垂直运输设备是指在建筑施工中担负垂直运输材料、设备和人员上下的机械设备, 是施工设备中不可缺少的重要组成部分。随着近年来我国超高层建筑的飞速发展, 对垂直运输设备的要求也越来越高。施工电梯作为建筑 (特别是超高层建筑) 施工过程中最重要的垂直运输设备之一, 直接影响超高层建筑施工工期、成本和效益^[1]。目前建筑施工所使用的电梯一般运行2部梯笼, 在超高层建筑中, 为满足施工人员及材料运输的需要, 需配置多部施工电梯, 不仅占用了较大的施工平面, 而且使施工管理复杂并延长施工工期, 导致数百米导轨架利用率很低。

新型单导轨架多笼循环运行施工电梯采用在同一导轨上配置多部梯笼, 当多部梯笼同时运行时, 除了需要完善的调度系统, 梯笼与梯笼间、梯笼与地面间的碰撞缓冲装置必不可少。传统的施工电梯与地面通常采用简易弹簧进行缓冲, 弹簧作为蓄能型缓冲装置, 并不能有效缓解梯笼冲击。针对多部梯笼有初速度的相向冲击, 还没有相应技术来解决这一难题^[2]。

目前超高层施工中, 已经运用到最大载重量达3t, 最高速度约为96m/min的变频高速施工电梯。随着施工电梯在建筑施工中的广泛应用, 其使用安全问题日益受到重视, 国家和行业有关部门出台了一系列有关施工电梯的技术标准和安全标准, 均要求施工电梯必须在吊笼底部安装缓冲器。

常规施工电梯通常设有缓冲弹簧座, 在下限位开关及三相极限限位开关不够灵敏、制动摩擦片磨损严重致使吊笼重载时有“溜车”等情况下用以保证吊笼着地时的柔性接触, 并不能有效减小梯笼与地面间的冲击能量。

目前缓冲器种类很多, 其中弹簧式缓冲器以其结构简单最为常见, 液压缓冲器因其缓冲性能良好日益受到重视。

智能防撞系统由多种防碰撞及缓冲装置组成, 用于及时控制梯笼减速停机, 降低梯笼碰撞脱轨的风险等, 主要包括以下部分。

1) 主控防撞系统 为确保不撞车, 各梯笼将位置和运行方向发送给地面群控调度系统, 地面主站自动判断各梯笼间的距离, 当距离达到限值时, 采取减速、停车等措施, 作为系统运行的安全防线之一 (见图1) 。

2) 自动紧急制动系统 识别及自动紧急制动装置。当主控防撞系统失效时, 为确保不会撞车, 梯笼上下都安装测距仪 (如激光或超声波测距仪) , 当距离达到限值后自动报警, 同时切断电源, 自动紧急制动 (见图2) 。当激光或超声波测距仪失效时, 安装有机械测距仪装置用于当距离达到限值后控制梯笼的紧急制动 (见图3) 。

3) 缓冲阻尼器 布置在梯笼顶部和底部, 能承受梯笼冲击, 并消耗梯笼冲击动能, 保证即使相撞也能最大程度地降低梯笼脱轨风险。

项目现场采用某品牌阻尼器, 用于两梯笼之间, 起减震缓冲作用。以梯笼与载重共重5t、最大冲击速度1.5m/s作为设计参数。目前, 缓冲器分为蓄能型与耗能型2种, 耗能型阻尼器能吸收消耗掉大部分冲击能量, 并有效降低冲击力, 得到越来越广泛的应用。常见蓄能型缓冲器主要有弹簧、聚氨酯缓冲阻尼器等^[3], 常见耗能型缓冲器主要有液压缓冲器、气缸阻尼器、安全吸震器等。

对于蓄能型缓冲器, 采用梯笼实际产生能量与聚氨酯吸收能量相等进行计算。实际产生的最大能量W实为其动能与下降所具有势能之和^[4]。其势能为:W_p=mgS=5×10³×9.8×0.12=5.88×10³J, 其中, S表示缓冲器行程120mm;其动能为E_k=mv²/2=5×10³×1.5²/2=5.625×10³J;最大能量为W=W_p+E_k=11.5×10³J。设置2个缓冲器, 则每个缓冲器吸收能量为E_k0=W/2=5.75×10³J。以某国产聚氨酯缓冲阻尼器为例, 4个JHQ-C9成对布置, 其最大冲击力为:

$F=\frac{2E{}_{\text{k}0}}{0.85S}=\frac{11.5\times 10{}^3}{0.85\times 240}=56.5\text{k}\text{Ν}<103\text{k}\text{Ν}(1)$

式中:103kN为所选型号缓冲器最大承载冲击力, 0.85为安全系数。平均加速度为:

$a=\frac{v{}^2}{2S}=9.375<g(2)$

符合设计安全要求。

为验证所选某国产品牌聚氨酯能否应对相应冲击力, 在华中科技大学力学实验室进行了静力抗压试验^[5]。试验结果如表1所示。由表1可知, 本型号聚氨酯缓冲阻尼器在极限受压情况下, 具备良好的变形回复效果, 符合所处工况。

图4为一种节流小孔式液压缓冲器, 其节流缓冲作用是通过设置在缸套上一系列特殊排列的节流小孔而实现。设计时使参加节流的小孔数目随缓冲位移增大而减少, 从而达到匀速缓冲的目的。由于缓冲油压力高达10MPa以上, 因此要求液压缓冲器结构紧凑、缓冲容量大, 必要时可用多个缓冲器, 并将压力油腔连通, 使压力均衡、缓冲效果平稳。回位弹簧用于使活塞完成缓冲作用后回位^[6,7]。

对于额定速度>1m/s, 标准建议采用液压型耗能缓冲器^[8], 如图4所示。

1) GB7588—2016《电梯制造及安装安全规范》对耗能型缓冲器有如下技术要求:缓冲器可能的总行程应至少等于相应于额定速度的重力制停距离。即:

$S\ge \frac{1.15v{}^2}{2g}\approx 0.0587v{}^2\ge 132.0\text{m}\text{m}(3)$

2) 依据某专业公司模拟计算软件, 按实际工况进行计算选型, 结合梯笼所能承受最大荷载, 建议选用缓冲行程S≥150mm。液压缓冲阻尼器参数如表2所示, 单支使用时, 是最大缓冲能力的50%;考虑稳定性, 选用2组布置。

将梯笼顶部电机防护罩进行改造, 使其能承受梯笼冲击力, 同时安装2组缓冲阻尼器^[7]。

液压缓冲器可安装在梯笼顶部或底部, 安装时必须使缓冲器与梯笼承力结构相连, 确保梯笼碰撞时冲击载荷能传递至梯笼主结构, 并通过主结构将载荷传递至导轨及导轨基础。为保障梯笼运行安全, 在笼顶和笼底设置测距仪实时监测上下障碍物距离, 检测到障碍物距离过近, 立即减速停机, 避免发生碰撞。

针对新型单导轨架多笼循环运行施工电梯, 设计了完善的智能防撞缓冲系统, 有效缓解了梯笼冲击。针对现有工况, 本文提出了常见耗能型与蓄能型缓冲器计算选型过程, 并进行聚氨酯缓冲器压缩加载试验。同时, 最终选用耗能型液压缓冲器作为梯笼缓冲装置, 在项目现场成功应用安装了液压缓冲器, 为相关装置防碰撞系统设计计算与现场应用提供了参考。同时, 液压缓冲器主要通过设计与模拟计算选型, 未进行充分的加载冲击试验, 以验证液压缓冲器工作性能以及与梯笼连接的可靠性。