電梯制動器頂桿螺栓失效分析

何 健 郭在焱

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院 廣州 510180）

電梯是機(jī)電一體化的固定式升降設(shè)備，其機(jī)械部分的核心是曳引系統(tǒng)。曳引系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸出與傳遞動力，從而驅(qū)動電梯運(yùn)行，現(xiàn)在使用最廣泛的是曳引驅(qū)動。電梯必須有制動系統(tǒng)，而且應(yīng)具有機(jī)電式制動器。機(jī)—電式制動器在電梯正常工作時(shí)，主要保證在停站電機(jī)斷電后，保持轎廂的靜止?fàn)顟B(tài)。在非正常的情況下，則要吸收轎廂運(yùn)動的動能，使轎廂制停[1]。常見的制動器有臥式電磁制動器和立式電磁制動器（典型的立式電磁制動器示意圖如圖1所示）。制動器在不通電時(shí)，由于制動彈簧的壓力，將制動瓦和制動器緊緊地壓在制動輪上。轎廂要運(yùn)行時(shí)，電磁鐵通電，鐵芯吸攏，通過傳動機(jī)構(gòu)克服彈簧的力將制動臂張開，使制動器與制動輪脫開，制動器釋放[1]。一般來講，新安裝的電梯，其制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為定值，安裝的尺寸間隙符合規(guī)范，能滿足電梯制動的要求。但是，隨著電梯投入運(yùn)行，制動器作為基礎(chǔ)安全部件長期頻繁動作，則制動器可能會出現(xiàn)制動力不足或拖抱閘運(yùn)行等情況。

頂桿螺栓是調(diào)整制動器的重要部件，此部件的工作位置和狀態(tài)事關(guān)電梯的安全運(yùn)行。以圖1為例，制動器頂桿螺栓的動作過程為：當(dāng)電梯從靜止啟動時(shí)，電磁鐵通電吸合并通過轉(zhuǎn)臂11頂開制動臂9上的頂桿螺栓10，同時(shí)制動臂9壓縮制動彈簧1，在電梯下一次停站之前，轉(zhuǎn)臂11一直頂著頂桿螺栓10。當(dāng)電梯制停時(shí)，電磁鐵釋放，制動臂9因受到制動彈簧1的回復(fù)力彈回抱閘狀態(tài)，同時(shí)頂桿螺栓10緊跟著轉(zhuǎn)臂11回到初始位置，此后制動彈簧1對制動臂9以及頂桿螺栓10保持壓力。以上整個(gè)過程隨著電梯啟停而循環(huán)往復(fù)。一般認(rèn)為，類似螺栓這種緊固件，由于其重要性早已得到重視，極少會出現(xiàn)問題。然而，筆者在現(xiàn)場檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，制動器上頂桿螺栓失效的情況并不少見，這些情況給電梯安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

圖1 立式電磁制動

1 現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)隱患

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)動電梯》中附件A的2.7項(xiàng)規(guī)定：制動器動作靈活，制動時(shí)制動閘瓦（制動鉗）緊密、均勻地貼合在制動輪（制動盤）上，電梯運(yùn)行時(shí)制動閘瓦（制動鉗）與制動輪（制動盤）不發(fā)生摩擦，制動閘瓦（制動鉗）以及制動輪（制動盤）工作面上沒有油污。能夠通過操縱手動松閘裝置松開制動器，并且需要以一個(gè)持續(xù)力保持其松開狀態(tài)。

GB 7588—2003要求：當(dāng)轎廂載有125%額定載荷并以額定速度向下運(yùn)行時(shí)，操作制動器應(yīng)能使曳引機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在上述情況下，轎廂的減速度不應(yīng)超過安全鉗動作或轎廂撞擊緩沖器所產(chǎn)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(jī)械部件應(yīng)分兩組裝設(shè)。如果一組部件不起作用，應(yīng)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[2]。此外，兩組制動線圈和電氣裝置相互獨(dú)立，上行制動試驗(yàn)應(yīng)符合要求。

筆者在抽查某型號高層電梯的過程中，發(fā)現(xiàn)其制動器頂桿螺栓斷裂失效（見圖2）。該電梯已投入運(yùn)行多年，乘梯時(shí)轎廂運(yùn)行狀況良好。頂桿螺栓的斷裂，從外觀上看，很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。但在電梯運(yùn)行時(shí)，由于頂桿螺栓未能使制動臂張開，明顯可見制動閘瓦與制動輪一直在高速摩擦；實(shí)施手動緊急救援操作時(shí)，無法通過操縱手動松閘裝置松開制動器。類似頂桿螺栓斷裂這樣的安全隱患，若非仔細(xì)觀察、操作驗(yàn)證，不可能發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部連接情況，更無法及時(shí)對其進(jìn)行更換修理。

圖2 頂桿螺栓斷裂

頂桿螺栓的斷裂導(dǎo)致電磁鐵吸合時(shí)傳動機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)臂）無法準(zhǔn)確頂開制動臂，嚴(yán)重影響了制動器的功能完整性。若是制動器單邊頂桿螺栓失效，會造成電梯運(yùn)行時(shí)制動器一邊制動臂制動，另一邊制動臂打開，拖抱閘運(yùn)行，使閘瓦過熱嚴(yán)重?fù)p壞制動器，最終導(dǎo)致制動器整體失效，造成嚴(yán)重事故；在應(yīng)急救援中，若制動器頂桿螺栓失效，會導(dǎo)致手動松抱閘功能失效，進(jìn)而造成救援困難，甚至人員傷亡。

2 原因分析

2.1 斷口宏觀分析和材料成分

以某臺制動器頂桿螺栓斷裂的電梯為例進(jìn)行研究。經(jīng)過查閱資料及現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)：該電梯已投入使用7年以上，額定載重量825kg，額定速度1.75m/s，17層17站，主機(jī)為無齒輪永磁同步曳引主機(jī)，制動器為立式電磁制動器。該制動器出現(xiàn)單邊頂桿螺栓斷裂脫落。由斷裂螺栓的現(xiàn)場圖片（見圖3）可看出，頂桿螺栓沒有伸長或彎曲，斷面總體平整略有曲面，斷口邊緣幾乎沒有塑性變形特征，初步判定為脆性斷裂。

經(jīng)核查，該頂桿螺栓的材質(zhì)是40Cr，屬于中碳合金鋼，螺栓表面已做防銹處理。螺栓的熱處理一般采用調(diào)質(zhì)處理，即淬火加高溫回火。淬火的目的是在鋼中獲得高強(qiáng)度的馬氏體，以提高鋼的力學(xué)性能。回火的目的是：1）降低或消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開裂；2）減少或消除殘余奧氏體，穩(wěn)定工件尺寸；3）調(diào)整工件的組織和性能，使工件滿足使用要求。熱處理調(diào)質(zhì)是為了使螺栓達(dá)到規(guī)定的抗拉強(qiáng)度值和屈強(qiáng)比，保證螺栓的綜合力學(xué)性能。高強(qiáng)度螺栓熱處理后的質(zhì)量缺陷主要是脫碳、變形超差、硬度不足、開裂和裂紋。要保證質(zhì)量，必須對淬火和回火的溫度及時(shí)間進(jìn)行精確控制。當(dāng)出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度不足時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查溫度的控制和冷卻[3]。由于螺栓斷面呈現(xiàn)比較明顯的脆斷特征，反映出其脆性大，而螺栓的材質(zhì)有據(jù)可查，品質(zhì)比較有保證，則出現(xiàn)脆斷問題最有可能是因?yàn)椴磺‘?dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒９P者認(rèn)為，該螺栓在同一批次的生產(chǎn)制造過程中，可能是在批量熱處理階段，回火不及時(shí)或不到位，使螺栓的塑性和韌性得不到提升，與此同時(shí)，螺栓的硬度和脆性還是很大，將其直接應(yīng)用就有了開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 頂桿螺栓斷口情況

2.2 力學(xué)性能分析

該頂桿螺栓（M16）屬于緊固件，因其受力有預(yù)拉力和連接載荷，為高強(qiáng)度螺栓。按性能等級應(yīng)達(dá)到8.8級。8.8級的螺栓，即公稱抗拉強(qiáng)度達(dá)800MPa級，屈服強(qiáng)度達(dá)640MPa級。

所謂強(qiáng)度，是金屬在靜載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。根據(jù)材料力學(xué)，材料的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度的計(jì)算通式為：

式中：

f——材料強(qiáng)度，MPa；

F——材料破壞時(shí)的最大載荷，N；

A——試件的受力面積，mm2。

在制動臂上裝配頂桿螺栓時(shí)，螺栓螺紋端部位置由緊固螺母固定，且設(shè)定了一個(gè)預(yù)緊力。預(yù)緊力可以提高聯(lián)接剛度、緊密性和防松能力。假定頂桿螺栓為拉伸斷裂，螺栓斷裂部位（危險(xiǎn)斷面直徑為小徑，取d1=14.5mm）的橫截面積A為165.0mm2，f取800MPa，則拉斷載荷力F=f A=132kN?？梢姡苯永瓟囗敆U螺栓需要100kN級別的力。

2.3 受力情況分析

因制動器電磁鐵吸合時(shí)間很短（小于0.05s），吸合行程小，故可將轉(zhuǎn)臂對螺栓及制動臂的短暫作用力視為定值FN，同時(shí)也將彈簧對制動臂的作用力視為定值Ft，此二者均簡化為水平方向的力。

在抱閘松開的短暫過程中，制動臂迅速壓縮彈簧，彈簧長度從x2變?yōu)閤1，即外力對彈簧做功，根據(jù)力學(xué)原理[4]，彈簧的彈性勢能發(fā)生變化：

計(jì)算出k=50.8（N/mm）。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，制動器釋放時(shí)，壓縮彈簧長度x2=140m m，制動器吸合時(shí)，壓縮彈簧長度x1=137m m，計(jì)算出彈性勢能變化U=211047.4N·mm。彈簧壓縮行程s=x2? x1=3mm，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化，制動臂作用于壓縮彈簧的平均作用力

本文中提到的電梯制動器，其頂桿螺栓位于制動彈簧正上方，頂桿螺栓與制動彈簧之間的垂直距離h=50mm。制動臂打開瞬間簡化受力分析如圖4所示。Ft為制動彈簧作用于制動臂的力，根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系，F(xiàn)t=F1=7kN；FN為轉(zhuǎn)臂對頂桿螺栓的作用力；i為彈簧至螺栓部分的杠桿比，即

圖4 制動臂打開瞬間簡化受力分析

式中0.95是考慮杠桿連接處的摩擦損耗而采取的系數(shù)?，F(xiàn)場測量制動輪參數(shù)得H=500mm，由上式計(jì)算，F(xiàn)N=6kN，即FN＜＜F=132kN，這表明在電磁鐵吸合、抱閘打開的過程中，頂桿螺栓受到的作用力遠(yuǎn)小于螺栓破斷載荷力。

頂桿螺栓工作時(shí)受到沿軸線方向的外載荷的作用。緊固螺母和制動臂在預(yù)緊力的作用下相互壓緊，依靠結(jié)合面產(chǎn)生的摩擦力來抗衡外載荷，從而避免產(chǎn)生相對移動。預(yù)緊力由扭矩扳手調(diào)定，經(jīng)驗(yàn)證明：適當(dāng)選用較大的預(yù)緊力對螺紋聯(lián)接的可靠性以及聯(lián)接件的疲勞強(qiáng)度都是有利的。但預(yù)緊過度會導(dǎo)致螺栓承受較大的拉應(yīng)力，預(yù)緊不足則起不到防松作用。對于一般的螺栓聯(lián)接，計(jì)算預(yù)緊力可用公式：QP≤0.6δS·A。δS為螺栓材料的屈服極限，取640 MPa；A為螺栓危險(xiǎn)剖面的面積，A=165mm2，經(jīng)計(jì)算得預(yù)緊力QP≤63360N。由于頂桿螺栓承受的是動載荷，預(yù)緊力應(yīng)更大些[5]。

本文中所提到的永磁同步電梯，其制動器的基本工作過程是：當(dāng)電梯從靜止啟動時(shí)，制動器由失電轉(zhuǎn)為通電，電磁鐵吸合并通過轉(zhuǎn)臂頂開制動臂上的頂桿螺栓，同時(shí)制動臂壓縮制動彈簧，在電梯下一次停站之前，轉(zhuǎn)臂對頂桿螺栓有一個(gè)持續(xù)壓力，而制動彈簧一直保持較強(qiáng)壓縮狀態(tài)。

可將抱閘打開頂桿螺栓受力過程分為兩個(gè)階段，即受到轉(zhuǎn)臂的一次軸向沖擊力F沖和恒定軸向力F恒?？紤]到轉(zhuǎn)臂從靜止到啟動是在極短時(shí)間內(nèi)完成的，為了簡化分析，認(rèn)為F沖在數(shù)值上等于FN?，F(xiàn)分為以下兩種情況進(jìn)行分析：

1）若頂桿螺栓在制動臂上安裝緊密，則在制動臂打開瞬間，螺栓僅受到水平作用力F沖，F(xiàn)沖對螺栓的壽命影響最大，因?yàn)榇嘈詳嗔咽且驗(yàn)闆_擊。在不定期的頻率較高的F沖下，螺栓桿長期受到軸向的循環(huán)拉應(yīng)力，即使這一拉應(yīng)力并不大（即使加上預(yù)緊力也遠(yuǎn)小于螺栓拉伸強(qiáng)度），卻可能最終使螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

2）頂桿螺栓和制動臂之間是螺紋連接。螺紋連接具有自鎖性，此外螺母及螺栓頭部的支撐面上的摩擦力也有防松作用，故螺栓擰緊后一般不會松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下，以及在高溫或溫度變化較大時(shí)，螺紋鋼之間的摩擦力會瞬時(shí)減小或消失，在此情況下螺紋聯(lián)接就可能產(chǎn)生松動。正是由于受到循環(huán)作用的瞬時(shí)力，頂桿螺栓在長期使用過程中難免有所松動或出現(xiàn)預(yù)緊力損失，這導(dǎo)致在螺母緊固處，極易產(chǎn)生附加應(yīng)力。附加應(yīng)力的方向、大小都不定，但附加應(yīng)力與軸向的循環(huán)拉應(yīng)力共同作用于螺栓桿和螺母的聯(lián)接段。長此以往，螺母和螺栓桿聯(lián)接處就很容易產(chǎn)生微裂紋，反復(fù)作用下微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

觀察現(xiàn)場拆卸下的斷裂螺栓，以及緊固螺母在螺栓桿上的相對位置（見圖5）。經(jīng)測量，緊固螺母與斷裂面的軸向距離約為3～4mm（斷裂面并非一個(gè)平面)。因此，筆者認(rèn)為以上1）和2）的情況可能同時(shí)存在，頂桿螺栓的最終斷裂是各個(gè)方向的力長期共同作用的結(jié)果。

圖5 緊固螺母在螺栓桿上的相對位置

2.4 使用環(huán)境分析

脆性斷裂又分疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等。該電梯日常運(yùn)行啟停頻繁，驅(qū)動主機(jī)的制動器每天都要經(jīng)歷上千次的松閘和抱閘，頂桿螺栓長時(shí)間反復(fù)受到同一作用力，顯然，這是容易發(fā)生疲勞斷裂的使用環(huán)境。

制動彈簧是提供制動力的主要部件，失電時(shí)，制動彈簧提供制動臂壓緊制動閘瓦的力；通電時(shí)，制動彈簧被進(jìn)一步壓縮而產(chǎn)生更大的彈力。而在每次從失電轉(zhuǎn)換到通電的短暫過程中，頂桿螺栓都要受到來自轉(zhuǎn)臂的一次軸向沖擊。但這一軸向沖力遠(yuǎn)小于螺栓破斷所需的載荷力F，不至于使螺栓桿斷裂。因此可以肯定，螺栓還受到了附加應(yīng)力。

在頂桿螺栓的使用過程中，如果裝配不當(dāng)、對中不好、過緊或過松都會產(chǎn)生附加應(yīng)力或振動。在電梯運(yùn)行周期內(nèi)，若頂桿螺栓有松動或軸線未對中，螺栓就會承受一定的徑向力并產(chǎn)生應(yīng)力集中。而應(yīng)力集中部位往往是疲勞斷裂的裂紋來源，因此螺栓在交變應(yīng)力的作用下，即使在較低應(yīng)力下也很可能發(fā)生疲勞斷裂。

3 應(yīng)對的措施

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善頂桿螺栓的受力情況

除了選用效果優(yōu)異的螺紋防松方式之外，筆者提出一種動態(tài)固定螺栓頭的設(shè)計(jì)（如圖6所示）。在螺栓正確裝配的前提下，在轉(zhuǎn)臂上正對螺栓頭的位置，設(shè)計(jì)一個(gè)深度為dc的結(jié)構(gòu)圓槽，其直徑剛夠容下螺栓頭，如此可使頂桿螺栓在往復(fù)運(yùn)動時(shí)軸線動態(tài)對中，從而減少螺栓聯(lián)接部位的應(yīng)力集中。

圖6 螺栓頭動態(tài)固定示意圖

3.2 加強(qiáng)制造質(zhì)量管控

對于頂桿螺栓這類結(jié)構(gòu)緊固件應(yīng)根據(jù)其強(qiáng)度和韌度要求，制訂合理的熱處理工藝，加強(qiáng)各工序間的檢驗(yàn)，規(guī)范生產(chǎn)操作過程[3]。部件為外購時(shí)，應(yīng)在應(yīng)用裝配前對其綜合性能進(jìn)行抽樣檢測，比如物理、化學(xué)性能檢測和無損探傷檢測。

3.3 加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)排查

電磁制動器的工作環(huán)境比較復(fù)雜，需要人工定期進(jìn)行維修調(diào)整，特別是對制動器在使用過程中閘瓦的磨損、制動彈簧的疲勞、電壓的大幅波動等偶發(fā)故障需及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防。使用過程中維護(hù)不當(dāng)也是部件失效的原因。零部件的裝配和調(diào)整，應(yīng)按照規(guī)范的程序和標(biāo)準(zhǔn)。比如，調(diào)定合適的預(yù)緊力，電磁力和制動力矩應(yīng)及時(shí)調(diào)整，壓縮彈簧的調(diào)整螺母與鎖緊螺母應(yīng)定期緊固，平時(shí)要確保松閘裝置的可靠性。

4 結(jié)束語

電梯制動器上的頂桿螺栓普遍采用高強(qiáng)度螺栓，其強(qiáng)度是足夠的，之所以出現(xiàn)脆斷的情況，主要是因?yàn)槭艿浇蛔冚d荷應(yīng)力和偶發(fā)性的應(yīng)力集中，而這兩者都與預(yù)緊力有關(guān)。關(guān)于制動器連接螺栓的選型和預(yù)緊，GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》未有明確要求，而GB/T 24478—2009《電梯曳引機(jī)》[6]僅要求曳引機(jī)上所有緊固件應(yīng)有足夠的鎖緊力，不得松動。故建議GB 7588—2003增加相關(guān)條款，針對制動器上的緊固件或緊固力提出要求。TSG T5002—2017《電梯維護(hù)保養(yǎng)規(guī)則》[7]表A-1中提出，半月保養(yǎng)需要確認(rèn)制動器各銷軸部位動作靈活，其他附件也未明確提到檢查螺栓預(yù)緊力，維保人員還需進(jìn)一步檢查螺栓連接的情況。

制動系統(tǒng)是電梯的基礎(chǔ)安全保護(hù)系統(tǒng)，制動力是電梯安全運(yùn)行的基本保障。某些電梯出現(xiàn)了頂桿螺栓斷裂的安全隱患，如不及時(shí)整改，可能導(dǎo)致制動力不足或失效，乃至電梯下墜的安全事故。本文對頂桿螺栓斷裂的原因進(jìn)行了理論分析，指出主要是由于螺栓聯(lián)接處應(yīng)力集中引起的疲勞脆斷，同時(shí)，不恰當(dāng)?shù)闹圃旃に囈彩且徊糠衷?。提出了針對頂桿螺栓斷裂失效的應(yīng)對措施。建議通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高制造和裝配質(zhì)量來解決上述問題。