閘瓦式電梯制動器的力學特征分析

任昭霖 劉小暢

上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062

0 引言

電梯制動器是電梯系統中不可缺少的組成部分，不僅能保證轎廂停在平層位置時不會因為轎廂與對重之間的質量差而造成溜梯，還能在動力電源或控制電路電源失電時，使運行中的轎廂能有效制停。由此可見，制動器的安全、可靠是保證電梯安全運行的重要因素之一，直接關系電梯設備和乘用人員的安全。電梯事故統計分析表明，電梯發生開門溜梯、沖頂、擠壓或蹾底等安全事故大多數因電梯制動器失效導致。

電梯通常采用摩擦型的機電式常閉制動器，分析可知，制動器中制動輪和閘瓦為核心部件，其受力情況會對制動效果產生重要影響[1]，故對制動輪和閘瓦的力學特征分析至關重要。以永磁同步曳引機為例，分析在緊急制動時，閘瓦式制動器中制動輪和閘瓦的力學特征。

1 電梯制動器受力分析

在電梯系統中，主要包含轎廂、對重和曳引輪，其簡化模型如圖1所示。

圖1 電梯系統簡化模型

圖1中，轎廂質量為P，對重為W，曳引輪半徑為R，轎廂的運行速度為V，制動器制動力矩為Mf。

若不考慮轎廂和對重兩邊牽引繩的質量，在轎廂處于額定載荷時，力的平衡應滿足

式中：k為電梯平衡系數，k的取值范圍為0.4～0.5；Q為電梯額定載荷。

根據式(1)，也可求得對重的值。

當電梯正常停止時，轎廂的運行速度V=0，制動器制動力矩是用以保持轎廂和對重平衡。在力矩平衡上，應滿足

根據式(2)，在電梯正常停止時，制動力矩為

當電梯出現故障突然降落，制動器緊急制動時，在一瞬間轎廂和對重會產生減速度a，通常a的取值范圍0.2g～1.0g之間，g為重力加速度[2]。此時，力矩平衡方程為

根據式(4)，當電梯緊急停止時，制動力矩為

式(5)整理可得

根據式(3)和式(6)中的制動力矩表達式可知，制動器在緊急制動時，制動力矩大于正常停止時的制動力矩。

電梯正常啟停過程中，電梯在曳引機控制下加減速到設定的速度值，但當電梯發生故障時，需使得電梯緊急停止，即制動器緊急抱閘，這就對于制動器的性能提出了較高的要求[3]。基于此主要對緊急制動情況下的制動器進行受力分析。

2 有限元模型建立

參照GB/T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規范》[4]和TSG T7007—2022《電梯型式試驗規則》[5]等規范對制動器的要求，確立有限元分析模型。

假設電梯的曳引輪半徑R=0.245 m，電梯額定載荷Q=1 000 kg，轎廂質量P=300 kg，平衡系數k=0.45，減速度a取最大值，即a=g，根據國家標準規定的極限情況，在125%的額定載荷下對電梯進行緊急制動。

此電梯在緊急制動時，根據式(6)可得

由于制動過程是一個非常復雜的過程，需考慮到眾多物理因素的影響。為了分析的簡易性，假設：1）制動過程中，減速度a恒定；2）制動過程中，制動輪和閘瓦之間的摩擦系數保持不變；3）制動過程中，制動力矩均勻分布在制動輪上；4）制動過程中，制動輪和閘瓦的變形均為彈性變形；5）制動時的初始溫度為正常室溫。

由于制動力矩均勻分布在制動輪上，此時閘瓦上所受的正壓力為

式中：μ表示制動輪與閘瓦之間的摩擦系數。

緊急制動過程中，主要的受力對象為制動輪和閘瓦，為加速收斂過程，提升計算效率時僅對制動輪和閘瓦進行有限元分析[6]，圖2為永磁同步曳引機三維模型。

圖2 永磁同步曳引機三維模型

如圖2所示，假設制動輪外徑與曳引輪直徑相同為0.245 m，單側閘瓦包角為50°，閘瓦寬度為55 mm。將制動輪與閘瓦的三維模型導入Ansys軟件中進行有限元分析。

1）網格劃分 采用六面體網絡對制動輪和閘瓦進行網格劃分，如圖3所示。其中，閘瓦和制動輪總單元數為4 571，總節點數為9 251。

圖3 制動輪與閘瓦網格劃分

2）材料參數 設定制動輪材質為HT200，密度為7 250 kg·m-3，彈性模量為 1.48×1011Pa，泊松比為 0.3；閘瓦材質為復合銅網板，密度為2 150 kg·m-3，彈性模量為2.2×109Pa，泊松比為0.3。閘瓦與制動輪間的摩擦系數μ=0.3。

3）載荷設置 壓力均勻分布在閘瓦外表面，且由式(7)可計算出閘瓦上的正壓力 。

4）邊界條件 制動輪和閘瓦在X、Y、Z方向的位移為零。

5）初始條件 制動輪初始轉速為10 rad/s，順時針旋轉，設置在1 s內轉速變為零。初始溫度為室溫，即25 ℃。

3 力學特征分析

曳引機緊急制動過程中制動輪的應力變化如圖4所示。由圖4可知，在緊急制動過程中，隨著時間的推移，制動輪的最大應力在逐漸增大，在600 ms之后最大應力減小并趨于穩定。在這一過程中制動輪的最大應力發生在軸連接處，最小應力發生在制動輪輪盤摩擦邊緣處。

圖4 緊急制動過程中制動輪應力變化

圖5為緊急制動過程中閘瓦應力變化圖。由圖5可知，閘瓦的應力變化較為復雜，在200 ms之前最大應力波動增加，在200～400 ms之間最大應力減小，之后最大應力以較小的幅度緩慢增加。同時可以得知剛進入摩擦制動時，應力在閘瓦上的分布不均勻，后逐漸分布均勻。由于在制動輪不斷旋轉，即閘瓦所受應力相當于脈動循環應力，使得最大應力和最小應力發生處也循環變化。

圖5 緊急制動過程中閘瓦應力變化

綜合分析制動過程中制動輪與閘瓦上的最大應力和平均應力變化如圖6所示。

圖6 制動輪與閘瓦上最大應力與平均應力

圖6中紅色實線表示制動輪與閘瓦上應力最大值，藍色虛線表示制動輪與閘瓦上應力平均值。通過分析可知，在12 ms時制動輪和閘瓦上的應力值達到最大為270.3 MPa，顯然在兩者接觸的瞬間引發較大的沖擊，導致應力急劇增加。而隨著摩擦減速的進行，沖擊逐漸平穩，最大應力和平均應力以較小的幅度增加。最后隨著制動輪逐漸停止轉動，在0.6～0.8 s時最大應力與平均應力有所提升，而后基本保持不變。

由于制動過程中制動輪一直旋轉，無法準確分析其應變變化，僅對閘瓦進行應變分析，如圖7所示。

圖7 緊急制動過程中閘瓦應變變化

由圖7可知，閘瓦上的最大應變在600 ms前基本保持不變，但隨后一直增長，這是由于摩擦導致變形持續增加，且應變最大處基本上位于閘瓦進入摩擦處，即閘瓦上側。

4 制動力矩與閘瓦最大應變關系分析

在125%的額定載荷下對電梯進行緊急制動，制動力矩為7.595 kN·m，在100%額定載荷下的制動力矩為6.37 kN·m。

多次改變制動力矩值，使得制動力矩以0.245 kN·m為梯度從6.370 kN·m逐級加載至7.595 kN·m，在通過Ansys進行有限元分析，并記錄閘瓦的最大應變值如表1所示。

表1 閘瓦在不同制動力矩下的最大應變值

根據制動力矩與閘瓦最大應變的數值進行曲線擬合，如圖8所示。

圖8 應變與制動力矩的關系曲線

由圖8可知，閘瓦的最大應變與制動力矩間基本呈線性關系，相關系數r=1，其關系表示為

式中：Mf為制動力矩，με為閘瓦的最大應變。

5 在用電梯制動器性能現場測試

在使用現場對已經具有一定服役時間的在用電梯制動器進行測試，記錄制動器的吸合和釋放電壓、響應時間以及制動能力曲線，分析在用制動器的性能特點。

5.1 測試原理、儀器與方法

在用電梯制動器吸合/釋放電壓和響應時間現場測試原理如圖9所示，現場測試照片如圖10所示。首先，將制動器自身供電電路的外部電源切斷，將1部可手動調節的電源直接接入制動器的電磁線圈，以便使制動器的供電和動作都是可控的。然后，在制動器的機械動作部件（或柱塞）上安裝非接觸式的位移傳感器，以便觀測制動器的吸合和釋放動作。最后，將手動調節電源的電壓信號和位移傳感器的位移信號同時接入一臺便攜式記錄儀，以便對這些信號進行實時記錄。該記錄儀具有數據存儲和打印功能。

圖9 在用制動器吸合/釋放電壓和響應時間測試原理圖

在進行制動器吸合和釋放電壓的測試時，首先將手動調節電源歸零，然后逐漸增加電源的電壓輸出，同時觀察制動器機械動作部件和位移傳感器的輸出信號，當發現制動器機械動作部件（或柱塞）動作（抱閘打開）或位移傳感器信號變化的瞬間，記錄此時的手動調節電源的輸出電壓值，即為該制動器的吸合電壓；然后逐漸減少手動調節電源的電壓輸出，直至制動器機械動作部件（或柱塞）動作（恢復抱閘）或位移傳感器信號變化時，記錄該時刻手動調節電源的輸出電壓值，即為該制動器的釋放電壓。

在進行制動器響應時間（本文特指釋放動作的響應時間）的測試時，首先調節手動電源使制動器動作，即抱閘打開。然后直接切斷電源供電，即模擬制動器失電情況。使用記錄儀記錄斷電前后一段時間內電信號和位移信號的變化情況。通過曲線比較獲得從電信號突變開始，到位移信號表明制動器動作部件到達可靠抱閘位置為止的時間差，即為制動器釋放動作的響應時間。

5.2 測試內容

在用電梯制動器制動能力的測試在現場實梯上進行。主要測試包括滿載上行急停測試、125%額定載荷下行急停測試、空載上行/下行急停測試。

在測試時，記錄轎廂的運行加速度曲線以便后續分析。需要注意的是，由于測試電梯一般為使用一定時間的在用電梯，且可能存在一些使用和保養缺陷，故在進行制動能力測試之前應對電梯進行檢查以確認：1）平衡系數不能過大或過小；2）曳引輪槽沒有嚴重磨損；3）曳引繩沒有嚴重磨損，潤滑正常，表面沒有太多油污或銹蝕；4）曳引能力正常；5）電梯上行或下行超速保護裝置正常。

如上述幾個方面存在問題，則可根據實際情況進行制動能力測試工況的調整，如進行特定載荷（小于125%額定載荷）下行急停測試，或進行滿載上行、空載下行測試。

5.3 測試結果與分析

選用1臺在用的電梯作為測試樣梯，電梯的基本狀況和制動器的性能參數為：額定速度1.50 m/s，額定載荷1 000 kg，提升高度14.09 m（服務樓層6/6），服役時間187個月，制動器為鼓式、2組、無監測， 啟動電壓45.5 V，釋放電壓17.77 V，響應時間為106 ms。

部分測試結果如圖11所示。由測試結果數據可知，本報告中所涉及的測試電梯均為使用一段時間的在用電梯，許多電梯的服役時間超過15 a，為老舊電梯。在現場測試時，主要測試記錄了制動器的吸合（啟動）和釋放電壓、響應時間以及空載上行、空載下行、滿載上行和125%下行時的制停曲線。

圖11 制動性能曲線

通過測試數據和曲線可知，大部分被測在用電梯的制動器性能可滿足正常工作的要求，但仍存在以下幾個方面的問題：

1) 部分制動器存在釋放動作的響應時間過大，可能造成制動器不能及時抱閘，緊急制停時尤其危險；

2) 部分制動器的吸合（啟動）和/或釋放電壓過低（相對于額定電壓），造成這種現象的原因可能是電磁線圈損壞或存在剩磁，致使制動器發生誤動作或釋放延遲的風險增大；

3) 部分機械部件雙制動器存在兩邊機械動作不同步的問題。嚴重時，現場能聽到明顯的兩聲“啪”。吸合（啟動）動作不同步時，可能造成曳引機單側帶閘運行，加速單側磨損；釋放動作不同步時，可能造成制動力可能不足，加速單側磨損；

以測試結果為基礎的其他方面的分析，例如：與使用時間相關的制動器性能退化分析等，有待對測試數據進行更深的挖掘以及更進一步的討論和分析。

6 結語

通過對電梯正常停止和緊急制動時制動器的制動力矩計算，以及對緊急制動過程中制動器上制動輪與閘瓦的力學特征進行分析，可得：1）緊急制動時，制動器所受制動力矩較大，故在設計制動器時需重點考慮該情況下的應力變化；2）制動輪最大應力位于制動輪與曳引輪的軸連接處；3）閘瓦所受應力為脈動循環應力，需要考慮疲勞損傷問題；4）閘瓦的最大應變與制動力矩間基本呈線性關系；5）制動輪和閘瓦由于摩擦作用，使得應變不斷增加，會造成制動效果逐漸變差，故壽命檢測至關重要。