電梯制動器頂桿螺栓失效分析

何 健 郭在焱

（廣州特種機電設備檢測研究院 廣州 510180）

電梯是機電一體化的固定式升降設備，其機械部分的核心是曳引系統。曳引系統負責輸出與傳遞動力，從而驅動電梯運行，現在使用最廣泛的是曳引驅動。電梯必須有制動系統，而且應具有機電式制動器。機—電式制動器在電梯正常工作時，主要保證在停站電機斷電后，保持轎廂的靜止狀態。在非正常的情況下，則要吸收轎廂運動的動能，使轎廂制停[1]。常見的制動器有臥式電磁制動器和立式電磁制動器（典型的立式電磁制動器示意圖如圖1所示）。制動器在不通電時，由于制動彈簧的壓力，將制動瓦和制動器緊緊地壓在制動輪上。轎廂要運行時，電磁鐵通電，鐵芯吸攏，通過傳動機構克服彈簧的力將制動臂張開，使制動器與制動輪脫開，制動器釋放[1]。一般來講，新安裝的電梯，其制動器的結構參數為定值，安裝的尺寸間隙符合規范，能滿足電梯制動的要求。但是，隨著電梯投入運行，制動器作為基礎安全部件長期頻繁動作，則制動器可能會出現制動力不足或拖抱閘運行等情況。

頂桿螺栓是調整制動器的重要部件，此部件的工作位置和狀態事關電梯的安全運行。以圖1為例，制動器頂桿螺栓的動作過程為：當電梯從靜止啟動時，電磁鐵通電吸合并通過轉臂11頂開制動臂9上的頂桿螺栓10，同時制動臂9壓縮制動彈簧1，在電梯下一次停站之前，轉臂11一直頂著頂桿螺栓10。當電梯制停時，電磁鐵釋放，制動臂9因受到制動彈簧1的回復力彈回抱閘狀態，同時頂桿螺栓10緊跟著轉臂11回到初始位置，此后制動彈簧1對制動臂9以及頂桿螺栓10保持壓力。以上整個過程隨著電梯啟停而循環往復。一般認為，類似螺栓這種緊固件，由于其重要性早已得到重視，極少會出現問題。然而，筆者在現場檢驗中發現，制動器上頂桿螺栓失效的情況并不少見，這些情況給電梯安全運行帶來了嚴重的風險隱患。

圖1 立式電磁制動

1 現場風險隱患

TSG T7001—2009《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》中附件A的2.7項規定：制動器動作靈活，制動時制動閘瓦（制動鉗）緊密、均勻地貼合在制動輪（制動盤）上，電梯運行時制動閘瓦（制動鉗）與制動輪（制動盤）不發生摩擦，制動閘瓦（制動鉗）以及制動輪（制動盤）工作面上沒有油污。能夠通過操縱手動松閘裝置松開制動器，并且需要以一個持續力保持其松開狀態。

GB 7588—2003要求：當轎廂載有125%額定載荷并以額定速度向下運行時，操作制動器應能使曳引機停止運轉。在上述情況下，轎廂的減速度不應超過安全鉗動作或轎廂撞擊緩沖器所產生的減速度。所有參與向制動輪或盤施加制動力的制動器機械部件應分兩組裝設。如果一組部件不起作用，應仍有足夠的制動力使載有額定載荷以額定速度下行的轎廂減速下行[2]。此外，兩組制動線圈和電氣裝置相互獨立，上行制動試驗應符合要求。

筆者在抽查某型號高層電梯的過程中，發現其制動器頂桿螺栓斷裂失效（見圖2）。該電梯已投入運行多年，乘梯時轎廂運行狀況良好。頂桿螺栓的斷裂，從外觀上看，很難被及時發現。但在電梯運行時，由于頂桿螺栓未能使制動臂張開，明顯可見制動閘瓦與制動輪一直在高速摩擦；實施手動緊急救援操作時，無法通過操縱手動松閘裝置松開制動器。類似頂桿螺栓斷裂這樣的安全隱患，若非仔細觀察、操作驗證，不可能發現其內部連接情況，更無法及時對其進行更換修理。

圖2 頂桿螺栓斷裂

頂桿螺栓的斷裂導致電磁鐵吸合時傳動機構（轉臂）無法準確頂開制動臂，嚴重影響了制動器的功能完整性。若是制動器單邊頂桿螺栓失效，會造成電梯運行時制動器一邊制動臂制動，另一邊制動臂打開，拖抱閘運行，使閘瓦過熱嚴重損壞制動器，最終導致制動器整體失效，造成嚴重事故；在應急救援中，若制動器頂桿螺栓失效，會導致手動松抱閘功能失效，進而造成救援困難，甚至人員傷亡。

2 原因分析

2.1 斷口宏觀分析和材料成分

以某臺制動器頂桿螺栓斷裂的電梯為例進行研究。經過查閱資料及現場觀察發現：該電梯已投入使用7年以上，額定載重量825kg，額定速度1.75m/s，17層17站，主機為無齒輪永磁同步曳引主機，制動器為立式電磁制動器。該制動器出現單邊頂桿螺栓斷裂脫落。由斷裂螺栓的現場圖片（見圖3）可看出，頂桿螺栓沒有伸長或彎曲，斷面總體平整略有曲面，斷口邊緣幾乎沒有塑性變形特征，初步判定為脆性斷裂。

經核查，該頂桿螺栓的材質是40Cr，屬于中碳合金鋼，螺栓表面已做防銹處理。螺栓的熱處理一般采用調質處理，即淬火加高溫回火。淬火的目的是在鋼中獲得高強度的馬氏體，以提高鋼的力學性能。回火的目的是：1）降低或消除殘余內應力，防止工件變形或開裂；2）減少或消除殘余奧氏體，穩定工件尺寸；3）調整工件的組織和性能，使工件滿足使用要求。熱處理調質是為了使螺栓達到規定的抗拉強度值和屈強比，保證螺栓的綜合力學性能。高強度螺栓熱處理后的質量缺陷主要是脫碳、變形超差、硬度不足、開裂和裂紋。要保證質量，必須對淬火和回火的溫度及時間進行精確控制。當出現抗拉強度不足時，應重點檢查溫度的控制和冷卻[3]。由于螺栓斷面呈現比較明顯的脆斷特征，反映出其脆性大，而螺栓的材質有據可查，品質比較有保證，則出現脆斷問題最有可能是因為不恰當的熱處理工藝。筆者認為，該螺栓在同一批次的生產制造過程中，可能是在批量熱處理階段，回火不及時或不到位，使螺栓的塑性和韌性得不到提升，與此同時，螺栓的硬度和脆性還是很大，將其直接應用就有了開裂的風險。

圖3 頂桿螺栓斷口情況

2.2 力學性能分析

該頂桿螺栓（M16）屬于緊固件，因其受力有預拉力和連接載荷，為高強度螺栓。按性能等級應達到8.8級。8.8級的螺栓，即公稱抗拉強度達800MPa級，屈服強度達640MPa級。

所謂強度，是金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。根據材料力學，材料的抗壓、抗拉、抗剪強度的計算通式為：

式中：

f——材料強度，MPa；

F——材料破壞時的最大載荷，N；

A——試件的受力面積，mm2。

在制動臂上裝配頂桿螺栓時，螺栓螺紋端部位置由緊固螺母固定，且設定了一個預緊力。預緊力可以提高聯接剛度、緊密性和防松能力。假定頂桿螺栓為拉伸斷裂，螺栓斷裂部位（危險斷面直徑為小徑，取d1=14.5mm）的橫截面積A為165.0mm2，f取800MPa，則拉斷載荷力F=f A=132kN。可見，直接拉斷頂桿螺栓需要100kN級別的力。

2.3 受力情況分析

因制動器電磁鐵吸合時間很短（小于0.05s），吸合行程小，故可將轉臂對螺栓及制動臂的短暫作用力視為定值FN，同時也將彈簧對制動臂的作用力視為定值Ft，此二者均簡化為水平方向的力。

在抱閘松開的短暫過程中，制動臂迅速壓縮彈簧，彈簧長度從x2變為x1，即外力對彈簧做功，根據力學原理[4]，彈簧的彈性勢能發生變化：

計算出k=50.8（N/mm）。

經現場實測，制動器釋放時，壓縮彈簧長度x2=140m m，制動器吸合時，壓縮彈簧長度x1=137m m，計算出彈性勢能變化U=211047.4N·mm。彈簧壓縮行程s=x2? x1=3mm，根據能量轉化，制動臂作用于壓縮彈簧的平均作用力

本文中提到的電梯制動器，其頂桿螺栓位于制動彈簧正上方，頂桿螺栓與制動彈簧之間的垂直距離h=50mm。制動臂打開瞬間簡化受力分析如圖4所示。Ft為制動彈簧作用于制動臂的力，根據作用力與反作用力的關系，Ft=F1=7kN；FN為轉臂對頂桿螺栓的作用力；i為彈簧至螺栓部分的杠桿比，即

圖4 制動臂打開瞬間簡化受力分析

式中0.95是考慮杠桿連接處的摩擦損耗而采取的系數。現場測量制動輪參數得H=500mm，由上式計算，FN=6kN，即FN＜＜F=132kN，這表明在電磁鐵吸合、抱閘打開的過程中，頂桿螺栓受到的作用力遠小于螺栓破斷載荷力。

頂桿螺栓工作時受到沿軸線方向的外載荷的作用。緊固螺母和制動臂在預緊力的作用下相互壓緊，依靠結合面產生的摩擦力來抗衡外載荷，從而避免產生相對移動。預緊力由扭矩扳手調定，經驗證明：適當選用較大的預緊力對螺紋聯接的可靠性以及聯接件的疲勞強度都是有利的。但預緊過度會導致螺栓承受較大的拉應力，預緊不足則起不到防松作用。對于一般的螺栓聯接，計算預緊力可用公式：QP≤0.6δS·A。δS為螺栓材料的屈服極限，取640 MPa；A為螺栓危險剖面的面積，A=165mm2，經計算得預緊力QP≤63360N。由于頂桿螺栓承受的是動載荷，預緊力應更大些[5]。

本文中所提到的永磁同步電梯，其制動器的基本工作過程是：當電梯從靜止啟動時，制動器由失電轉為通電，電磁鐵吸合并通過轉臂頂開制動臂上的頂桿螺栓，同時制動臂壓縮制動彈簧，在電梯下一次停站之前，轉臂對頂桿螺栓有一個持續壓力，而制動彈簧一直保持較強壓縮狀態。

可將抱閘打開頂桿螺栓受力過程分為兩個階段，即受到轉臂的一次軸向沖擊力F沖和恒定軸向力F恒。考慮到轉臂從靜止到啟動是在極短時間內完成的，為了簡化分析，認為F沖在數值上等于FN。現分為以下兩種情況進行分析：

1）若頂桿螺栓在制動臂上安裝緊密，則在制動臂打開瞬間，螺栓僅受到水平作用力F沖，F沖對螺栓的壽命影響最大，因為脆性斷裂失效往往是因為沖擊。在不定期的頻率較高的F沖下，螺栓桿長期受到軸向的循環拉應力，即使這一拉應力并不大（即使加上預緊力也遠小于螺栓拉伸強度），卻可能最終使螺栓發生疲勞斷裂。

2）頂桿螺栓和制動臂之間是螺紋連接。螺紋連接具有自鎖性，此外螺母及螺栓頭部的支撐面上的摩擦力也有防松作用，故螺栓擰緊后一般不會松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，以及在高溫或溫度變化較大時，螺紋鋼之間的摩擦力會瞬時減小或消失，在此情況下螺紋聯接就可能產生松動。正是由于受到循環作用的瞬時力，頂桿螺栓在長期使用過程中難免有所松動或出現預緊力損失，這導致在螺母緊固處，極易產生附加應力。附加應力的方向、大小都不定，但附加應力與軸向的循環拉應力共同作用于螺栓桿和螺母的聯接段。長此以往，螺母和螺栓桿聯接處就很容易產生微裂紋，反復作用下微裂紋進一步擴展，最終導致螺栓發生疲勞斷裂。

觀察現場拆卸下的斷裂螺栓，以及緊固螺母在螺栓桿上的相對位置（見圖5）。經測量，緊固螺母與斷裂面的軸向距離約為3～4mm（斷裂面并非一個平面)。因此，筆者認為以上1）和2）的情況可能同時存在，頂桿螺栓的最終斷裂是各個方向的力長期共同作用的結果。

圖5 緊固螺母在螺栓桿上的相對位置

2.4 使用環境分析

脆性斷裂又分疲勞斷裂、應力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等。該電梯日常運行啟停頻繁，驅動主機的制動器每天都要經歷上千次的松閘和抱閘，頂桿螺栓長時間反復受到同一作用力，顯然，這是容易發生疲勞斷裂的使用環境。

制動彈簧是提供制動力的主要部件，失電時，制動彈簧提供制動臂壓緊制動閘瓦的力；通電時，制動彈簧被進一步壓縮而產生更大的彈力。而在每次從失電轉換到通電的短暫過程中，頂桿螺栓都要受到來自轉臂的一次軸向沖擊。但這一軸向沖力遠小于螺栓破斷所需的載荷力F，不至于使螺栓桿斷裂。因此可以肯定，螺栓還受到了附加應力。

在頂桿螺栓的使用過程中，如果裝配不當、對中不好、過緊或過松都會產生附加應力或振動。在電梯運行周期內，若頂桿螺栓有松動或軸線未對中，螺栓就會承受一定的徑向力并產生應力集中。而應力集中部位往往是疲勞斷裂的裂紋來源，因此螺栓在交變應力的作用下，即使在較低應力下也很可能發生疲勞斷裂。

3 應對的措施

3.1 優化結構設計改善頂桿螺栓的受力情況

除了選用效果優異的螺紋防松方式之外，筆者提出一種動態固定螺栓頭的設計（如圖6所示）。在螺栓正確裝配的前提下，在轉臂上正對螺栓頭的位置，設計一個深度為dc的結構圓槽，其直徑剛夠容下螺栓頭，如此可使頂桿螺栓在往復運動時軸線動態對中，從而減少螺栓聯接部位的應力集中。

圖6 螺栓頭動態固定示意圖

3.2 加強制造質量管控

對于頂桿螺栓這類結構緊固件應根據其強度和韌度要求，制訂合理的熱處理工藝，加強各工序間的檢驗，規范生產操作過程[3]。部件為外購時，應在應用裝配前對其綜合性能進行抽樣檢測，比如物理、化學性能檢測和無損探傷檢測。

3.3 加強風險排查

電磁制動器的工作環境比較復雜，需要人工定期進行維修調整，特別是對制動器在使用過程中閘瓦的磨損、制動彈簧的疲勞、電壓的大幅波動等偶發故障需及時發現和預防。使用過程中維護不當也是部件失效的原因。零部件的裝配和調整，應按照規范的程序和標準。比如，調定合適的預緊力，電磁力和制動力矩應及時調整，壓縮彈簧的調整螺母與鎖緊螺母應定期緊固，平時要確保松閘裝置的可靠性。

4 結束語

電梯制動器上的頂桿螺栓普遍采用高強度螺栓，其強度是足夠的，之所以出現脆斷的情況，主要是因為受到交變載荷應力和偶發性的應力集中，而這兩者都與預緊力有關。關于制動器連接螺栓的選型和預緊，GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》未有明確要求，而GB/T 24478—2009《電梯曳引機》[6]僅要求曳引機上所有緊固件應有足夠的鎖緊力，不得松動。故建議GB 7588—2003增加相關條款，針對制動器上的緊固件或緊固力提出要求。TSG T5002—2017《電梯維護保養規則》[7]表A-1中提出，半月保養需要確認制動器各銷軸部位動作靈活，其他附件也未明確提到檢查螺栓預緊力，維保人員還需進一步檢查螺栓連接的情況。

制動系統是電梯的基礎安全保護系統，制動力是電梯安全運行的基本保障。某些電梯出現了頂桿螺栓斷裂的安全隱患，如不及時整改，可能導致制動力不足或失效，乃至電梯下墜的安全事故。本文對頂桿螺栓斷裂的原因進行了理論分析，指出主要是由于螺栓聯接處應力集中引起的疲勞脆斷，同時，不恰當的制造工藝也是一部分原因。提出了針對頂桿螺栓斷裂失效的應對措施。建議通過優化結構設計，提高制造和裝配質量來解決上述問題。