一起電梯制動(dòng)器螺桿斷裂的案例分析

黃 勇 程民豪

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院中山檢測(cè)院 中山 528403）

制動(dòng)器作為電梯安全保障的重要組成部分之一，它是保證正常運(yùn)行時(shí)電梯可靠平層和緊急情況下轎廂可靠制停的關(guān)鍵部分，其性能關(guān)乎電梯的安全運(yùn)行。對(duì)近幾年電梯安全事故的分析可表明：電梯沖頂、蹲底及人員剪切傷害等嚴(yán)重電梯運(yùn)行安全事故一般均與電梯制動(dòng)器故障有關(guān)[1]。制動(dòng)器傳動(dòng)螺桿斷裂關(guān)乎電梯制動(dòng)器的性能，其產(chǎn)生的安全隱患不容忽視。因此，必須分析電梯制動(dòng)器螺桿斷裂可能引發(fā)制動(dòng)器帶閘運(yùn)行的潛在危害并采取預(yù)防措施?；诖?，本文針對(duì)一起電梯制動(dòng)器傳動(dòng)螺桿斷裂導(dǎo)致制動(dòng)器帶閘運(yùn)行的案例進(jìn)行深入系統(tǒng)分析，并提出制動(dòng)器螺桿的改良設(shè)計(jì)方案及建議。

1 檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)概述

筆者在電梯定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)某大品牌多臺(tái)在用電梯（采用永磁同步主機(jī)的HGP型號(hào)電梯，制造日期為2010年或2011年）配套的電磁制動(dòng)器(型號(hào)為GHB-500)傳動(dòng)螺桿出現(xiàn)疲勞裂紋，甚至有斷裂失效的情況，存在嚴(yán)重安全隱患，如圖1、圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)電梯的制動(dòng)器傳動(dòng)螺桿完全斷裂，導(dǎo)致該電梯單側(cè)帶閘運(yùn)行。該側(cè)制動(dòng)閘瓦因頻繁與制動(dòng)輪摩擦產(chǎn)生嚴(yán)重升溫，相對(duì)另一側(cè)閘瓦有較大的磨損量，制動(dòng)輪表面也磨損出了凹槽。通過(guò)查閱物業(yè)公司電梯日常巡查記錄和詢(xún)問(wèn)該電梯維保人員，得知該電梯近幾天均在正常運(yùn)行，再根據(jù)制動(dòng)器磨損痕跡可判斷制動(dòng)器螺桿產(chǎn)生斷裂不久，所幸發(fā)現(xiàn)及時(shí)，未造成安全事故。

其后針對(duì)該型號(hào)多臺(tái)電梯的制動(dòng)器傳動(dòng)螺桿進(jìn)行檢查，亦發(fā)現(xiàn)有部分（占比大約3%～4%之間）傳動(dòng)螺桿在其應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂紋，也有個(gè)別螺桿斷裂失效（占比約為1%）。

2 事故原因分析

圖1 螺桿開(kāi)裂部位

圖2 螺桿完全斷裂失效

眾所周知，電梯制動(dòng)器控制一般采用“零速”剎車(chē)的方式。因此，制動(dòng)器在電梯正常運(yùn)行情況下通常不會(huì)產(chǎn)生較大的磨損。被檢測(cè)制動(dòng)器符合所有參與向制動(dòng)輪或盤(pán)施加制動(dòng)力的制動(dòng)器機(jī)械部件應(yīng)當(dāng)分兩組裝設(shè)[2]的要求。分析檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備狀況，可知造成閘瓦和制動(dòng)器嚴(yán)重磨損的直接原因是電梯制動(dòng)器傳動(dòng)螺桿斷裂導(dǎo)致電梯單側(cè)制動(dòng)器帶閘運(yùn)行。電梯制動(dòng)器螺桿作為臂鼓式制動(dòng)器的必要部件，直接影響制動(dòng)器的制動(dòng)性能乃至整臺(tái)電梯的安全運(yùn)行。故此，確保其有效性是毋庸置疑的，下面分別從機(jī)械和電氣兩部分分析電梯制動(dòng)器螺桿斷裂失效的原因。

2.1 機(jī)械部分

該螺桿作為制動(dòng)器的一個(gè)零部件，由緊固螺母固定在制動(dòng)臂頂端，由于制動(dòng)彈簧對(duì)制動(dòng)臂的壓力，螺桿尾部壓在電磁鐵的頂塊上。制動(dòng)器通電時(shí)，電磁鐵頂塊推動(dòng)螺桿，從而推開(kāi)制動(dòng)臂，達(dá)到打開(kāi)制動(dòng)閘瓦的功能，故該螺桿在制動(dòng)器工作中起傳動(dòng)的作用。如圖3所示。

圖3 螺桿外觀及其在制動(dòng)器所處位置

該螺桿所處位置的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，螺桿傳動(dòng)的部分為尾段，以下把螺桿尾段由制動(dòng)臂露出位置直至螺桿尾部稱(chēng)為“螺桿尾部工作段”。

圖4 螺桿位置的基本結(jié)構(gòu)

螺桿工作時(shí)理論上只受到軸線方向的作用力，即只受正面壓力作用，應(yīng)該不會(huì)斷裂。而從螺桿開(kāi)裂以及斷裂的情況看，開(kāi)裂的位置全是發(fā)生在螺桿尾部工作段的根部，并且開(kāi)裂均由此處（最靠近制動(dòng)臂的一圈螺紋）的螺紋牙底開(kāi)始。這里開(kāi)裂的位置是螺桿受到沿軸線側(cè)向外力時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力的集中位置（見(jiàn)圖5），這個(gè)側(cè)向外力作用于螺桿尾部，成為螺桿開(kāi)裂的直接原因。螺桿尾部工作段越長(zhǎng)，其根部受到應(yīng)力力矩越大，內(nèi)應(yīng)力幅值越大，這種應(yīng)力集中在螺紋牙底部。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力幅值超出螺桿強(qiáng)度所能承受的范圍時(shí)，螺桿開(kāi)裂。

由此，可以推斷出導(dǎo)致螺桿斷裂的原因有以下幾種：

1）電磁鐵頂塊的施力方向與螺桿軸線的夾角α，超過(guò)了生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)限值，見(jiàn)圖6，因而頂塊對(duì)螺桿尾部產(chǎn)生側(cè)向力。

2）制動(dòng)臂安裝不規(guī)范，制動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)平面偏側(cè)，螺桿軸線跟隨偏側(cè)，螺桿偏側(cè)時(shí)尾部受側(cè)向力。

3）由于電梯使用場(chǎng)所是住宅小區(qū)高層建筑，使用率高，在制動(dòng)器打開(kāi)與閉合的兩種工況的頻繁切換情況下，對(duì)螺桿產(chǎn)生的交變應(yīng)力使其疲勞斷裂，并且在這兩種工況下，螺桿會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏角，螺桿傾斜時(shí)尾部受到側(cè)向力增大。

圖5 應(yīng)力分析

圖6 頂塊對(duì)螺桿尾部產(chǎn)生側(cè)向力示意圖

4）制動(dòng)彈簧調(diào)整壓力過(guò)大，增大了螺桿受到的反作用力，如圖7所示，該制動(dòng)臂彈簧壓力已經(jīng)調(diào)整到了190%，已經(jīng)達(dá)到了正常范圍的上限。

圖7 制動(dòng)彈簧調(diào)整壓力過(guò)大

5）螺桿尾部工作段過(guò)長(zhǎng)，螺桿長(zhǎng)徑比過(guò)大，即幅度越大，螺桿應(yīng)力集中處受到的應(yīng)力幅值越大。

6）螺桿制造工藝有問(wèn)題，螺桿可能在退火、輾牙、熱處理等加工過(guò)程中，殘留了內(nèi)部應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力的釋放與外力的疊加使得螺桿開(kāi)裂?；蚴锹輻U選用的材質(zhì)不良，使得螺桿的強(qiáng)度未能承受正常工況下產(chǎn)生的載荷。

2.2 電氣部分

GB/T 24478—2009《電梯曳引機(jī)》提出了電梯制動(dòng)器動(dòng)作的監(jiān)測(cè)的具體要求，其4.2.2.2條款規(guī)定：

“所有參與向制動(dòng)輪（盤(pán)）施加制動(dòng)力的制動(dòng)器機(jī)械部件應(yīng)至少分兩組設(shè)置，應(yīng)監(jiān)測(cè)每組機(jī)械部件，如果其中一組部件不起作用，則曳引機(jī)應(yīng)停止運(yùn)行或不能啟動(dòng)，并應(yīng)仍有足夠的制動(dòng)力使載有額定載重量以額定速度下行的轎廂減速下行?！盵3]該型號(hào)制動(dòng)器的抱閘動(dòng)作驗(yàn)證電氣裝置設(shè)置在電磁鐵頂塊兩側(cè)（如圖8所示）。當(dāng)制動(dòng)器傳動(dòng)螺桿發(fā)生斷裂失效，制動(dòng)器閘瓦無(wú)法打開(kāi)時(shí)，制動(dòng)器監(jiān)測(cè)裝置無(wú)法有效檢測(cè)到這種情況發(fā)生，未能及時(shí)停止曳引機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。電梯仍會(huì)帶閘運(yùn)行而出現(xiàn)制動(dòng)性能明顯下降甚至完全喪失的現(xiàn)象。在這整個(gè)過(guò)程中，若使用單位和維保人員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺桿斷裂，進(jìn)行有效的調(diào)整和更換，電梯會(huì)運(yùn)行在失控的狀態(tài)，容易釀成溜車(chē)事故。

圖8 抱閘動(dòng)作驗(yàn)證電氣裝置

3 改良設(shè)計(jì)及建議

1）使用有效措施，降低螺桿承受的應(yīng)力，并符合GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》要求。例如電梯制造廠家后期生產(chǎn)的相同型號(hào)主機(jī)，適當(dāng)降低長(zhǎng)徑比，以縮短螺桿露出部分為目的增加緊固螺母，如圖9所示。

2）使用較高強(qiáng)度的螺桿，并從設(shè)計(jì)上進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，是否能承受頻繁應(yīng)力而不損壞。

3）根據(jù)2016年7月1日開(kāi)始實(shí)施的GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》第一號(hào)修改單，在使用驅(qū)動(dòng)主機(jī)制動(dòng)器的情況下，自監(jiān)測(cè)包括對(duì)機(jī)械裝置正確提起（或釋放）的驗(yàn)證和（或）對(duì)制動(dòng)力的驗(yàn)證[4]?？赏ㄟ^(guò)將制動(dòng)器動(dòng)作驗(yàn)證電氣裝置直接設(shè)置在制動(dòng)臂（閘瓦）上，便于電氣回路直接檢測(cè)制動(dòng)器的動(dòng)作情況，避免出現(xiàn)上述制動(dòng)器螺桿斷裂，曳引機(jī)仍帶閘運(yùn)行的現(xiàn)象。

4）改良設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用更直接的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，譬如直接作用式的塊式制動(dòng)器或作用在圓盤(pán)端面的盤(pán)式制動(dòng)器，避免出現(xiàn)制動(dòng)器機(jī)械卡阻事故。

圖9 增加緊固螺母

4 結(jié)束語(yǔ)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，上述電梯廠家生產(chǎn)的該型號(hào)制動(dòng)器不在少數(shù)，其中大部分仍在使用。電梯制動(dòng)器螺桿斷裂將造成制動(dòng)閘瓦和制動(dòng)輪的嚴(yán)重?fù)p壞，嚴(yán)重降低甚至喪失電梯的制動(dòng)性能，而因制動(dòng)性能下降而引起的電梯事故時(shí)有發(fā)生，因此，對(duì)此類(lèi)安全隱患應(yīng)引起高度重視。檢驗(yàn)人員在日常定期檢驗(yàn)中，對(duì)受力復(fù)雜的電梯制動(dòng)部件，應(yīng)重點(diǎn)檢查其是否存在表面裂紋等安全隱患。維保單位應(yīng)加強(qiáng)日常保養(yǎng)質(zhì)量，切實(shí)加強(qiáng)對(duì)安全部件的維護(hù)保養(yǎng)，提高維保人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平，增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)安全隱患的能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，確保電梯的安全運(yùn)行。

［1］黃忠林. 一起電梯制動(dòng)器帶閘運(yùn)行事故原因分析及預(yù)防措施[J].中國(guó)科技信息，2013（23）：172-174.

［2］TSG T7001—2009 電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯[S].

［3］GB/T 24478—2009 電梯曳引機(jī)［S].

［4］張懷繼. 電梯制動(dòng)器自監(jiān)測(cè)要求淺析［J]. 科技視界，2017（13）：92.