老舊電梯評估中有關層門問題的探究

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院 天津 300192)

在電梯安防體系中，電梯層門是乘梯人乘坐電梯接觸的第一道屏障，也是電梯安全的第一道防線，能夠有效地將乘梯人與電梯運行井道空間隔開。近年來，接連在電梯層門區域發生的多起人員傷亡事故，已引起監管部門、社會和公眾的普遍關注。通過對典型事故案例的分析發現，電梯事故中很大一部分原因是乘客沒有遵守正確乘梯安全須知，在電梯運行中撞擊、踢踹電梯層門，這些魯莽的行為導致了層門門扇產生變形，進而引起上、下導向或限位裝置脫軌或脫槽，最終釀成墜入井道、跌入底坑等安全事故。而隨著電梯使用年限的增加，一些使用數年以上的老舊電梯層門系統部分零部件存在不同程度的老化、磨損、脫落、變形等失效，導致層門系統安全狀況參差不齊，尤其是使用年限達到15年及以上的老舊住宅電梯，層門系統零件老化變形現象更為嚴重，給使用環節埋下了更多潛在的安全隱患。更為嚴重的是，目前全國將近400多萬臺在用電梯是按照GB 7588—2003及更早以前標準設計制造，受當時材料、技術等諸多限制，加之年久失修帶來的累積損傷，這個階段生產制造并投入使用的電梯層門系統安全狀況是亟需迫切了解和掌握的情況。問題的解決將提高年度安全隱患專項整治的針對性、有效性。

1 老舊電梯層門問題匯總分析

本文基于天津市2016年和2017年老舊電梯評估的數據樣本進行調研、抽查和分析等，弄清在用電梯層門與GB 7588一號修改單標準的符合情況，提出在用電梯層門系統存在的問題、風險和針對性解決措施。經統計，使用年限為15年及以上的在用電梯層門系統存在問題占比見表1所示。

表1 使用年限為15年以上的在用電梯被抽樣本存在問題統計

根據表1，門繩吊輪老化或損壞、層門導靴磨損嚴重或缺失及門鎖滾輪老化或損壞是層門系統存在最突出的問題，占比分別為22.6%、18.95%、19.07%。可見破損嚴重有關部件都是層門頻繁相對運動的部件，主要以懸掛裝置部件和門鎖部件為主，其原因為：

1）在調研檢查過程發現，大部分15年以上的在用電梯門繩輪或者輪緣為尼龍材質，由于百十萬次頻繁開關門，使得運行鋼絲繩與輪緣摩擦磨損，加之溫度濕度運行環境變化，導致尼龍輪緣出現老化和損壞；

2）正常開關門過程，導靴起到導向和約束層門開關垂直方向自由度的作用，能夠防止由于失誤情況下的層門脫槽內陷井道。其結構主要是金屬材質滑塊（可當應急導向裝置）或外包尼龍材質。在使用過程中可能會由于頻繁開關門及維修保養不到位，出現導靴定位螺栓螺母松脫掉落，導靴與地坎槽摩擦磨損或外包尼龍材質日久老化磨損甚至生活垃圾落入地坎槽導致維保人員為減少門鎖故障而任意調高導靴等情況，如果此時乘客人為踢踹層門將極易發生跌入井道地坑的危險；

3）門鎖滾輪的作用是當電梯到平層范圍內，門刀插入門鎖滾輪，在門機帶動下打開層門。一般而言，門刀是金屬材質，門鎖滾輪輪緣是橡膠材質，在每一次停梯平層開門的過程中門刀與門鎖滾輪都會發生相對運動，容易導致門鎖滾輪老化和磨損[1]。

2 在用電梯層門系統性能試驗

由于層門強度檢查無法在現場進行檢驗，本文選取三種有代表性的在用層門，進行實驗室擺錘試驗。

2.1 試驗平臺的搭建

按照GB 7588—2003及其第1號修改單附錄J要求，試驗擺錘為一個皮革制成的沖擊小袋，內部裝填直徑（3.5±1）mm的鉛球，其總質量為（45±0.5）kg。[2]圖1（a）為軟擺錘試驗裝置示意圖，試驗裝置在一定的高度釋放軟擺錘，進行試驗。H為跌落高度，H=800mm；H1（圖1中⑤）為撞擊點高度，H1=1m。

試驗過程要求及注意事項：

1）在觸發之前，應設置一個三角形勾掛裝置，在觸發裝置上使擺錘沖擊裝置的重心與提拉鋼絲繩在一條直線上；懸掛的擺錘沖擊試驗裝置通過提拉和觸發裝置的牽引由被測層門正面向上提起，提升高度H=800mm。在釋放的瞬間觸發裝置不應對擺錘沖擊試驗裝置產生附件沖擊；懸掛鋼絲繩應勾掛住擺錘試驗裝置而沒任何扭轉，以防止在觸發后擺錘沖擊試驗裝置產生翻轉。

2）擺錘沖擊試驗裝置應所需的高度下釋放，擺錘沖擊點在寬度方向上為面板中心點，高度方向上為面板設計地平面上方1.0m。

3）試驗合格標準判定：1）可能有永久變形；2）門裝置的完整性應沒有損壞，門裝置應保留在原位置，且凸進井道的間隙不應大于0.12m；3）在擺錘試驗后，不要求門能夠運行；4）對于玻璃部門，應無裂紋。

圖1 軟擺錘沖擊裝置

2.2 試驗層門的選取

根據調研情況，在用電梯層門存在三種典型結構：1）內側無加強筋；2）內側有縱向加強筋；3）內側有橫向加強筋。選取了單根縱向加強筋型、無加強筋型和雙根橫向加強筋型的在用電梯層門各一扇（相同材質，均為Q235鋼板），對其進行軟擺錘試驗，見圖2。

圖2 三類不同結構層門實物圖

2.3 試驗結果

●2.3.1 單根縱向加強筋型

單根縱向加強筋型層門其高度為2115mm，寬度為475mm，厚度為1.2mm，經過試驗后該層門門扇產生嚴重的塑性變形，形變量約為38mm，門扇、導靴及門扇懸掛板完全脫離地坎槽，導靴產生了變形和脫落，見圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）。

圖3 單根縱向加強筋型層門試驗后狀態

●2.3.2 雙根橫向加強筋型

雙根橫向加強筋型層門其高2140mm，寬475mm，厚度1.8mm。經過試驗后該層門門扇產生塑性變形，形變量為25mm，門扇懸掛板脫落導致門扇脫離滑到，而導靴未脫離地坎槽，因為該門扇除導靴外下端部有一部分深入到地坎槽內，有效地使層門下端保持到原位，見圖4（a）、圖4（b）。

圖4 雙根橫向加強筋型層門試驗后狀態

●2.3.3 無加強筋型

無加強筋型層門其高2100mm，寬410mm，厚度1.2mm，經過試驗后該層門門扇產生塑性變形和彈性變形，彈性變形恢復后，塑性形變量為45mm，門扇及導靴完全脫離地坎槽，見圖5。

圖5 無加強筋型層門試驗后狀態

通過對在用電梯典型結構型式層門進行軟擺錘試驗，觀察到上述三種結構型式層門均存在不同程度的塑性變形，脫離原保持位置，門扇、下導靴和門扇懸掛板不同程度地脫離地坎槽或門頭滑道，導靴也受到了不同程度的沖擊變形和脫落。即層門系統完整性被破壞。

軟擺錘撞擊瞬間引起較大彈性變形，導致門吊板滑輪與門頭導軌因瞬時變形而產生上提的位移，門導靴與地坎槽因瞬時變形而產生上提位移，進一步導致兩者滑脫門頭導軌和地坎滑槽。受擺錘沖擊產生的位移量是門扇本身強度、剛度及穩定性的綜合直觀反映，要弄清受擺錘沖擊產生的位移量是由于層門本身強度不足引起的還是層門懸掛機構薄弱引起的應單獨分析門扇本身的強度。

3 層門系統有限元數值分析

層門系統整體抗沖擊性、剛度、強度等性能與門扇和層門懸掛裝置有密切相關。根據軟擺錘試驗結果，門扇、導靴或門扇懸掛板不同程度脫離地坎槽或門滑道，導靴和懸掛門板吸收了部分擺錘沖擊能量。為進一步分析在用電梯層門門扇本身強度，確定門扇本體的真實最大形變量是否為導致導靴脫離地坎槽的原因，本節將上述三種結構型式的在用電梯層門在ANSYS有限元分析軟件中建立簡化模型并進行網格劃分，基于現場試驗提供的數據和方法，設置了沖擊載荷與邊界條件，對電梯層門受力及變形等特征量予以量化，模擬電梯層門受到與擺錘試驗相同大小位置沖擊的物理過程[3]。具體步驟如下：

3.1 層門模型尺寸。

在ANSYS預處理模塊中，采用ANSYS命令流輸入程序，分別建立三種層門的模型，定義門扇高度、門扇寬度、門扇厚度、門框寬度、門框高度、加強筋寬度和加強筋厚度等主要參數。加強筋和門扇接觸簡化為全局接觸，通過現場測量得到三種不同結構層門的具體尺寸[4]。

3.2 層門材料特性

定義材料為Q235，屈服強度為235MPa，線性彈性楊氏模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。

3.3 網格劃分及邊界約束

網格劃分采取標準三角形網格，網格密度選擇良好；定義邊界條件為門扇四角X，Y，Z方向全部約束。

3.4 施加荷載

設軟擺錘沖擊的沖量為I，沖擊時間為t，已知軟擺錘墜落高度H=800mm，質量M=45kg，重力加速度g=9.8m/s2，假設沖擊過程為力的三角脈沖，則在沖擊時力脈沖幅值F為：

根據層門受沖擊變形的實驗數據，不斷修正有限元計算模型總沖擊時間t，獲得與之對應的脈沖幅值F。

經重復計算和查閱相關文獻，比對實驗數據后發現，當沖擊時間t=0.1s時，施加力F=3564N，有限元計算獲得變形過程與實驗數據吻合度較高，由此確定加載過程為0.05s（半程達到最大變形）[5]。由于層門的變形會涉及非線性的塑性變形區域，因此求解器選擇非線性求解器。設定載荷與時間的關系如圖6所示。

層門最大變形發生在沖擊力達到最高的時間，因此只需要計算一半的沖擊過程即可，如果需要研究沖擊全過程，則需要塑性區的卸載過程，本文僅研究最大變形。根據理論計算，施加線性力為3564N，施加載荷位置為門扇高1m處，加載過程為0.05s。最終得到X，Y方向上的應力云圖（X，Y方向延伸構成門扇平面）和Z方向形變量云圖（Z方向為門扇受沖擊方向）以及受沖擊點Z方向形變量隨時間變化曲線。

這樣就在ANSYS軟件中模擬了層門受到與挼擺錘試驗等效沖擊的完整過程，具體流程提見圖7。

圖6 載荷與時間關系圖

圖7 ANSYS模擬層門軟擺錘試驗流程

3.5 計算結果

●3.5.1 單根豎直加強筋型

根據圖8～圖11，由X方向應力云圖和Y方向應力云圖可以看出，單根豎直加強筋型層門在受到擺錘沖擊后所受到的最大應力超過了材料的屈服極限，最大應力分布在沖擊點周圍豎直加強筋的兩側，豎直加強筋起到增加剛度的重要作用。由Z方向形變量云圖了彈性形變，在0.03s前隨著擺錘沖擊的加劇，沖擊點附近應力逐漸達到了材料的屈服極限，隨后彈性形變逐漸恢復塑性形變逐漸增加，最終在0.05s時達到塑性形變最大值。

圖8 單根豎直加強筋型層門Z方向形變量圖

圖9 單根豎直加強筋型層門X方向應力云圖

圖10 單根豎直加強筋型層門Y方向應力云圖

圖11 單根豎直加強筋型層門受沖擊點Z方向形變量隨時間變化曲線

●3.5.2 雙根水平加強筋型

根據圖10～圖15，由X方向應力云圖和Y方向應力云圖可以看出，雙根水平加強筋型層門在受到擺錘沖擊后所受到的最大應力超過了材料的屈服極限，最大應力分布在層門正中央和靠下的加強筋部位，水平加強筋的設計起到了緩解應力集中的作用。由Z方向形變量云圖可知門扇沖擊點附近發生了塑性形變，最大形變量為25.9mm，因為選取的雙根水平加強筋型層門厚度大于其他兩種類型，所以形變量最小。通過受沖擊點Z方向形變量隨時間變化曲線可以看出，門扇在0.01在0.03s這內時間內發生了彈性形變，在0.035s前隨著擺錘沖擊的加劇，沖擊點附近應力逐漸達到了材料的屈服極限，隨后彈性形變逐漸恢復塑性形變逐漸增加，最終在0.05s時達到塑性形變最大值。

圖12 雙根水平加強筋型層門Z方向形變量云圖

圖13 雙根水平加強筋型層門X方向應力云圖

圖14 雙根水平加強筋型層門Y方向應力云圖

圖15 雙根水平加強筋型層門受沖擊點Z方向形變量隨時間變化曲線

●3.5.3 無加強筋型

根據圖16～圖19，由X方向應力云圖和Y方向應力云圖可以看出，無加強筋型層門在受到擺錘沖擊后所受到的最大應力超過了材料的屈服極限，最大應力分布在層門中部大部分位置，因此此類層門強度明顯低于同尺寸其他兩種類型。由Z方向形變量云圖可知門扇沖擊點附近發生了塑性形變，最大形變量43.7mm，因為選取的無加強筋型層門寬度小于其他兩種類型，所以才沒有更大的形變量。通過受沖擊點Z方向形變量隨時間變化曲線可以看出，門扇在0.01在0.025s這內時間內發生了彈性形變，在0.03s前隨著擺錘沖擊的加劇，沖擊點附近應力逐漸達到了材料的屈服極限，隨后彈性形變逐漸恢復塑性形變逐漸增加，最終在0.05s時達到塑性形變最大值。

圖16 無加強筋型層門Z方向形變量云圖

圖17 無加強筋型層門X方向應力云圖

圖18 無加強筋型層門Y方向應力云圖

圖19 無加強筋型層門受沖擊點Z方向形變量隨時間變化曲線

根據上面數值模擬分析，比較三種結構型式層門在施加軟擺錘沖擊工況下的變形量，提取結果見表2。

表2 軟擺錘試驗和ANSYS仿真形變量結果比對

由表2可知，在不排除試驗現場誤差的基礎上，軟擺錘試驗數據和ANSYS仿真數據結果基本吻合。由此可以判斷，選取的三種類型的層門在軟擺錘試驗后都滿足凸進井道的間隙不應大于0.12m的要求，因此在完全約束門扇的條件下，其本身的強度符合要求，最大形變量不是導致導靴脫離地坎槽的主要因素，而配合懸掛機構后的層門整體抗沖擊性無法滿足要求是導致導靴脫離地坎槽的主要因素，從而軟擺錘試驗破壞了層門系統的完整性。

4 針對在用電梯層門存在問題的改進措施

根據以上分析，按照GB 7588—2003或更早以前的標準設計制造的在用電梯，其層門系統質量合格堪憂，給使用環節遺留下很大安隱患。根據GB 7588—2003第1號修改單及檢規的有關要求，層門的懸掛裝置需要進行必要的改進，從而達到增加其整體層門系統的強度，保證在受到沖擊后能保持自身完整性。需要以下改進措施：

1)增加導靴和地坎槽嚙合深度。經調研，在用電梯層門導靴的嚙合深度在13mm左右，如果通過加深地坎槽來加大這個嚙合量，如果達到20mm以上可以提高抗沖擊性。

2）增加層門安全保持裝置。一些電梯制造企業在GB 7588—2003及其第1號修改單實施后，也增加了類似美國標準中層門安全保持器的裝置，在門扇下端焊接一個防撞擋板，使其在地坎槽內隨門扇運動，當受到外部撞擊時可以有效地增加門扇和地坎的嚙合面積，使層門保持在原有位置，不脫離地坎槽，一定程度上防止了門滑塊脫槽的風險，見圖20。

圖20 層門防撞擋板

3）設計向井道外突出的門扇端部或導靴。改變層門端部的設計，將其與導靴連接處向井道外延伸（見圖21（a）），或直接將導靴設計成向井道外延伸的造型（見圖21（b）），這樣可以有效地吸收水平沖擊的危害，減小門扇脫離地坎槽的可能。

圖21 變更門扇端部式導靴設計

4）設計門掛板防脫軌結構。同理，按照3）的理念，設計門掛板方脫軌結構。圖22為一種門掛板防脫鉤結構，正常情況下其勾住門吊板，當乘客非故意的扶或依靠門扇時，能夠有效承受這部分力，使門扇懸掛板不會因撞擊脫離原有位置。

5）加強門導靴與門扇下端部連接強度，常見的門導靴與門扇下端部通過螺栓螺母連接，隨著頻繁開關門運動以及縱向受力，使得螺栓螺母間出現松動甚至掉落，若平時維保不到位（事實上，根據檢驗經驗來看，這是維保作業中極易忽視的），則會出現導靴脫落。通過改進門滑塊與門扇端部連接強度來增強門扇系統整體性能，見圖23。

6）提高門扇本身性能，強化本質質量安全， 一是門扇選擇合適的材質、厚度，保證足夠的強度、剛度等力學性能；二是增加一根以上的縱向、橫向或橫向+縱向加強筋，提高層門剛度[6]，見圖24。

圖22 一種門掛板防脫結構

圖23 加強門導靴與門扇連接強度

圖24 增加橫、縱向加強筋

7）在檢驗中加強對懸掛裝置的重視程度， 在檢驗規則中目前還沒有對懸掛裝置進行量化的要求，特別是層門導靴嚙合深度的尺寸，在檢驗中應根據不同廠家標準和不同的導靴型式測量其嚙合深度，對嚙合深度不滿足要求的導靴，應要求維保單位更換或調整。