電梯制動器上一顆螺栓斷裂引起的探討

譚子安

（廣東省特種設備檢測研究院江門檢測院，廣東江門 529000）

0 引言

電梯作為建筑物、設施甚至設備的垂直軌道交通設備，使用越來越廣泛，增長速度迅猛，電梯安全也成為大眾關注的問題。在廣大特種設備安全監察部門、檢驗機構、生產安裝維保單位的共同努力下，全國的電梯安全事故呈逐年下降，而曳引與強制驅動電梯發生死亡事故更低。但業內不要掉以輕心，電梯故障引起的困人、火災、傷人事故仍時有發生。

1 問題的提出

相關從業人員應對電梯的設計、生產、安裝、維保、檢驗等各環節都有相當了解，小至一顆螺栓，如果不加以重視，都可能引發重大事故。據統計，近一段時間，某著名品牌電梯的制動器發生多起抱閘的頂推螺栓斷裂問題。其造成的后果是導致制動器抱閘抱死，電動機過載燒毀和釀成火災；或抱閘閘瓦嚴重磨損，轎廂制動失效，導致溜車沖頂或撞底事故。據了解，發生故障的基本是同一類型的無齒輪永磁同步曳引機的制動器（圖1），如此高的發生率，引起了業內的重視，仔細研究和分析檢驗過程中收集到的斷裂螺栓樣本（圖2），將得出的觀點與大家分享。

2 分析及論據

2.1 破壞特征

結合頂推螺栓的工作狀況，收集到的這2 個樣本是同一時期出廠、同一型號的曳引機，根據工作循環次數（電梯每次起動到停車為一個工作循環），每個循環推定螺栓都是受到電磁鐵沿螺栓軸心方向向外的頂推力。而在這個力作用過程中，既有推力又有因機構造成的分力，推力大部分是沿螺栓軸心方向的壓力，一小部分為推力與螺栓軸心不同心產生的分力，正是這個分力在工作過程中對螺栓造成沖擊動載，是螺栓斷裂的源頭。到頂推螺栓斷裂時，為4～5×105次，在沒有外來因素的影響，基本可以從高周（交變載荷循環次數≥105）疲勞破壞造成的斷裂進行考慮分析。

圖1 故障制動器的抱閘頂推螺栓機構

圖2 斷裂的頂推螺栓

疲勞破壞：當材料和結構受到多次重復變化的載荷作用后，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，這種在交變載荷重復作用下材料和結構的破壞現象，叫做金屬的疲勞破壞。

疲勞破壞的特征：疲勞破壞應力遠比靜載荷下材料的抗拉強度低，甚至比屈服強度低得多。零件疲勞破壞可分為3 個階段：①初始微觀裂紋階段；②宏觀裂紋擴展階段，裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展；③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。對應于疲勞破壞的3 個階段，在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源（初始裂紋）、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3 個區（圖3）。

根據材料力學的知識，金屬疲勞破壞斷口微觀形貌特征分為延性疲勞輝紋和脆性疲勞輝紋。延性疲勞輝紋特征是疲勞條痕連續、向一個方向彎曲成波浪形，其對應的是塑性材料的高周疲勞斷裂；脆性疲勞輝紋特征是沒有或很少有塑性變形、裂紋沿解理平面擴展，其對應的是脆性材料的疲勞斷裂。金屬材料的塑性和脆性是相對的，根據材料的延伸率（δ）來判斷，δ 是材料在拉伸斷裂后，總伸長與原始標距長度的百分比。工程上常將δ≥5%的材料稱為塑性材料，δ＜5%的材料稱為脆性材料。

分析樣本1 和樣本2 的斷口：樣本1 的斷口具有典型的延性疲勞輝紋特征，可判斷該螺栓的材料為塑性材料；樣本2 的斷口應是脆性疲勞輝紋特征，判斷其材料為脆性材料。這2 個樣本應該是同一批次生產或采購的，2 個樣本的六角頭都沒有螺栓性能等級的標記（圖4），一般沒有標等級的螺栓只能將它作為低等級螺栓，如4.8 級。

圖3 斷裂的頂推螺栓斷口

圖4 螺栓頭沒有等級標記

經過對2 個樣本的初步分析已基本得出結論：同一批次的螺栓材料硬度不一致，螺栓性能等級低，結論是螺栓質量差。

2.2 受力分析

根據曳引機上制動器推頂螺栓的裝配，推頂螺栓是與抱閘動臂通過螺紋連接，再用緊固螺母進行緊固，以防止螺栓在動載作用下松動，那么推頂螺栓的疲勞載荷應力就存在一個因素：緊固力。

推頂螺栓在裝配過程中應該按照裝配工藝卡要求的緊固力進行緊固，而且不同性能級別的螺栓預緊力也是不同的，低級別的預緊力比高級別的低，因為低級別的螺栓公稱抗拉強度比高級別的低。如果裝配過程沒有嚴格遵守工藝卡要求執行，或在使用過程中維保人員擅自另行緊固，那么緊固力就不能得到保障，需考慮過大的緊固力是否會造成螺栓的疲勞斷裂。分析螺栓的斷口位置，排除了這種可能性。因為如果是緊固力造成的，斷口位置應該在緊固螺母的緊固面位置，即圖5 位置1，而實際斷口是在圖5 位置2。

推頂螺栓在圖5 位置2 斷裂，是受制動線圈頻繁動作的推力沖擊和其產生的彎矩共同高周作用造成。從圖中可以看出螺栓的端部是弧形面，作用點（面）偏離軸心，而且與裂紋開始區幾乎是在經過軸心180°位置，結合其工況為高周工作的特性，有理由判斷是推力產生的彎矩參與其中。

圖5 螺栓斷口位置

另一個主要因素是制動線圈頻繁動作的推力，會使沒有防松措施的預緊螺母松動，從而在松動的螺牙間隙間產生沖擊，首當其沖就是位置2 的端面螺牙。沖擊力為制動線圈動作產生的推力，一般都達到幾十千克，產生的動量轉化成沖擊力的大小與力的作用時間有關，作用時間越短，產生的沖擊力就越大。雖然很難進行測定，但從沖擊力的角度看，沖擊力公式為mv=Ft，即物體運動的動量mv 轉化成沖量Ft。在經歷一定的重復動作后，緊固螺母最終松動，這時沖擊速度v 與螺栓的松動間隙成正比，隨著螺栓的松動間隙不斷累積增加，沖擊力F 也在不斷增大。沖擊力F 的增大又進一步導致螺栓的松動間隙進一步增大，而螺栓間隙的增大導致沖擊力F 進一步增大，直至螺栓斷裂。

從沖擊動能的角度分析，由S＇=1/2at2可得a=2S＇/t2，其中S＇為松動間隙，則v=at=2S＇/t。由此可見，在沖擊作用時間t 不變的情況下，沖擊速度v 與螺栓的松動間隙S＇成正比增大。沖擊動能公式為E=1/2mv2，當螺栓松動間隙S＇增加時，沖擊速度v 也隨之增大，沖擊動能E 呈平方次增加并且釋放在螺栓上，導致螺栓斷裂。

綜上分析，如果螺栓不松動，松動間隙為零，則沖擊力F 和沖擊動能E 都為零，螺栓就不會斷裂。螺栓因沖擊力的作用而發生斷裂，其過程也是螺栓先產生微裂紋，隨著沖擊力的不斷增大、沖擊動能的釋放，裂紋逐漸增大，直至螺栓斷裂。這種斷裂的過程和人們分析的疲勞斷裂的過程恰恰是相同的。

3 總結

該類型電梯曳引機的制動器的抱閘的頂推螺栓發生多起斷裂的案例，歸納有以下兩方面的原因。

（1）主因是螺栓質量差。該批曳引機制動器的推頂螺栓存在質量問題，后來該廠家在該螺栓上加套筒以加強剛性，效果一般；換成性能等級8.8 的螺栓，至今未斷裂。其他廠家的曳引機制動器的推頂螺栓也是采用性能等級8.8 的螺栓。

（2）另一個因素是疲勞破壞。受制動線圈頻繁動作的推力沖擊和其產生的彎矩共同進行高周作用，造成疲勞破壞。也正是螺栓質量差，所以同樣結構、同樣工況，該品牌電梯制動器的推頂螺栓就容易發生斷裂。