老舊電梯評估中有關(guān)層門問題的探究

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192)

在電梯安防體系中，電梯層門是乘梯人乘坐電梯接觸的第一道屏障，也是電梯安全的第一道防線，能夠有效地將乘梯人與電梯運(yùn)行井道空間隔開。近年來，接連在電梯層門區(qū)域發(fā)生的多起人員傷亡事故，已引起監(jiān)管部門、社會和公眾的普遍關(guān)注。通過對典型事故案例的分析發(fā)現(xiàn)，電梯事故中很大一部分原因是乘客沒有遵守正確乘梯安全須知，在電梯運(yùn)行中撞擊、踢踹電梯層門，這些魯莽的行為導(dǎo)致了層門門扇產(chǎn)生變形，進(jìn)而引起上、下導(dǎo)向或限位裝置脫軌或脫槽，最終釀成墜入井道、跌入底坑等安全事故。而隨著電梯使用年限的增加，一些使用數(shù)年以上的老舊電梯層門系統(tǒng)部分零部件存在不同程度的老化、磨損、脫落、變形等失效，導(dǎo)致層門系統(tǒng)安全狀況參差不齊，尤其是使用年限達(dá)到15年及以上的老舊住宅電梯，層門系統(tǒng)零件老化變形現(xiàn)象更為嚴(yán)重，給使用環(huán)節(jié)埋下了更多潛在的安全隱患。更為嚴(yán)重的是，目前全國將近400多萬臺在用電梯是按照GB 7588—2003及更早以前標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，受當(dāng)時(shí)材料、技術(shù)等諸多限制，加之年久失修帶來的累積損傷，這個階段生產(chǎn)制造并投入使用的電梯層門系統(tǒng)安全狀況是亟需迫切了解和掌握的情況。問題的解決將提高年度安全隱患專項(xiàng)整治的針對性、有效性。

1 老舊電梯層門問題匯總分析

本文基于天津市2016年和2017年老舊電梯評估的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行調(diào)研、抽查和分析等，弄清在用電梯層門與GB 7588一號修改單標(biāo)準(zhǔn)的符合情況，提出在用電梯層門系統(tǒng)存在的問題、風(fēng)險(xiǎn)和針對性解決措施。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，使用年限為15年及以上的在用電梯層門系統(tǒng)存在問題占比見表1所示。

表1 使用年限為15年以上的在用電梯被抽樣本存在問題統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1，門繩吊輪老化或損壞、層門導(dǎo)靴磨損嚴(yán)重或缺失及門鎖滾輪老化或損壞是層門系統(tǒng)存在最突出的問題，占比分別為22.6%、18.95%、19.07%?？梢娖茡p嚴(yán)重有關(guān)部件都是層門頻繁相對運(yùn)動的部件，主要以懸掛裝置部件和門鎖部件為主，其原因?yàn)椋?/p>

1）在調(diào)研檢查過程發(fā)現(xiàn)，大部分15年以上的在用電梯門繩輪或者輪緣為尼龍材質(zhì)，由于百十萬次頻繁開關(guān)門，使得運(yùn)行鋼絲繩與輪緣摩擦磨損，加之溫度濕度運(yùn)行環(huán)境變化，導(dǎo)致尼龍輪緣出現(xiàn)老化和損壞；

2）正常開關(guān)門過程，導(dǎo)靴起到導(dǎo)向和約束層門開關(guān)垂直方向自由度的作用，能夠防止由于失誤情況下的層門脫槽內(nèi)陷井道。其結(jié)構(gòu)主要是金屬材質(zhì)滑塊（可當(dāng)應(yīng)急導(dǎo)向裝置）或外包尼龍材質(zhì)。在使用過程中可能會由于頻繁開關(guān)門及維修保養(yǎng)不到位，出現(xiàn)導(dǎo)靴定位螺栓螺母松脫掉落，導(dǎo)靴與地坎槽摩擦磨損或外包尼龍材質(zhì)日久老化磨損甚至生活垃圾落入地坎槽導(dǎo)致維保人員為減少門鎖故障而任意調(diào)高導(dǎo)靴等情況，如果此時(shí)乘客人為踢踹層門將極易發(fā)生跌入井道地坑的危險(xiǎn)；

3）門鎖滾輪的作用是當(dāng)電梯到平層范圍內(nèi)，門刀插入門鎖滾輪，在門機(jī)帶動下打開層門。一般而言，門刀是金屬材質(zhì)，門鎖滾輪輪緣是橡膠材質(zhì)，在每一次停梯平層開門的過程中門刀與門鎖滾輪都會發(fā)生相對運(yùn)動，容易導(dǎo)致門鎖滾輪老化和磨損[1]。

2 在用電梯層門系統(tǒng)性能試驗(yàn)

由于層門強(qiáng)度檢查無法在現(xiàn)場進(jìn)行檢驗(yàn)，本文選取三種有代表性的在用層門，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室擺錘試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)平臺的搭建

按照GB 7588—2003及其第1號修改單附錄J要求，試驗(yàn)擺錘為一個皮革制成的沖擊小袋，內(nèi)部裝填直徑（3.5±1）mm的鉛球，其總質(zhì)量為（45±0.5）kg。[2]圖1（a）為軟擺錘試驗(yàn)裝置示意圖，試驗(yàn)裝置在一定的高度釋放軟擺錘，進(jìn)行試驗(yàn)。H為跌落高度，H=800mm；H1（圖1中⑤）為撞擊點(diǎn)高度，H1=1m。

試驗(yàn)過程要求及注意事項(xiàng)：

1）在觸發(fā)之前，應(yīng)設(shè)置一個三角形勾掛裝置，在觸發(fā)裝置上使擺錘沖擊裝置的重心與提拉鋼絲繩在一條直線上；懸掛的擺錘沖擊試驗(yàn)裝置通過提拉和觸發(fā)裝置的牽引由被測層門正面向上提起，提升高度H=800mm。在釋放的瞬間觸發(fā)裝置不應(yīng)對擺錘沖擊試驗(yàn)裝置產(chǎn)生附件沖擊；懸掛鋼絲繩應(yīng)勾掛住擺錘試驗(yàn)裝置而沒任何扭轉(zhuǎn)，以防止在觸發(fā)后擺錘沖擊試驗(yàn)裝置產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。

2）擺錘沖擊試驗(yàn)裝置應(yīng)所需的高度下釋放，擺錘沖擊點(diǎn)在寬度方向上為面板中心點(diǎn)，高度方向上為面板設(shè)計(jì)地平面上方1.0m。

3）試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)判定：1）可能有永久變形；2）門裝置的完整性應(yīng)沒有損壞，門裝置應(yīng)保留在原位置，且凸進(jìn)井道的間隙不應(yīng)大于0.12m；3）在擺錘試驗(yàn)后，不要求門能夠運(yùn)行；4）對于玻璃部門，應(yīng)無裂紋。

圖1 軟擺錘沖擊裝置

2.2 試驗(yàn)層門的選取

根據(jù)調(diào)研情況，在用電梯層門存在三種典型結(jié)構(gòu)：1）內(nèi)側(cè)無加強(qiáng)筋；2）內(nèi)側(cè)有縱向加強(qiáng)筋；3）內(nèi)側(cè)有橫向加強(qiáng)筋。選取了單根縱向加強(qiáng)筋型、無加強(qiáng)筋型和雙根橫向加強(qiáng)筋型的在用電梯層門各一扇（相同材質(zhì)，均為Q235鋼板），對其進(jìn)行軟擺錘試驗(yàn)，見圖2。

圖2 三類不同結(jié)構(gòu)層門實(shí)物圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

●2.3.1 單根縱向加強(qiáng)筋型

單根縱向加強(qiáng)筋型層門其高度為2115mm，寬度為475mm，厚度為1.2mm，經(jīng)過試驗(yàn)后該層門門扇產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，形變量約為38mm，門扇、導(dǎo)靴及門扇懸掛板完全脫離地坎槽，導(dǎo)靴產(chǎn)生了變形和脫落，見圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）。

圖3 單根縱向加強(qiáng)筋型層門試驗(yàn)后狀態(tài)

●2.3.2 雙根橫向加強(qiáng)筋型

雙根橫向加強(qiáng)筋型層門其高2140mm，寬475mm，厚度1.8mm。經(jīng)過試驗(yàn)后該層門門扇產(chǎn)生塑性變形，形變量為25mm，門扇懸掛板脫落導(dǎo)致門扇脫離滑到，而導(dǎo)靴未脫離地坎槽，因?yàn)樵撻T扇除導(dǎo)靴外下端部有一部分深入到地坎槽內(nèi)，有效地使層門下端保持到原位，見圖4（a）、圖4（b）。

圖4 雙根橫向加強(qiáng)筋型層門試驗(yàn)后狀態(tài)

●2.3.3 無加強(qiáng)筋型

無加強(qiáng)筋型層門其高2100mm，寬410mm，厚度1.2mm，經(jīng)過試驗(yàn)后該層門門扇產(chǎn)生塑性變形和彈性變形，彈性變形恢復(fù)后，塑性形變量為45mm，門扇及導(dǎo)靴完全脫離地坎槽，見圖5。

圖5 無加強(qiáng)筋型層門試驗(yàn)后狀態(tài)

通過對在用電梯典型結(jié)構(gòu)型式層門進(jìn)行軟擺錘試驗(yàn)，觀察到上述三種結(jié)構(gòu)型式層門均存在不同程度的塑性變形，脫離原保持位置，門扇、下導(dǎo)靴和門扇懸掛板不同程度地脫離地坎槽或門頭滑道，導(dǎo)靴也受到了不同程度的沖擊變形和脫落。即層門系統(tǒng)完整性被破壞。

軟擺錘撞擊瞬間引起較大彈性變形，導(dǎo)致門吊板滑輪與門頭導(dǎo)軌因瞬時(shí)變形而產(chǎn)生上提的位移，門導(dǎo)靴與地坎槽因瞬時(shí)變形而產(chǎn)生上提位移，進(jìn)一步導(dǎo)致兩者滑脫門頭導(dǎo)軌和地坎滑槽。受擺錘沖擊產(chǎn)生的位移量是門扇本身強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的綜合直觀反映，要弄清受擺錘沖擊產(chǎn)生的位移量是由于層門本身強(qiáng)度不足引起的還是層門懸掛機(jī)構(gòu)薄弱引起的應(yīng)單獨(dú)分析門扇本身的強(qiáng)度。

3 層門系統(tǒng)有限元數(shù)值分析

層門系統(tǒng)整體抗沖擊性、剛度、強(qiáng)度等性能與門扇和層門懸掛裝置有密切相關(guān)。根據(jù)軟擺錘試驗(yàn)結(jié)果，門扇、導(dǎo)靴或門扇懸掛板不同程度脫離地坎槽或門滑道，導(dǎo)靴和懸掛門板吸收了部分?jǐn)[錘沖擊能量。為進(jìn)一步分析在用電梯層門門扇本身強(qiáng)度，確定門扇本體的真實(shí)最大形變量是否為導(dǎo)致導(dǎo)靴脫離地坎槽的原因，本節(jié)將上述三種結(jié)構(gòu)型式的在用電梯層門在ANSYS有限元分析軟件中建立簡化模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，基于現(xiàn)場試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)和方法，設(shè)置了沖擊載荷與邊界條件，對電梯層門受力及變形等特征量予以量化，模擬電梯層門受到與擺錘試驗(yàn)相同大小位置沖擊的物理過程[3]。具體步驟如下：

3.1 層門模型尺寸。

在ANSYS預(yù)處理模塊中，采用ANSYS命令流輸入程序，分別建立三種層門的模型，定義門扇高度、門扇寬度、門扇厚度、門框?qū)挾?、門框高度、加強(qiáng)筋寬度和加強(qiáng)筋厚度等主要參數(shù)。加強(qiáng)筋和門扇接觸簡化為全局接觸，通過現(xiàn)場測量得到三種不同結(jié)構(gòu)層門的具體尺寸[4]。

3.2 層門材料特性

定義材料為Q235，屈服強(qiáng)度為235MPa，線性彈性楊氏模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。

3.3 網(wǎng)格劃分及邊界約束

網(wǎng)格劃分采取標(biāo)準(zhǔn)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格密度選擇良好；定義邊界條件為門扇四角X，Y，Z方向全部約束。

3.4 施加荷載

設(shè)軟擺錘沖擊的沖量為I，沖擊時(shí)間為t，已知軟擺錘墜落高度H=800mm，質(zhì)量M=45kg，重力加速度g=9.8m/s2，假設(shè)沖擊過程為力的三角脈沖，則在沖擊時(shí)力脈沖幅值F為：

根據(jù)層門受沖擊變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不斷修正有限元計(jì)算模型總沖擊時(shí)間t，獲得與之對應(yīng)的脈沖幅值F。

經(jīng)重復(fù)計(jì)算和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，比對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊時(shí)間t=0.1s時(shí)，施加力F=3564N，有限元計(jì)算獲得變形過程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，由此確定加載過程為0.05s（半程達(dá)到最大變形）[5]。由于層門的變形會涉及非線性的塑性變形區(qū)域，因此求解器選擇非線性求解器。設(shè)定載荷與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。

層門最大變形發(fā)生在沖擊力達(dá)到最高的時(shí)間，因此只需要計(jì)算一半的沖擊過程即可，如果需要研究沖擊全過程，則需要塑性區(qū)的卸載過程，本文僅研究最大變形。根據(jù)理論計(jì)算，施加線性力為3564N，施加載荷位置為門扇高1m處，加載過程為0.05s。最終得到X，Y方向上的應(yīng)力云圖（X，Y方向延伸構(gòu)成門扇平面）和Z方向形變量云圖（Z方向?yàn)殚T扇受沖擊方向）以及受沖擊點(diǎn)Z方向形變量隨時(shí)間變化曲線。

這樣就在ANSYS軟件中模擬了層門受到與挼擺錘試驗(yàn)等效沖擊的完整過程，具體流程提見圖7。

圖6 載荷與時(shí)間關(guān)系圖

圖7 ANSYS模擬層門軟擺錘試驗(yàn)流程

3.5 計(jì)算結(jié)果

●3.5.1 單根豎直加強(qiáng)筋型

根據(jù)圖8～圖11，由X方向應(yīng)力云圖和Y方向應(yīng)力云圖可以看出，單根豎直加強(qiáng)筋型層門在受到擺錘沖擊后所受到的最大應(yīng)力超過了材料的屈服極限，最大應(yīng)力分布在沖擊點(diǎn)周圍豎直加強(qiáng)筋的兩側(cè)，豎直加強(qiáng)筋起到增加剛度的重要作用。由Z方向形變量云圖了彈性形變，在0.03s前隨著擺錘沖擊的加劇，沖擊點(diǎn)附近應(yīng)力逐漸達(dá)到了材料的屈服極限，隨后彈性形變逐漸恢復(fù)塑性形變逐漸增加，最終在0.05s時(shí)達(dá)到塑性形變最大值。

圖8 單根豎直加強(qiáng)筋型層門Z方向形變量圖

圖9 單根豎直加強(qiáng)筋型層門X方向應(yīng)力云圖

圖10 單根豎直加強(qiáng)筋型層門Y方向應(yīng)力云圖

圖11 單根豎直加強(qiáng)筋型層門受沖擊點(diǎn)Z方向形變量隨時(shí)間變化曲線

●3.5.2 雙根水平加強(qiáng)筋型

根據(jù)圖10～圖15，由X方向應(yīng)力云圖和Y方向應(yīng)力云圖可以看出，雙根水平加強(qiáng)筋型層門在受到擺錘沖擊后所受到的最大應(yīng)力超過了材料的屈服極限，最大應(yīng)力分布在層門正中央和靠下的加強(qiáng)筋部位，水平加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)起到了緩解應(yīng)力集中的作用。由Z方向形變量云圖可知門扇沖擊點(diǎn)附近發(fā)生了塑性形變，最大形變量為25.9mm，因?yàn)檫x取的雙根水平加強(qiáng)筋型層門厚度大于其他兩種類型，所以形變量最小。通過受沖擊點(diǎn)Z方向形變量隨時(shí)間變化曲線可以看出，門扇在0.01在0.03s這內(nèi)時(shí)間內(nèi)發(fā)生了彈性形變，在0.035s前隨著擺錘沖擊的加劇，沖擊點(diǎn)附近應(yīng)力逐漸達(dá)到了材料的屈服極限，隨后彈性形變逐漸恢復(fù)塑性形變逐漸增加，最終在0.05s時(shí)達(dá)到塑性形變最大值。

圖12 雙根水平加強(qiáng)筋型層門Z方向形變量云圖

圖13 雙根水平加強(qiáng)筋型層門X方向應(yīng)力云圖

圖14 雙根水平加強(qiáng)筋型層門Y方向應(yīng)力云圖

圖15 雙根水平加強(qiáng)筋型層門受沖擊點(diǎn)Z方向形變量隨時(shí)間變化曲線

●3.5.3 無加強(qiáng)筋型

根據(jù)圖16～圖19，由X方向應(yīng)力云圖和Y方向應(yīng)力云圖可以看出，無加強(qiáng)筋型層門在受到擺錘沖擊后所受到的最大應(yīng)力超過了材料的屈服極限，最大應(yīng)力分布在層門中部大部分位置，因此此類層門強(qiáng)度明顯低于同尺寸其他兩種類型。由Z方向形變量云圖可知門扇沖擊點(diǎn)附近發(fā)生了塑性形變，最大形變量43.7mm，因?yàn)檫x取的無加強(qiáng)筋型層門寬度小于其他兩種類型，所以才沒有更大的形變量。通過受沖擊點(diǎn)Z方向形變量隨時(shí)間變化曲線可以看出，門扇在0.01在0.025s這內(nèi)時(shí)間內(nèi)發(fā)生了彈性形變，在0.03s前隨著擺錘沖擊的加劇，沖擊點(diǎn)附近應(yīng)力逐漸達(dá)到了材料的屈服極限，隨后彈性形變逐漸恢復(fù)塑性形變逐漸增加，最終在0.05s時(shí)達(dá)到塑性形變最大值。

圖16 無加強(qiáng)筋型層門Z方向形變量云圖

圖17 無加強(qiáng)筋型層門X方向應(yīng)力云圖

圖18 無加強(qiáng)筋型層門Y方向應(yīng)力云圖

圖19 無加強(qiáng)筋型層門受沖擊點(diǎn)Z方向形變量隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)上面數(shù)值模擬分析，比較三種結(jié)構(gòu)型式層門在施加軟擺錘沖擊工況下的變形量，提取結(jié)果見表2。

表2 軟擺錘試驗(yàn)和ANSYS仿真形變量結(jié)果比對

由表2可知，在不排除試驗(yàn)現(xiàn)場誤差的基礎(chǔ)上，軟擺錘試驗(yàn)數(shù)據(jù)和ANSYS仿真數(shù)據(jù)結(jié)果基本吻合。由此可以判斷，選取的三種類型的層門在軟擺錘試驗(yàn)后都滿足凸進(jìn)井道的間隙不應(yīng)大于0.12m的要求，因此在完全約束門扇的條件下，其本身的強(qiáng)度符合要求，最大形變量不是導(dǎo)致導(dǎo)靴脫離地坎槽的主要因素，而配合懸掛機(jī)構(gòu)后的層門整體抗沖擊性無法滿足要求是導(dǎo)致導(dǎo)靴脫離地坎槽的主要因素，從而軟擺錘試驗(yàn)破壞了層門系統(tǒng)的完整性。

4 針對在用電梯層門存在問題的改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，按照GB 7588—2003或更早以前的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的在用電梯，其層門系統(tǒng)質(zhì)量合格堪憂，給使用環(huán)節(jié)遺留下很大安隱患。根據(jù)GB 7588—2003第1號修改單及檢規(guī)的有關(guān)要求，層門的懸掛裝置需要進(jìn)行必要的改進(jìn)，從而達(dá)到增加其整體層門系統(tǒng)的強(qiáng)度，保證在受到?jīng)_擊后能保持自身完整性。需要以下改進(jìn)措施：

1)增加導(dǎo)靴和地坎槽嚙合深度。經(jīng)調(diào)研，在用電梯層門導(dǎo)靴的嚙合深度在13mm左右，如果通過加深地坎槽來加大這個嚙合量，如果達(dá)到20mm以上可以提高抗沖擊性。

2）增加層門安全保持裝置。一些電梯制造企業(yè)在GB 7588—2003及其第1號修改單實(shí)施后，也增加了類似美國標(biāo)準(zhǔn)中層門安全保持器的裝置，在門扇下端焊接一個防撞擋板，使其在地坎槽內(nèi)隨門扇運(yùn)動，當(dāng)受到外部撞擊時(shí)可以有效地增加門扇和地坎的嚙合面積，使層門保持在原有位置，不脫離地坎槽，一定程度上防止了門滑塊脫槽的風(fēng)險(xiǎn)，見圖20。

圖20 層門防撞擋板

3）設(shè)計(jì)向井道外突出的門扇端部或?qū)аァ８淖儗娱T端部的設(shè)計(jì)，將其與導(dǎo)靴連接處向井道外延伸（見圖21（a）），或直接將導(dǎo)靴設(shè)計(jì)成向井道外延伸的造型（見圖21（b）），這樣可以有效地吸收水平?jīng)_擊的危害，減小門扇脫離地坎槽的可能。

圖21 變更門扇端部式導(dǎo)靴設(shè)計(jì)

4）設(shè)計(jì)門掛板防脫軌結(jié)構(gòu)。同理，按照3）的理念，設(shè)計(jì)門掛板方脫軌結(jié)構(gòu)。圖22為一種門掛板防脫鉤結(jié)構(gòu)，正常情況下其勾住門吊板，當(dāng)乘客非故意的扶或依靠門扇時(shí)，能夠有效承受這部分力，使門扇懸掛板不會因撞擊脫離原有位置。

5）加強(qiáng)門導(dǎo)靴與門扇下端部連接強(qiáng)度，常見的門導(dǎo)靴與門扇下端部通過螺栓螺母連接，隨著頻繁開關(guān)門運(yùn)動以及縱向受力，使得螺栓螺母間出現(xiàn)松動甚至掉落，若平時(shí)維保不到位（事實(shí)上，根據(jù)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來看，這是維保作業(yè)中極易忽視的），則會出現(xiàn)導(dǎo)靴脫落。通過改進(jìn)門滑塊與門扇端部連接強(qiáng)度來增強(qiáng)門扇系統(tǒng)整體性能，見圖23。

6）提高門扇本身性能，強(qiáng)化本質(zhì)質(zhì)量安全， 一是門扇選擇合適的材質(zhì)、厚度，保證足夠的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能；二是增加一根以上的縱向、橫向或橫向+縱向加強(qiáng)筋，提高層門剛度[6]，見圖24。

圖22 一種門掛板防脫結(jié)構(gòu)

圖23 加強(qiáng)門導(dǎo)靴與門扇連接強(qiáng)度

圖24 增加橫、縱向加強(qiáng)筋

7）在檢驗(yàn)中加強(qiáng)對懸掛裝置的重視程度， 在檢驗(yàn)規(guī)則中目前還沒有對懸掛裝置進(jìn)行量化的要求，特別是層門導(dǎo)靴嚙合深度的尺寸，在檢驗(yàn)中應(yīng)根據(jù)不同廠家標(biāo)準(zhǔn)和不同的導(dǎo)靴型式測量其嚙合深度，對嚙合深度不滿足要求的導(dǎo)靴，應(yīng)要求維保單位更換或調(diào)整。