一起電梯制動器螺桿斷裂的案例分析

黃 勇 程民豪

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院中山檢測院 中山 528403）

制動器作為電梯安全保障的重要組成部分之一，它是保證正常運行時電梯可靠平層和緊急情況下轎廂可靠制停的關(guān)鍵部分，其性能關(guān)乎電梯的安全運行。對近幾年電梯安全事故的分析可表明：電梯沖頂、蹲底及人員剪切傷害等嚴重電梯運行安全事故一般均與電梯制動器故障有關(guān)[1]。制動器傳動螺桿斷裂關(guān)乎電梯制動器的性能，其產(chǎn)生的安全隱患不容忽視。因此，必須分析電梯制動器螺桿斷裂可能引發(fā)制動器帶閘運行的潛在危害并采取預(yù)防措施。基于此，本文針對一起電梯制動器傳動螺桿斷裂導(dǎo)致制動器帶閘運行的案例進行深入系統(tǒng)分析，并提出制動器螺桿的改良設(shè)計方案及建議。

1 檢驗現(xiàn)場概述

筆者在電梯定期檢驗時發(fā)現(xiàn)某大品牌多臺在用電梯（采用永磁同步主機的HGP型號電梯，制造日期為2010年或2011年）配套的電磁制動器(型號為GHB-500)傳動螺桿出現(xiàn)疲勞裂紋，甚至有斷裂失效的情況，存在嚴重安全隱患，如圖1、圖2所示。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)其中一臺電梯的制動器傳動螺桿完全斷裂，導(dǎo)致該電梯單側(cè)帶閘運行。該側(cè)制動閘瓦因頻繁與制動輪摩擦產(chǎn)生嚴重升溫，相對另一側(cè)閘瓦有較大的磨損量，制動輪表面也磨損出了凹槽。通過查閱物業(yè)公司電梯日常巡查記錄和詢問該電梯維保人員，得知該電梯近幾天均在正常運行，再根據(jù)制動器磨損痕跡可判斷制動器螺桿產(chǎn)生斷裂不久，所幸發(fā)現(xiàn)及時，未造成安全事故。

其后針對該型號多臺電梯的制動器傳動螺桿進行檢查，亦發(fā)現(xiàn)有部分（占比大約3%～4%之間）傳動螺桿在其應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂紋，也有個別螺桿斷裂失效（占比約為1%）。

2 事故原因分析

圖1 螺桿開裂部位

圖2 螺桿完全斷裂失效

眾所周知，電梯制動器控制一般采用“零速”剎車的方式。因此，制動器在電梯正常運行情況下通常不會產(chǎn)生較大的磨損。被檢測制動器符合所有參與向制動輪或盤施加制動力的制動器機械部件應(yīng)當分兩組裝設(shè)[2]的要求。分析檢驗現(xiàn)場及設(shè)備狀況，可知造成閘瓦和制動器嚴重磨損的直接原因是電梯制動器傳動螺桿斷裂導(dǎo)致電梯單側(cè)制動器帶閘運行。電梯制動器螺桿作為臂鼓式制動器的必要部件，直接影響制動器的制動性能乃至整臺電梯的安全運行。故此，確保其有效性是毋庸置疑的，下面分別從機械和電氣兩部分分析電梯制動器螺桿斷裂失效的原因。

2.1 機械部分

該螺桿作為制動器的一個零部件，由緊固螺母固定在制動臂頂端，由于制動彈簧對制動臂的壓力，螺桿尾部壓在電磁鐵的頂塊上。制動器通電時，電磁鐵頂塊推動螺桿，從而推開制動臂，達到打開制動閘瓦的功能，故該螺桿在制動器工作中起傳動的作用。如圖3所示。

圖3 螺桿外觀及其在制動器所處位置

該螺桿所處位置的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，螺桿傳動的部分為尾段，以下把螺桿尾段由制動臂露出位置直至螺桿尾部稱為“螺桿尾部工作段”。

圖4 螺桿位置的基本結(jié)構(gòu)

螺桿工作時理論上只受到軸線方向的作用力，即只受正面壓力作用，應(yīng)該不會斷裂。而從螺桿開裂以及斷裂的情況看，開裂的位置全是發(fā)生在螺桿尾部工作段的根部，并且開裂均由此處（最靠近制動臂的一圈螺紋）的螺紋牙底開始。這里開裂的位置是螺桿受到沿軸線側(cè)向外力時的內(nèi)部應(yīng)力的集中位置（見圖5），這個側(cè)向外力作用于螺桿尾部，成為螺桿開裂的直接原因。螺桿尾部工作段越長，其根部受到應(yīng)力力矩越大，內(nèi)應(yīng)力幅值越大，這種應(yīng)力集中在螺紋牙底部。當內(nèi)應(yīng)力幅值超出螺桿強度所能承受的范圍時，螺桿開裂。

由此，可以推斷出導(dǎo)致螺桿斷裂的原因有以下幾種：

1）電磁鐵頂塊的施力方向與螺桿軸線的夾角α，超過了生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計限值，見圖6，因而頂塊對螺桿尾部產(chǎn)生側(cè)向力。

2）制動臂安裝不規(guī)范，制動臂運動平面偏側(cè)，螺桿軸線跟隨偏側(cè)，螺桿偏側(cè)時尾部受側(cè)向力。

3）由于電梯使用場所是住宅小區(qū)高層建筑，使用率高，在制動器打開與閉合的兩種工況的頻繁切換情況下，對螺桿產(chǎn)生的交變應(yīng)力使其疲勞斷裂，并且在這兩種工況下，螺桿會產(chǎn)生一定程度的偏角，螺桿傾斜時尾部受到側(cè)向力增大。

圖5 應(yīng)力分析

圖6 頂塊對螺桿尾部產(chǎn)生側(cè)向力示意圖

4）制動彈簧調(diào)整壓力過大，增大了螺桿受到的反作用力，如圖7所示，該制動臂彈簧壓力已經(jīng)調(diào)整到了190%，已經(jīng)達到了正常范圍的上限。

圖7 制動彈簧調(diào)整壓力過大

5）螺桿尾部工作段過長，螺桿長徑比過大，即幅度越大，螺桿應(yīng)力集中處受到的應(yīng)力幅值越大。

6）螺桿制造工藝有問題，螺桿可能在退火、輾牙、熱處理等加工過程中，殘留了內(nèi)部應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力的釋放與外力的疊加使得螺桿開裂。或是螺桿選用的材質(zhì)不良，使得螺桿的強度未能承受正常工況下產(chǎn)生的載荷。

2.2 電氣部分

GB/T 24478—2009《電梯曳引機》提出了電梯制動器動作的監(jiān)測的具體要求，其4.2.2.2條款規(guī)定：

“所有參與向制動輪（盤）施加制動力的制動器機械部件應(yīng)至少分兩組設(shè)置，應(yīng)監(jiān)測每組機械部件，如果其中一組部件不起作用，則曳引機應(yīng)停止運行或不能啟動，并應(yīng)仍有足夠的制動力使載有額定載重量以額定速度下行的轎廂減速下行。”[3]該型號制動器的抱閘動作驗證電氣裝置設(shè)置在電磁鐵頂塊兩側(cè)（如圖8所示）。當制動器傳動螺桿發(fā)生斷裂失效，制動器閘瓦無法打開時，制動器監(jiān)測裝置無法有效檢測到這種情況發(fā)生，未能及時停止曳引機的運轉(zhuǎn)。電梯仍會帶閘運行而出現(xiàn)制動性能明顯下降甚至完全喪失的現(xiàn)象。在這整個過程中，若使用單位和維保人員未能及時發(fā)現(xiàn)螺桿斷裂，進行有效的調(diào)整和更換，電梯會運行在失控的狀態(tài)，容易釀成溜車事故。

圖8 抱閘動作驗證電氣裝置

3 改良設(shè)計及建議

1）使用有效措施，降低螺桿承受的應(yīng)力，并符合GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》要求。例如電梯制造廠家后期生產(chǎn)的相同型號主機，適當降低長徑比，以縮短螺桿露出部分為目的增加緊固螺母，如圖9所示。

2）使用較高強度的螺桿，并從設(shè)計上進行驗證計算，是否能承受頻繁應(yīng)力而不損壞。

3）根據(jù)2016年7月1日開始實施的GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》第一號修改單，在使用驅(qū)動主機制動器的情況下，自監(jiān)測包括對機械裝置正確提起（或釋放）的驗證和（或）對制動力的驗證[4]。可通過將制動器動作驗證電氣裝置直接設(shè)置在制動臂（閘瓦）上，便于電氣回路直接檢測制動器的動作情況，避免出現(xiàn)上述制動器螺桿斷裂，曳引機仍帶閘運行的現(xiàn)象。

4）改良設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用更直接的傳動結(jié)構(gòu)，譬如直接作用式的塊式制動器或作用在圓盤端面的盤式制動器，避免出現(xiàn)制動器機械卡阻事故。

圖9 增加緊固螺母

4 結(jié)束語

據(jù)統(tǒng)計，上述電梯廠家生產(chǎn)的該型號制動器不在少數(shù)，其中大部分仍在使用。電梯制動器螺桿斷裂將造成制動閘瓦和制動輪的嚴重損壞，嚴重降低甚至喪失電梯的制動性能，而因制動性能下降而引起的電梯事故時有發(fā)生，因此，對此類安全隱患應(yīng)引起高度重視。檢驗人員在日常定期檢驗中，對受力復(fù)雜的電梯制動部件，應(yīng)重點檢查其是否存在表面裂紋等安全隱患。維保單位應(yīng)加強日常保養(yǎng)質(zhì)量，切實加強對安全部件的維護保養(yǎng)，提高維保人員的專業(yè)技術(shù)水平，增強發(fā)現(xiàn)安全隱患的能力，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，確保電梯的安全運行。

［1］黃忠林. 一起電梯制動器帶閘運行事故原因分析及預(yù)防措施[J].中國科技信息，2013（23）：172-174.

［2］TSG T7001—2009 電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——曳引與強制驅(qū)動電梯[S].

［3］GB/T 24478—2009 電梯曳引機［S].

［4］張懷繼. 電梯制動器自監(jiān)測要求淺析［J]. 科技視界，2017（13）：92.