电梯的安全保护一般来说,只要通过接触器将电流持续地送入曳引电动机,便可实现电梯的竖直运行。如果加上控制系统,电梯就可以根据外呼和内选来自动地执行运输任务了。若再在主电路上配置一个由控制系统操纵的变频器或是调速器,那么电梯的轿厢便可以按照给定速度的曲线运行,为乘客提供舒适的服务了。
如果单从实现运行的角度来说,电梯的安全保护系统似乎可有可无,然而电梯作为一个在竖直方向上运送乘客和货物的特种设备,它必须是一个完善的工程设备,必须具有足够的安全性,否则不足以称其为安全电梯。自 1854 年奥的斯发明的“轿厢钢丝绳断裂保护”安全装置用于电梯后,出现了安全电梯的概念。之后,随着科学技术的发展和人们安全意识的日益增强,电梯的保护思想和理论不断发展,为安全电梯赋予了深刻、丰富的内涵。
安全电梯的基本特征
安全电梯必须对乘客以及与电梯有关的人员进行保护,同时也要对电梯本身和所载物资以及安装电梯的建筑物进行保护。在保护方面,安全电梯较之其他设备,具有如下四个基本特征。
(1)乘客的安全空间。在乘坐电梯的过程中,与乘客有关的空间共有三个:一是楼层(在不同高度上的水平空间);二是井道(连接各楼层的竖直空间);三是轿厢(运送乘客的封闭空间)。一般来说,楼层是安全空间,轿厢是一个被设法保证的安全空间,井道是个危险空间。电梯必须保证乘客只能在楼层上或者在轿厢里,而绝对不可能进入井道。如果乘客身体的一部分在楼层上,另一部分在轿厢里,此时轿厢绝对不可运动,以防止乘客在进入或走出电梯时,通过门机系统跌入井道或是被剪切。通常安全电梯必须在下述四个方面确保乘客在楼层上或轿厢里,而绝不会进入井道。
①开在井道壁上的层门、检修门及各种空洞都装有无孔的门以保证井道封闭。这些门都不得向井道内开启,电梯运行时应全部处于关闭锁紧的状态。每个门洞都具有一个安全触点,用以确认门的关闭状态。只要有任何一个门未能关闭,电梯便不能运行。在进行电梯维修时,凡是需要打开的通往井道的门或孔洞,在相应位置应采取可靠措施,以确保乘客不会误入井道。
②层门的启闭。层门是隔断或连通楼层与轿厢两个空间的装置。有多少个层站就有多少个层门。层门的表面光滑平整,周围缝隙狭小,而且具有自闭能力,在垂直方向施加300 N的力或是在开启方向施加150 N的力都不应丧失封闭的功能。在一般情况下,它只接受轿门的控制,在轿厢到达停靠层站时,轿门驱动层门,二者同步打开或关闭,此时其他所有层门都应保持在关闭状态。在特殊情况下,只有接受专门训练且有资格掌管三角钥匙的人员方可打开层门,此时电梯应自动停止运行,或是保持在停止状态。
③轿门的启闭。轿门是打开和封闭轿厢的装置,也是操作层门启闭的装置。在一般情况下,轿门只能在轿厢停层时打开。它的打开与关闭通常由开门机驱动,轿门通过专用的装置与层门联接并使二者同步进行开关门运动。为了防止关门过程中碰伤乘客,最大关门速度不得超过 0.3m/s,最大阻止关门力不得超过 150N,平均关门速度下的最大动能不得超过 10J;在轿门未完全关闭的情况下,电梯不能启动或不能继续运行。在特殊情况下,在靠近层站的地方,在轿厢停止运行并切断开门机电源的时候,可用一个 300N 的力打开(或部分打开)轿门以及与其相联接的层门。
④门锁的作用。门锁装在层门上,是层门保持关闭的装置。在锁住层门时,沿开门方向用小于 300N 的力不会使门锁降低锁紧效能,用小于 1000N 的力不会使锁紧元件出现永久变形。门锁有防粉尘、耐振动、易检查的特点。在一般情况下,门锁只能被轿门打开。在特殊情况下,可以由专门人员用钥匙打开。除机械装置外,门锁还有一个电气装置,即与层门保持同步闭合或打开的安全触点,它负责向控制柜提供层门关闭和门锁是否处于锁紧状态的信息。轿门上也有一组同样的安全触点。这些安全触点与其他重要部位的许多安全触点一起串联在安全回路中,只要有一组安全触点未闭合,电梯便不能通电运行。
(2)加减速的安全范围。在乘坐电梯的过程中,可能会因非正常的加、减速度产生失重、超重的冲击对乘客造成伤害。通常电梯应在下述四种情况下,确保电梯安全管理乘客承受的加、减速度保持在安全的范围内。
①正常情况下国家标准对正常运行的电梯推荐的启制动加减速度最大值不超过 1.5m/s,其平均值不低于 0.48m/s(额定速度为 1.0~2.0m/s)和 0.65m/s(额定速度为 2.0~2.5m/s 时)。应当说明:这个数值不是安全的界限,而是一个舒适性的界限。这么小的加减速度不但不会给乘客带来任何不舒服,还会使乘坐电梯变成“上上下下的享受”。
②安全钳制停时。轿厢运行速度超过了额定速度的 115%时,电梯的限速器就会起作用。它首先用一个符合安全触点要求的装置切断电梯控制回路,切断曳引机的电源,与此同时曳引机上的制动器失电动作,使曳引机逐渐停止转动并保持在静止状态;如果切断电源后轿厢速度没有减速,限速器紧接着会拉动轿厢安全钳(或对重安全钳,或是其他形式的上行超速保护装置)动作,使轿厢对重系统停止运动。在轿厢从运动到停止的全过程中,其平均加速度小于重力加速度 g。
③缓冲器制停时。顶层和底层是轿厢运行不可逾越的上下两个端站,轿厢运行达到端站时如果未停止运行,端站停止开关会发出信号使电动机减速制停。此时如果电梯轿厢继续运行,就会触动极限开关切断曳引机的电源,曳引机上的制动器使电梯减速制停。如果此时仍未能使下行的轿厢停止运行,轿厢就会碰到缓冲器。在轿厢装有额定载重量且速度未超过 115%额定速度的情况下,缓冲器会使轿厢以小于 g 的平均减速度从运行状态变为静止状态,实现软着陆。轿厢上行超越端站时,对重侧的缓冲器顶起对重使轿厢因受阻力和重力而制停。
④曳引机制动器制停时。只有当曳引机接通电源时,制动器才处于打开状态。当曳引机失电时制动器立即动作,并向与曳引轮直接联接的部件施力制动。如果制动器动作之前曳引机转速为零,制动器动作之后会使曳引机保持静止状态;如果动作之前曳引机正常转动,制动器动作之后以一定的制动力使曳引机减速直到停止转动。制动器必须具有这样的能力:当轿厢载有 125%额定载荷并以额定速度运行时,操作制动器应能使曳引机停止运转。在上述情况下,轿厢的减速度不应超过安全钳装置动作或轿厢撞击缓冲器上所产生的减速度(平均制动减速度应在0.2~1.0 g)。为了保证制动器的工作可靠性,所有参与向制动轮(盘)施加制动力的制动器部件应分两组装设。即使一组部件不起作用,另一组也能使制动轮(盘)获得足够的制动力,使载有额定载荷的轿厢减速制停。
(3)持续有效的安全性。安全电梯应从机械、电气两个方面保证电梯具有本质的安全性。
在机械方面:①安全电梯必须根据标准的要求和良好的实例制造机械装置,要保证即使在无法检查的情况下,也不损坏至濒临危险的状态;②应从电梯零部件的设计、制造、安装等环节考虑其结构的合理性、可靠性,防止危险状况的发生;③保证所选择和配置的零部件在预期的环境影响和特定的工作条件下,不会影响电梯的安全运行;承载支撑的设计应保证在 0~100%额定载荷下均能安全运行;④在电梯的整个使用寿命周期中,对其零部件进行良好的维护保养,从而保证虽有磨损仍能满足其尺寸要求,并保持正常的工作状态;⑤要考虑到由于材料失效、强度丧失而造成的结构破坏。
在电气方面,安全电梯一律采用标准的安全电路。安全电路除了要求本身发生故障时不成为导致电梯危险故障的原因外,还应满足如下要求:①如果某个故障(第一故障)与随后的另一个故障(第二故障)组合导致危险情况,那么最迟应在第一故障元件参与下一个操作程序前使电梯停止。只要第一故障仍然存在,电梯的所有进一步操作都应是不可能的。第一故障发生后,而在电梯按上述操作程序停止前,发生第二故障的可能性不予以考虑;②如果两个故障组合不会导致危险隋况,而它们与第三故障组合会导致危险情况,那么最迟应在前两个故障元件中的任何一个参与下一个操作程序中使电梯停止。在电梯按上述操作程序停止前,发生第三故障从而导致危险情况的可能性也不予以考虑;③如果存在三个以上故障同时发生的可能性,则安全电路应设计成有多个通道和一个用来检查各通道的相同状态的监控电路。如果检测到状态不同,则电梯应被停止。对于两通道的情况,最迟应在重新启动电梯之前检查监控电路的功能,如果功能发生故障,电梯重新启动应是不可能的。安全电梯除了具备上述的本质安全性以外,还必须设置严密的专门安全保护系统,用以保护使用人员、维护和检查人员及在电梯井道、机房和滑轮间(如有)外面的人员,保护轿厢中的装载物、电梯的零部件以及安装电梯的建筑,并且还必须要保证安全保护系统的性能一直处于持续有效的状态,能够时刻派上用场,发挥保护作用。
电梯技术检验是控制电梯质量(本质安全性)的重要环节,也是保证其安全保护系统性能持续满足要求的重要措施。无论是电梯的本质安全性,还是电梯安全保护系统功能的持续有效性,都需要通过规范的技术检验来验证和保障。根据检验在保证电梯质量(本质安全性)及在保证电梯安全性能体系中所处的地位及作用的不同,电梯技术检验可分为如下五种:
①形式检验包括整机的形式检验、主要部件的形式检验和安全部件的形式检验。形式检验是对电梯或部件的全面性能和功能的检验,应按照 GB7588~2003 和GB/T10058—1997 的要求进行。
②出厂检验由制造厂按照工厂产品标准进行。在采用外购零部件时,要有该部件的合格证及有关形式检验合格证,同时应对零部件在产品中的协调性和功能进行检验和调整。
③监督检验(验收)专业检验机构应对电梯的安装调试质量、电梯的整体性能和功能以及主要部件和安全部件的状况进行检验。监督检验应在安装企业自检合格的基础上,根据国家制定的监督检验规程进行。
④重大改装和事故后的检验,它是专业检验机构在重大改装和事故后对电梯进行的检验。应按改装内容和事故情况决定检验内容和要求。但是如有主参数改变和控制系统改变,应对电梯进行全面检验。
⑤定期检验,由专业检验机构检查在一定时间内电梯的运行过程中因磨损、老化、振动等因素,对电梯功能和安全运行所造成的影响。定期检验要保证电梯的零部件得到良好的维护,并保持在正常的工作状态,还要验证电梯安全系统性能是否可靠有效,是否能够持续地满足要求。电梯定期检验周期为 1 年,应按照检验规程进行。
(4)管理、技术、教育
安全电梯非常重视技术在安全保护中的作用,但并不认为技术能够解决一切安全保护问题,相反在安全保护的思想体系中还非常重视管理和教育的作用。可以说,管理、技术与教育的相互结合是安全电梯保护思想的又一特征。
安全电梯除了在电气系统、拖动系统的可靠性方面综合考虑安全性之外,还在许多重点部位上,实施了程序、电气、机械的两重或是三重的复合性保护,它也集中地体现了安全电梯非常重视技术在保护中的作用这一特点。例如,在防范冲顶和蹲底的终端保护中,既有程序保护(强迫减速),也有电气保护(限位与极性复合)和机械保护。
安全电梯在肯定了程序保护灵活性的同时,也考虑到了程序执行速度要比线路上的接触器动作快得多,以及 PC 的软件仍然存在着的失效问题。因此安全电梯决不允许用程序保护取代电梯的电气保护。安全电梯在肯定电气保护的同时,也考虑到电气保护存在着触点粘连、元件击穿、线圈烧毁等问题,因此坚决不允许使用电气保护取代机械保护。反过来讲,安全电梯认为机械保护往往成本高、结构复杂,在保护时常伴随着机械损伤的问题;电气保护虽然灵活但是较为复杂,恢复起来也较为麻烦。因此安全电梯在其保护体系中,首先推崇灵活方便的程序保护,能够加装程序保护的一定要设置,程序保护能够解决的问题决不直接推到电气保护上,同样的道理,电气保护可以解决的问题也不直接留给机械保护。
在同一重点部位实施的程序、电气、机械的多重保护,彼此独立、各自有效,构成了电梯严密、完善的保护体系,这也是安全电梯非常重视技术在安全保护中作用的有力体现。
GB7588—2003 规定:当使用人员按预定方法使用电梯时,对因其疏忽和非故意的不小心而造成的问题应予以保护;考虑在某些情况下使用人员可能做出的某种鲁莽动作,但不考虑同时发生两种鲁莽动作的可能性和(或)违反电梯使用说明书的情况。这既是安全电梯的一个重要的保护原则,同时也承认了技术保护的局限性,认可了管理和教育在安全保护中的作用。其实,因为电梯是一个与建筑密切融合,并依附和隐蔽于高层建筑之中的集机电、电子技术于一体的高科技产品,也是一个庞大、零碎、复杂的机电设备,其零部件分散于机房、井道及周围墙壁、各层站厅及门洞周围、井道底坑等各个角落,也是必须在现场进行总装和调试工作的垂直交通设备,因此安全电梯在其保护思想的体现中,非常重视和依赖安全施工、安全管理、安全使用、安全乘梯等管理和教育的作用,甚至还考虑在大众中开展电梯文化的普及教育的问题。
安全大致经历了法制阶段,进而又迈入以系统工程、人机学为代表的技术阶段,但最终人们还是认识到,无论是法制还是技术都不能完全彻底地解决安全问题,尤其是在近代的大工业生产中,人们逐渐认识到管理、技术、教育是构成安全工作的三大支柱,于是在人类历史文化长河中,又涌现出了一朵被称之为“安全文化”的美丽浪花。它也表明安全工作具有一定的文化特征,或是必须要从文化的角度来审视安全问题。在实际中,我们要竭力倡导安全施工、安全管理、安全使用、安全乘梯,既要维持电梯的本质安全性,保证每一道安全保护装置的可靠、有效性,又要尽可能地不去依靠它,就像驾驶员所说的:老师傅开车不用闸 ! 人们似乎可以“忘记”电梯的安全问题,也只有到了那个时候,到了那样的境界,安全才会具有文明的内涵和品味。
老师授课有条理,有重点,而且还很幽默