地震中運行電梯對重脫軌原因探討*

崔健坤，林進展，羅海軍

（廣東省特種設備檢測研究院，廣東 廣州 501655）

1 地震對電梯對重的影響

發生地震時，高層建筑會發生劇烈搖晃，這種搖晃會導致其中的電梯也發生搖擺。搖擺最初產生的力量主要集中在對重導靴和井道導軌的接觸點上。此時可能出現以下幾種狀況：

（1）如果導軌或導軌支架的強度不夠，就會造成導軌松動甚至脫落；

（2）如果導軌和支架的強度足夠，而對重導靴的強度不夠，就會造成對重導靴松動或脫落；

（3）如果導軌、導軌架、導靴的強度都夠，則力量會進一步傳遞到對重上，當對重上的強度不夠或減震性能不好時，則會造成對重的變形或損壞（圖1所示）。

上述幾種方式中無論哪一種方式，輕則會加劇對重的搖擺，使對重撞擊周圍的固定部件，如對重撞擊對重護欄；重則使對重由沿導軌的定向運動變成無規則的自由運動，進而發生對重和轎廂相互撞擊，造成更嚴重的后果。

2 對重脫軌是造成電梯嚴重受損的主要因素

圖1 對重脫軌事故現場

大地震經常會造成很多電梯發生故障，電梯在地震時的一些問題已經暴露了出來，經常發生以下故障：

（1）井道壁因受地震影響產生不同程度的裂紋；

（2）受脫軌的對重撞擊造成部分電梯導軌或支架變形、支架松動、轎頂護欄損壞，轎廂嚴重變形；

（3）對重框架脫離對重導軌造成電梯損壞（以下簡稱對重脫軌）。

根據以往相關資料顯示：1971年的洛杉機地震，7000臺損壞電梯就有700臺電梯的對重架脫離導軌；1978年日本宮城縣的海上地震，電梯的對重架脫離導軌的有183例；臺灣1999年9.21和10.22兩次大地震后電梯對重架脫離導軌造成損壞占總損壞數的百分比分別為40.2%和66.3%。

通過以上統計，總結得出：在地震中，對重框架脫離對重導軌造成電梯損壞的形式所占的百分比較大，為了減少在今后的地震災害中發生對重脫軌的危害，本文主要從改進機械方面闡述一些防止對重脫軌的預防和保護措施。

3 對重脫軌的原因及解決方法

在發生地震時，地震能量主要以一個巨大機械能量的形式釋放，因而電梯的抗地震能力和電梯機械強度有關。同時，由于地震力是一個短時間巨大能量的釋放，單純用提高機械強度的辦法去抗衡不一定會有最佳效果，因而在考慮適當提高機械強度的同時，還要考慮增加一些能量緩沖裝置。以下主要從改進機械方向論述如何提高電梯的抗震能力。

3.1 提高對重導靴的抗震性能

在地震中受損的電梯中，發現對重導靴脫軌現象非常普遍，而轎廂導靴卻很少有脫軌現象。實際上在用的中低速電梯中，通常是在轎廂側使用彈性滑動導靴，在對重側使用固定滑動導靴。固定滑動導靴的靴頭是固定的，由于靴頭固定不能補償軌道的誤差，在安裝時要與導軌間留一定的活動間隙，故在電梯運行中，尤其是靴襯磨損較大時會產生一定的晃動，當遇到較強的地震時容易發生損壞和脫軌。

對重是通過導靴和導軌連接的，導靴的抗震性能不好，會使這個連接點首先受到破壞。因此，應適當增強導靴的剛性強度和對振動的緩沖性能。導靴的緩沖性來源于導靴前部的彈性裝置，而導靴的剛性強度則取決于支持彈性裝置的后部剛性部分。由于導靴前部的彈性裝置可吸收部分振動能量，當振動通過導靴的彈性部件傳到導靴的剛性部件上時，其力量會得到一定衰減，因而彈性導靴的剛性部件可承受比自己強度更大的力。而剛性導靴則不然，即使剛性導靴的強度很好，一旦所承受的力超過自己剛性部件所能承受的強度，就會發生損壞。因此，為了提高電梯導靴的抗震性能，最好使用彈性導靴。

彈性滑動導靴（圖2所示）由靴座、靴頭、靴襯、靴軸、彈性元件和調節螺母等組成[1]。與固定滑動導靴不同的是，其靴頭和靴襯在靴軸方向有一定的伸縮彈性，在工作時靴襯由于彈性元件的壓力始終頂在導軌的頂面上，因而可以吸收一定的振動。雖然彈性滑動導靴有一定的減震效果，導靴和軌道間的間隙也較小，但它對軌道的夾持力也較低，因為按滑動摩擦阻力的計算公式F=μN(μ為動摩擦因數)，導靴對軌道的夾持力(即正壓力N)越大其運動阻力越大，而且目前廣泛使用的彈性滑動導靴在側面彈性較差，其夾持力比正面更低。目前電梯使用的導靴中，也采用了很多彈性導靴，但這些彈性導靴結構設計的主要目的是為了彌補井道和導軌制造和安裝的誤差，提高電梯運行的平穩性，而在抗震性能方面考慮得并不是很充分，其抗震性能存在一定缺陷[3]。

在地震發生時，轎廂和對重的擺動方向是隨機的，任何一個方向的擺動都有可能發生，目前使用的這種導靴，就很有可能因側面擺動太大而使轎廂或對重脫離軌道，造成較大的安全事故。因此，為了使電梯導靴有很好的抗震性能，其三個工作面都要保證有很好的緩沖性和強度。而彈性滾動導靴（圖3所示）則不一樣，彈性滾動導靴恰恰要求導靴對軌道有較好的夾持力，因為如果夾持力太小，滾輪容易在導軌上打滑，而且彈性滾動導靴在軌道的3個工作面上皆有很好的彈性力和夾持力，既能減震又不易滑落。因此在抗震性能方面，彈性滾動導靴要明顯好于另外兩種導靴，剛性滑動導靴抗震性能最差。從這三種導靴性能區別來看，就是發生地震時造成對重導靴脫軌的原因之一。

圖2 滑動導靴

圖3 滾動導靴

目前在高速電梯中，彈性滾動導靴用得較多，而在中速和中等偏高速的電梯中，彈性滑動導靴用得較多。建議今后在中等偏高速的電梯中，也盡量使用彈性滾動導靴，因為這些電梯所在的樓層偏高，地震時建筑物上部的擺動可能較大容易產生脫軌故障。在地震中，一般的對重架脫軌后與轎廂相撞，都是對重架在井道上部脫軌，然后從上往下撞擊轎廂的轎頂護欄等部件。因此，樓層越高，越要考慮使用彈性導靴以減少轎廂和對重在地震時脫軌的危險。

3.2 提高對重導軌的強度

由于目前電梯市場的激烈競爭，絕大多數電梯廠家都會將產品的對重側導軌設計成為空心導（圖4所示）軌，用來控制成本。而對重側的實心導軌（圖5所示）僅僅用于對重帶安全鉗的情況下。這種低成本的優化配置也是導致對重在震中損壞或脫軌的一個主要因素。

圖4 空心導軌

圖5 實心導軌

對重架脫軌的故障主要是發生在空心導軌上。空心導軌的薄弱環節并不在于它是空心的，因為從材料力學上講，越接近中間的材料，其對抗彎強度的影響越小。空心導軌的真正薄弱環節，是在它的材料和制作方法上。空心導軌一般是由板材經冷態折彎而成，而要使板材在冷態下能被折彎，板材必須具有很好的塑性，同時，板材還不能太厚，否則在彎折時有可能產生裂紋[2]。正是這兩個原因，使得空心導軌的抗彎能力不可能很好。因而一旦發生較大強度的地震，空心導軌可能無法抗衡因對重架劇烈擺動產生的較大作用力，最終導致了對重架脫軌。空心導軌的另一個問題是其接頭部分的銜接不好。由于空心導軌是冷壓成型的，其工作面未經精加工，形狀誤差較大，同時，又由于空心導軌是板材壓制的，不能對接頭部分作太多的磨削加工來進行整形，否則會影響板材的強度。這就必然導致空心導軌接頭部分誤差相對較大，而這種誤差只能靠導靴的間隙來彌補，這就進一步加重了對重導靴脫軌的可能性。

電梯軌道是固定在支架上的，如果支架的強度不夠，就可能造成支架不穩，進而會影響導軌的穩定性。要提高支架的強度，除了使用強度較好的支架結構外，還不能在支架的導軌連接板上開條形調節孔。這種條形調節孔雖然能方便地調整井道軌道的安裝偏差，但遇到地震等較強沖擊力時容易發生移位。軌道安裝偏差的調整最好用墊片進行調節。另外，在其他情況相同的情況下，支架間距越小，導軌產生的變形越小，發生脫軌的可能性也越小。

現行標準中，對重導軌支架的間距一般不大于2.5 m，如果間距大于2.5 m應當有計算依據的規定，以及沒有安全鉗的對重導軌可使用成型金屬板材的規定，在地震時能否保證對重導軌系統的抗震要求，建議進行安全論證。與此同時，對于地震多發地區，當地質監局可以規定導軌支架安裝距離適度減小，用以增強導軌整體強度。

3.3 增加對重導靴嚙合深度或對重防脫軌裝置

提高地震中對重的防脫軌能力，還可以考慮增加滑動導靴的嚙合深度和增設防脫軌裝置。

滑動導靴嚙合深度的增加會增加滑動摩擦的阻力，導致能耗增加，而且導軌側工作面長度有限，嚙合深度的增加產生的效果也有限[2]。另一種更好的改進方法是在轎廂和對重上增設防脫軌裝置。防脫軌裝置的結構類似于導靴，但它在平常運行時并不與導軌接觸，兩者之間留有一定間隙，而一旦轎廂或對重受到較大沖擊力產生一定變形或位移時，防脫軌裝置就會和導軌接觸，起到穩定對重，防止脫軌的作用。使用防脫軌裝置可以在不改變原有電梯和導軌結構的基礎上增加電梯的抗震性能，同時，防脫軌裝置由于平時不和導軌接觸，因而除可以在深度方向增加一定尺寸，還可以在高度上增加足夠的尺寸，這樣不僅可以增強防脫軌裝置的強度，而且可以使受力接觸面積增大、減小導軌的變形，因而對于防脫軌的效果好。

3.4 提高對重的柔性連接

彈性導靴通過其彈性部件吸收部分振動能量，剩下的振動能量通過其剛性部件傳給對重架。此時對重架和對重如果是剛性連接，則能量不會再衰減，而是全部由對重和對重架吸收，如此能量仍很大，則會對對重和對重架造成破壞。對重架和對重如果是柔性連接，則能量在對重架到對重的傳遞過程中會進一步衰減，最終傳到對重的振動能量要小得多，造成的破壞性也小得多。在目前的電梯設計中，只有一部分電梯的對重架和對重的連接是柔性連接，而且同導靴一樣，這些設計的初衷并不是為了抗震，因而在抗震方面同樣具有明顯的缺陷。對重在水平方向的活動是受到嚴格限制的，其柔性也較差，一旦遇到強度足夠大的水平擺動力，對重就有可能在運動中撞擊固定部件甚至脫軌。因此，在以后電梯的抗震設計方面，除應考慮適當增強對重和對重架強度，還要考慮在對重和對重架水平方向增加一些柔性連接以作抗震緩沖之用。從抗震的效果上看，對重和對重架之間的緩沖比導靴上的緩沖更重要，因為對重和對重架的重量大，接觸面也大，所消耗的振動能量也更大。對重和對重架之間的柔性加上導靴的柔性再加上鋼絲繩繩頭的柔性，可使電梯獲得一個整體柔性，其抗震性能會比只有局部柔性的電梯好得多。

電梯的柔性連接大致可以通過3種方式實現：機械彈簧裝置、液壓裝置、橡膠墊[3]。這3種方式中，液壓裝置的緩沖效果最好，它不僅具有很好的緩沖作用，而且能通過能量轉換方式將機械能變成熱能，將振動能量消耗掉，具有明顯的衰減振動的作用。而彈簧裝置本身不能消耗能量，但它可以儲存能量，因而可以緩解振動時的波峰，再通過其他方式(如運動部件的摩擦)逐漸將能量消耗掉。如果條件許可，當首先考慮液壓減振，但有時為了節省成本，以及由于空間的限制而不能用液壓減振時，也可考慮用彈簧或橡膠墊減振，但要保證一定最低的減振安全要求。

4 結束語

在地震中，電梯對重脫軌很容易受損，進而引發次生災害。出于提高在用電梯的抗震能力，減少地震災害中發生對重脫軌的可能性的目的，本文針對地震中電梯運行致使對重脫軌的現象，從對重導靴類型的選型、對重導軌強度、對重導靴嚙合深度與加裝防脫軌裝置、對重的柔性連接四個方面針對防止地震中對重脫軌的影響進行了分析論證，并提出了相應的改進措施和方法。

［1］段曉明.地震中電梯對重脫軌原因淺析［J］.中國電梯，2008，19（21）：15-16.

［2］張傳基，趙忠國.轎廂和對重預防地震脫軌的措施及自動保護［J］.中國電梯，2008，19（21）：11-14.

［3］張傳基.提高電梯抗震能力的基本措施［J］.中國電梯，2008，19（18）：44-45.