn为重力加速度；
η1为与制动相关的机械效率；
Dt为曳引轮直径；
i1为减速箱减速比；
i2为曳引比；
ω1为制动轮的角速度。
从上可知，作用在制动器轮上最大所需的力矩应大于电机输出的转矩。依据图3所示，其传感器工作力矩计算公式如下：
M(Fi)＝ k FignR
式中 k为传感器负载正反转扭矩系数，且k∈（+1～+2）、（-1～-2）；
Fi（i∈1、2、3…n）为上述电梯在不同特定工况下，智能力矩传感器承受的动态临界值；
gn 为重力加速度值；
R 为力矩传感器阻力半径值。
动态力矩是指在制动器制动过程中，由其传感器测得的制动过程扭矩峰值。而静态力矩是指在电梯制停完成之后，在一定时间内由扭矩检定工具在规定的转动幅度下继续在制停方向上转动测得的扭矩值。可见动态力矩由传感器进行控制，精度高，需要的设备成本高，由于是转动过程中的峰值，所以不能直观地显示为最终的制动效果。
在研发给出动态力矩作为控制标准时，首先整理与测试所有不同运行工况下的制动点，将此压电晶体与曳引轮棘爪之间的啮合力矩[M(Fi)]作为最终动态力矩目标值。即针对不同速度及不同载重量的电梯进行数据收集及分析，按正态分布下的±4σ计算，然后与经验公式和不同工艺方法进行比对，按照安装现场电梯型号与品种的要求，进行最终确定。对于产品检验后期的力矩检测，则以此动态力矩数值作为电梯运行控制边界值。详见下表1所示。
表1：
在电梯现场检验过程中给出静态力矩作为控制标准时，由于最初对于各规格电梯并没有动态力矩，也不知道静态力矩需要对应什么样的动态力矩，且经过衰减后能保证达到静态力矩的要求。由此，需要由政府专业检验机构在智能主机系列前期试制阶段来完成此测试工作；并将相关数据储存进入物联网大数据作为样本及存储。其次，对每一台电梯进行第三方监督检验时，将其实测数据与物联网大数据存储数据进行对比，经修正确认后将此电梯制动器静态力矩作为动态扭矩直接释放到力矩数值管控区间运行。
其智能主机每台制动器测试时静态力矩到动态力矩的转换流程图，见图5所示。
图5 制动器测试时静态力矩到动态力矩转换流程图
图6为制动器状态监测装置外形总体示意图，它由机械调节机构34、压力传感器开关盒36、电气装置35、制动器静板37及制动器动板38等其它元器件组成。
图6 制动器状态监测装置外形总体示意图
制动器状态监测装置动作原理：当电机断电时，制动器动板在其弹簧力动作（抱闸闭合），通过机械调节机构，使压力传感器开关盒受压致其临界值，则产生一电信号，由电气装置将其信号发至控制器2上，又当电机接受指令启动时，则制动器动板在电磁力作用下压缩弹簧动作（抱闸打开），使压力传感器电气开关断开，其开关分离信号发至控制器上。因此，通过制动器抱闸的通断，能确保制动器状态监测功能处于有效监管状态。
图7为制动器状态监测传感器结构示意图，由机械调节机构34、放大机构39、正极触点40、负极触点41、发光二极管42及弹性绝缘体43等相关元器件构成。
制动器状态监测传感器工作原理：当制动器断电抱闸制动前，制动器动板38与制动器静板37之间保留一制动轮与抱闸间隙为δ值（通常≤0.7mm），当电机启动时，制动器抱闸打开，压缩内部弹簧力与制动轮分离，其制动间隙为一制动器调整值（小于δ值）。此时，正极触点在弹性绝缘体作用下与负极触点断开。同时，发光二极管燃灯，则验证传感器电气开关断开正常。当电机断电时，制动器动板（抱闸）在其弹簧力作用下与制动轮制动，防止制动轮继续转动，通过曳引轮与曳引钢丝绳的摩擦力使轿厢（含载荷）不再移动。其特点在于为确保制动轮与两组制动器抱闸间隙均匀，则通过机械调节机构和弹性绝缘体调节；其次，确保传感器电气触点在制动器调整值（小于δ值）下动作正常。
图7 制动器状态监测传感器结构示意图
由上得知，能检测到智能力矩传感器的M(Fi)瞬时值（即电流值）。
依据国家专业技术标准与检规中相关检验检测规定，针对主机动力监控系统地配置及制动器安全运行检测装置的设计，对主机动力安全监控系统及运行机理的方案实施如下：
1. 当交流永磁无齿曳引机在正常运营时，主机动力监控系统地配置及制动器安全运行检测装置处于24小时监控状态。一是主制动器每次动作时每组机械部件的正确动作(松开或者制动)时，确保且压力传感器电气开关断开正常（即开关压力阈值符合要求）。二是主制动器在抱闸动作时，其检测到M(Fi)此时瞬时值（动态力矩）符合力矩数值管控区间。否则，相关数据通过控制器操作系统进入虚拟主机进行其存储与对比。当识别系统显示为非正常，则操作系统下达停梯基站指令；并给电梯发出维修指令及信息；或显示电梯停止运行故障及待修。
2. 制动器状态监测功能
当主机动力安全监控系统监测到制动器的每组制动力或者每次动作时每组机械部件的正确动作(松开或者制动)，当监测到失效时，相关数据通过控制器操作系统进入虚拟主机进行其存储与对比。当识别系统显示为非正常，则操作系统下达停梯基站指令；并给电梯发出维修指令及信息；或显示电梯停止运行故障及待修。
3. 空载工况曳引能力监控功能
当轿厢空载或一、二位乘客，运行出现驱动主机越过顶层站，电梯仍向上继续运行或超速时，则主机动力安全监控系统中控制器、副编码器及智能门锁等，监控到主机电气控制或制动器失效状态，则相关信息通过控制器进入虚拟主机进行边缘计算与对比。当识别系统显示为非正常时，则操作系统下达主机紧急停梯指令。并附加制动装置也启动紧急制停电梯。此时，向电梯远程安全监控设备终端发出维修指令及信息。且系统显示电梯停止运行故障及待修。
4. 有载工况曳引能力监控功能
当轿厢内载运乘客未超载或满载下行时，出现制动器或超载装置等问题，导致电梯出现“滑梯”状态，则主机动力安全监控系统中控制器2、副编码器及智能门锁等，监控到主机电气控制或超载装置失效，则相关监控信息通过控制器进入虚拟主机进行边缘计算与对比。当识别系统显示为非正常，则操作系统下达主机停靠相邻层站指令。同时，附加制动装置启动就近平层制停电梯；或对电梯远程监控设备终端发出维修指令及信息；且显示电梯停止运行故障及待修。
5. 为确保电梯主机动力安全监控系统及其装置有效，以及确保其24小时不间断运行监控正常，则务必完成下述检规中电梯监督检验的相关内容及规定：
1）A1.2.3.6 制动器状态监测功能
2）A1.3.11曳引能力试验
3) A1.3.12制动性能试验
当完成、检查及确认其上相关检测要求与数据后，一是将其数据模型及相应样本数据存入微机处理器、虚拟主机中，作为今后电梯运营时对比区间值或阈值。其次，利用电梯远程安全监控平台，将此检测数据通过端口协议输入第三方电梯检验机构设备终端，作为此电梯是否合格的评判数值。
6. 执行上述电梯主机动力安全监控系统及其装置，均与物联网中5G通讯及电梯远程安全监控系统电性联接。还包括电梯等设备运行、检测及监管过程中运行的软件程序。此外，本发明运营程序等主要利用当今人工智能技术、5G（或北斗地基增强型系统）通讯技术，使电梯等成为集群分布式物联网交互运行及远程生态安全监控管理平台。
四、要点与总结
综上所述，本发明在于系统而有效地解决了电梯动力系统在长期地运转过程中，电梯运行启动/制动的安全问题；另一方面对其动力系统的控制过程中，运用人工智能技术与5G通讯技术，对其相应控制点进行动态跟踪与监测，将相关数字化信息或数据及时而有效地传输到远程监控设备终端上。而关键一点，维修人员对电梯动力系统地运行状况，能进行24小时的维护及掌控！同时，将电梯维保人员和管理人员工作量最大限度地降低；并让政府的电梯安全监管工作做到有据可查，及时而有效地处于监管状态。可见，使乘客在使用电梯过程中，确保其安全运营而棘手的问题变得轻而易举，且有效化解。
当然，本发明是对现有电梯主机安全配套部件及相关控制系统装置的结构进行了改进与增补。尽管对企业技术与管理成本相应增加，但整体结构与安全性能至臻完善，社会管理成本显著下降，社会效益大幅度提高，使老百姓生活幸福指数同步提升。
五、专利地说明
本方案已申报国家发明专利。其发明专利号为：202411354788.6。文中滚珠摩擦电气滑环（序号24）为外购专有技术配件。
吴哲 2024年12月28日整理于佛山
