電梯制動器的結構原理及失效分析和檢驗檢測

韓英武 鄭奎勝

（1.吉林省白山市特種設備檢驗中心 白山 134300）

（2.捷通智慧科技股份有限公司 北京 100015）

截至2021年底，全國在用電梯近900萬臺，居世界首位，彰顯了我國城鎮化建設的迅猛發展。與此同時，電梯事故頻發，尤其近年來與電梯制動器失效有關的剪切、沖頂和蹲底等惡性事故接連發生[1]，引起了社會和業界的廣泛關注和嚴肅思考。自1854年奧的斯向世人展示第1臺安全理念電梯的100多年來，通過科技的加持，電梯的安全保護裝置日臻完善，但是電梯設計制造的本質安全程度仍然不能百分之百地杜絕故障和事故，因此高效的維護保養和科學的檢驗檢測就顯得異常重要。

1 電梯制動器的作用功能

電梯的標準規范明確了制動器是電梯的主要工作部件，同時又是重要安全部件[2]。

1）電梯制動器是電梯正常運行停止時的位置保持裝置。現今電梯控制拖動技術已經實現了正常運行的電梯零速停止后再斷電合閘，使電梯保持靜止位置，此時制動器表現為電梯的一種工作裝置，實現電梯停梯制動，而且電梯制動器是機電式制動器，即通電開閘，斷電合閘。

2）電梯制動器又是外部停電和常規故障時的制動減速停止裝置。當外部停電或者電梯層轎門等安全保護開關意外動作后，制動器失電緊急合閘使電梯減速停車，實現電梯運行制動，此時制動器也表現為電梯的一種工作裝置。

3）電梯制動器又是一種安全保護裝置。依據現行標準規范規定，現在廣泛使用的永磁同步無齒曳引機，因其存在2套以上冗余制動機構，并且取消了中間減速機構，制動器直接制動驅動主軸或曳引輪，這時電梯的制動器又承擔了電梯上行超速保護功能ACOP和電梯轎廂意外移動保護功能UCMP，規范要求承擔安全保護功能的制動器還需要做型式試驗[3]。

因此現行電梯制動器身兼數職，唯其保持常態有效，方能將電梯的位置保持、制動減速、上行超速和意外移動等電梯的基本功能和本質安全設計初衷落到實處。

2 電梯制動器的結構型式及特點

2.1 鼓式制動器

鼓式制動器主要有2種類型：杠桿鼓式制動器（見圖1）和直推鼓式制動器（見圖2）。

圖1 杠桿鼓式制動器

圖2 直推鼓式制動器

杠桿鼓式制動器與直推鼓式制動器的摩擦力矩形成方式相同，都是由弧形制動閘瓦壓緊制動輪來形成弧面型制動摩擦副，屬于徑向施力。

不同點在于杠桿鼓式制動器有杠桿開閘增力機構，機械結構較為復雜，電磁鐵芯行程較大，約為2～3 mm；直推鼓式制動器采用電磁直吸開閘，無增力機構，機械結構相對簡單，電磁鐵芯工作行程較小，約為0.3～0.6 mm。前者節省電磁吸力，后者上閘快、遲滯小。

直推鼓式制動器動作時制動閘皮與制動輪接合面間隙均勻，但動作時噪音大，由于制動器彈簧相對短（約30～40 mm），彈簧壓力不能調整，補償閘皮磨損的能力不足，沒磨損時制動力很大，磨損后制動力急劇下降。

杠桿鼓式制動器除電磁鐵芯外，其工作機構全部裸露在外，便于檢查維護，而直推鼓式制動器工作機構基本處于封閉狀態，不易檢查維護。

2.2 盤式制動器

盤式制動器也主要有2種類型：鉗盤式制動器（見圖3）和全盤式制動器（見圖4）。

圖3 鉗盤式制動器

圖4 全盤式制動器

盤式制動器制動力矩形成方式與鼓式制動器完全不同，它是靠制動鉗塊或摩擦盤壓緊制動盤形成平面型制動摩擦副，通過軸向施力而形成制動力矩。制動盤軸向厚度在制動摩擦升溫后變形量較小，制動性能熱力衰減較小。

盤式制動器的制動鉗塊或摩擦盤的工作行程與直推鼓式制動器相似，行程很短，制動器上閘更快、遲滯小。

相較于鼓式制動器，盤式制動器結構簡捷，穩定性好，鉗盤式制動器可以根據需要增設多組鉗體以實現更為可靠的冗余制動，更適合應用于對制動性能要求較為嚴苛的高速或重載電梯的驅動主機上。

鉗盤式制動器相似于杠桿鼓式制動器，其機械結構基本全部裸露在外，便于檢查維護。而全盤式制動器相似于直推鼓式制動器，其機械結構比較隱蔽，不易檢查維護。

上述4種制動器中以杠桿鼓式制動器使用最為廣泛，幾乎所有有齒輪曳引機和大部分無齒輪曳引機都有使用，其余3種制動器基本應用在無齒輪曳引機上。

3 制動器的電氣原理

3.1 制動器電磁線圈的放電回路

電梯制動器電磁線圈的電氣回路（如圖5所示）中，有一個由二極管D和電阻R2串聯后再與電磁線圈BZ并聯而組成的放電回路。該放電回路在制動器線圈BZ通電時，因二極管D的反向截止作用而不通電流。當制動器回路斷電時，因電磁線圈BZ瞬間斷電產生很大的自感電動勢，該自感電動勢的極性與原電源極性相反，恰好與二極管D和電阻R2構成回路，將此感生電能消耗在放電電阻R2上。

圖5 制動器電氣回路原理圖

放電回路的作用首先是避免電弧放電和電氣沖擊，保護接觸器觸點不被燒結損壞。因為電磁線圈瞬間斷電而產生的自感電動勢會導致制動器電磁線圈回路中最先斷開的接觸器觸點之間產生電弧放電。其次是能夠降低制動器合閘時產生的機械沖擊。因為有放電回路功能存在，使得電磁線圈的電流不能瞬間消失，電磁吸力有一個短暫延時從而減緩了制動沖擊，降低了制動器的合閘噪聲。

制動器斷電后電磁線圈兩端的電壓放電變化規律用式（1）表示：

式中：

τ ——時間常數[4]；

U0——線圈斷電之前的電壓；

R2——放電電阻；

Rb——線圈的內阻；

L——線圈的電感；

t ——放電時間。

從式（1）和式（2）可以得出，在電磁線圈電感L和內阻Rb已定的情況下，制動器斷電后線圈兩端之間的電壓放電衰減規律與電阻R2直接相關：1）當R2>>Rb時，相當于放電回路開路，反電動勢很大，時間常數τ=0，起不到放電作用。2）當R2=0時，相當于二極管沒有串接放電電阻，反電動勢U=0，放電時間τ=L／Rb最長。3）選擇適當的放電電阻R2，可以把反電動勢和放電時間控制在所需要的適當的范圍內。

3.2 制動器電磁線圈的強激回路

電梯制動器電磁線圈的電氣回路（如圖5所示）中，有一個降壓電阻R1與電磁線圈BZ串聯，同時該降壓電阻R1與強激接觸器KBQ的常開觸點并聯。當控制主板發出運行指令時，制動器強激接觸器KBQ和制動接觸器KB同時得電，強激接觸器KBQ的常開觸點閉合將降壓電阻R2短接，此時電磁線圈以110 V全壓啟動實現強力快速開閘。開閘后強激接觸器KBQ約延時2 s斷電，此時電磁線圈串接降壓電阻，以60～70 V左右的電壓維持開閘狀態。

強激回路的作用是在保證全壓快速啟動開閘的同時，以較低電流維持開閘狀態，從而減輕電磁線圈的過熱，提高制動器電磁線圈的壽命和運行穩定性。

4 制動器的失效分析

4.1 制動器的機械失效

1）制動臂銷軸和電磁鐵芯因銹蝕、污垢或磨損而導致動作不暢，甚至卡阻，使制動臂不能及時徹底地張開和閉合，從而導致制動器帶閘運行或者制動力不足甚至喪失。

2）制動器的松閘頂桿采用了導磁材料，使其隨著電磁鐵通電開閘時偏轉，斷電合閘時松閘頂桿與電磁鐵芯發生撞擊，嚴重時產生溝槽導致卡阻而使得制動器不能正常合閘。

3）制動閘瓦的閘皮磨損嚴重甚至鉚釘外露，導致制動器制動力不足。

4）制動器制動彈簧未能適時調整或者調整不當，導致制動力不足。

5）制動閘瓦與制動輪之間遺灑油污，使得制動力驟減以至喪失。

6）制動彈簧螺桿和開閘調整螺栓在應力集中部位出現裂紋甚至斷裂，制動彈簧螺桿被制動臂開合動作所造成的磕碰磨損而斷裂，導致制動器制動功能喪失。

7）制動彈簧螺栓和電磁鐵芯推桿行程調節螺栓的固定螺母由于固定不牢和頻繁振動而出現松動，致使制動力矩減小或制動器不能正常開合。

杠桿鼓式制動器的機械結構如圖6所示。

圖6 杠桿鼓式制動器結構簡圖

4.2 制動器的電氣失效

1）制動器電氣回路（如圖5所示）由KM和KB等2個以上無互控關系的接觸器的常開觸點實現斷電安全冗余控制，若其中一個觸點燒結或卡阻不能松開，會使安全冗余失效，甚至出現2個觸點都不能正常斷開，制動器不能有效合閘，使電梯出現非受控狀態的自由溜梯風險。

2）當制動器電氣回路中的任何一個控制接觸器觸點銹蝕或卡阻而不能有效接通電路時，會出現電梯帶閘運行的風險，若長時間運行制動閘瓦磨損嚴重后制動效能會喪失。

3）若制動器的強激接觸器KBQ的常開觸點燒結或卡阻不能斷開，會導致制動器電磁線圈始終承受全電壓大電流開閘，長時間運行會使電磁線圈過熱損壞而喪失開閘功能。

4）當KBQ觸點銹蝕或卡阻不能有效通電時，全壓啟動功能失效，制動器電磁線圈的電磁吸力不能克服彈簧阻力，導致不能開閘或開閘不到位，而出現帶閘運行的風險。

5）當放電回路中二極管D擊穿損壞或方向接反時，放電電阻R2在制動器通電時一直會有電流通過，此時放電電阻R2與電磁線圈BZ組成并聯電路，會出現過度發熱溫升過高而損壞制動電路。

6）當放電電阻R2過大時，電磁線圈放電時間短，上閘快，但制動沖擊和噪聲大。反之，R2過小時，電磁線圈放電時間長，制動沖擊和噪聲小，但上閘延遲大，在檢修運行和故障停梯等沒有正常運行所具有的零速抱閘功能的情況下，會出現比較明顯的溜梯現象。

7）制動器的動作監測微動開關接線錯誤、損壞或者在控制主板上進行了功能屏蔽，導致當制動器開合動作異常時不能及時將此故障反饋，電梯不能及時停機而出現危險。

5 制動器的檢驗檢測

5.1 電梯制動器的相關標準技術要求

1）GB／T 24478—2009《電梯曳引機》中4.2.2.3條要求：制動器電磁鐵的最低吸合電壓和最高釋放電壓應分別低于額定電壓的80%和55%。制動器的動作響應時間應不大于0.5 s。[5]

2）GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》中12.4.2.1條要求：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2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。電磁線圈的鐵芯被視為機械部件，而線圈則不是。

3）GB 7588—2003中12.4.2.3.1條要求：切斷制動器電流，至少應用2個獨立的電氣裝置來實現，不論這些裝置與用來切斷電梯驅動主機電流的電氣裝置是否為一體。當電梯停止時，如果其中1個接觸器的主觸點未打開，最遲到下一次運行方向改變時，應防止電梯再運行。

5.2 檢驗檢測標準規范的修訂完善

1）GB 7588經歷了1987版、1995版、2003版（含1號修改單），直到2022年7月1日施行的GB／T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規范 第1部分：乘客電梯和載貨電梯》的1次修訂和3次改版。隨著科技的發展進步，安全標準要求也越發嚴謹完善。GB 7588也是電梯檢驗規則制定的主要標準依據，因此電梯檢驗規則的相關要求也進行了相關修訂。

2）關于施加制動力的機械部件分2組裝設的問題，1987版和1995版雖有要求但卻注明可暫緩執行，直到2004年1月1日施行的2003版才強制執行。因此，2004年之前出廠的電梯制動器基本上都只有單組機械部件，表現為1個制動彈簧或1個彈簧螺栓或1個電磁鐵芯等型式，不具備冗余安全制動功能，制動器失效風險較大，在維護保養和檢驗檢測時要格外重視。

3）2003版除增加了制動器2組機械部件的要求，同時增加了電梯上行超速保護功能，具有冗余制動功能的無齒輪曳引機的制動器又承擔了上行超速保護的制停裝置。2016年7月1日施行的2003版1號修改單增加了電梯轎廂意外移動保護功能，具有冗余制動功能的無齒輪曳引機的制動器又承擔了意外移動保護的制停裝置，制動器動作監測裝置也是此時要求設置的。

4）與GB 7588—2003相比，即將實施的最新版GB／T 7588.1—2020中5.9.2.2.2.1項新增加了“應監測制動器的正確提起（或釋放）或驗證其制動力。如果檢測到失效，應防止電梯的下一次正常啟動。”[6]即今后電梯制動器無論其是否承擔UCMP功能都要具有動作監測或制動力驗證功能。

5.3 制動器常規檢查和檢驗檢測的相關要求和關注重點

1）電梯制動器的日常維護保養首先要遵循TSG T5002—2017《電梯維護保養規則》的原則規定[7]，同時結合具體結構型號的使用說明書給出的方法和參數進行嚴謹細致地檢查、清潔、潤滑和調整。對于杠桿鼓式制動器要嚴格按照《市場監管總局辦公廳關于開展電梯鼓式制動器安全隱患專項排查治理的通知》（市監特設函〔2021〕564號）的要求完成電磁鐵芯解體檢查保養和更換非導磁松閘頂桿工作。對于按照新標準生產的電梯制動器，還需要根據其結構型式和工作原理檢查制動器動作監測功能或驗證其制動力效能。

2）電梯制動器的定期檢測和檢驗時要嚴格執行檢測規則和檢驗規則，針對早期各個時間節點出廠的單制動彈簧、單彈簧螺桿、單鐵芯等單組機械部件的制動器和未裝設制動器動作監測開關的制動器實施重點檢查測試。雖然該類設備符合當時標準規定，但因其安全裕度很低，結合工作年限和使用狀態可提出改造或更換建議。同時依據市場監管總局文件規定，做好使用滿5年乘客電梯的125%額定載荷的下行制動試驗和杠桿鼓式制動器排查整治確認工作。

3）日常檢查和檢驗檢測的主要項目分為機械和電氣2個方面。（1）機械方面重點觀察：制動輪表面的油污和磨損，鉸接銷軸和電磁鐵芯的銹蝕和潤滑，制動閘皮的磨損，制動閘皮和制動輪的開閘間隙和接合均勻程度，彈簧和螺桿的磨損和裂紋，彈簧螺桿和推桿螺栓的固定螺母緊固狀態，制動器開合動作順暢或阻滯等。（2）電氣方面重點觀察：制動器電氣回路中所有接觸器觸點的磨損和燒蝕、強激接觸器觸點的磨損和燒蝕，放電回路的功能狀態，動作監測開關的功能狀況，抱閘線圈的工作溫升，制動器上閘時間延遲等。

6 結束語

通過以上介紹分析和論述，對電梯制動器這一重要部件的功能作用有了一個較為全面和深刻的呈現，基本概略介紹了電梯制動器的機械結構和電氣原理，分析了其常見易發的機械和電氣失效的成因和后果，梳理了電梯制動器的相關標準規范修訂改版的時間節點和改進歷程，為行業內的電梯維護保養、檢驗檢測提供一些參考和提示，以期共同做好電梯運行的安全保障工作。