電梯制動器制動輪力學特性分析及改進

陳祥卓

（福建省特種設備檢驗研究院泉州分院，福建泉州 362010）

0 引言

電梯的廣泛應用為人們的生產生活帶來了極大的方便，其中塊式制動器在電梯中的應用非常廣泛[1-2]，但在實踐過程中，經常會發(fā)生由于塊式制動器本身的性能問題而導致的電梯安全事故，比如沖頂事故、溜車事故等[3-4]。電梯在使用中一旦出現上述故障問題，便會嚴重威脅乘客的人身安全。制動輪是塊式制動器中的核心零部件，緊急制動工作條件下，其受力情況會直接影響制動效果[5-6]。因此非常有必要對電梯制動器制動輪的受力特性進行分析和研究，從而找到制動器在運行時的危險點，在此基礎上對其進行優(yōu)化改進，提升緊急制動時制動器的制動效果及其運行穩(wěn)定性，保障電梯的安全運行[7]。

1 電梯制動器整體結構

電梯制動器類型有很多種，常見的包括鼓式制動器、塊式制動器、碟式制動器等，不同類型的制動器各自有其優(yōu)缺點，其中塊式制動器以其顯著的優(yōu)勢在乘客電梯中得到了非常廣泛的應用。本文主要以塊式制動器作為研究對象，其整體結構如圖1所示。

圖1 電梯塊式制動器整體結構

在曳引機上對塊式制動器進行安裝，其中曳引機上的曳引輪和制動器上的制動輪剛性連接，兩者實現同步運轉，通過這種方式，制動器可以對曳引機進行制動。塊式制動器工作過程中主要包含兩個過程，分別為抱閘和松閘。抱閘過程中，電磁線圈斷電導致電磁力消失，制動動板在彈簧力的作用下運動，并推動閘瓦抱緊制動輪，在摩擦力的作用下實現制動。松閘過程與上述過程相反，電磁線圈通電產生電磁力，且電磁力大于彈簧的彈力，制動動板在電磁力的作用下帶動閘瓦脫離制動輪，閘瓦與制動輪之間的摩擦力消失，失去制動效果。

基于上述的電梯塊式制動器工作原理可以看出，其在制動過程中主要依靠閘瓦和制動輪之間的摩擦力實現制動。因此制動器制動輪在制動過程中的力學特性顯得尤為重要，會直接影響制動器的制動效果。

2 電梯制動器制動輪模型建立

由于在緊急制動工況條件下，電梯塊式制動器在制動過程中起關鍵作用的是閘瓦和制動輪，因此在建立模型時主要建立上述兩個核心零部件的模型。

2.1 三維模型建立

通過SolidWorks三維模型軟件建立電梯制動器制動輪和閘瓦的三維模型。模型建立過程中，為了方便后續(xù)有限元模型的建立，提升計算效率，針對計算結果不會產生顯著影響的細節(jié)進行忽略。如圖2所示為建立的制動輪和閘瓦三維模型，模型中涉及到的參數全部按照實際情況進行設置，制動輪的直徑為653 mm，閘瓦的寬度和包角分別為80 mm和17°。后續(xù)要將建立好的三維模型導入到Abaqus有限元軟件中進行受力分析，因此需要將模型導出為STL格式。

圖2 制動輪和閘瓦的三維模型

2.2 有限元模型建立

將建立好的三維模型導入到Abaqus軟件中建立有限元模型。

（1）網格劃分

軟件中提供了多種形式的網絡類型，不同網格類型以及網格單元大小對計算過程和結果均有一定程度的影響。在充分考慮實際情況的基礎上，選用的網絡類型為六面體的C3D8R網格。網格單元尺寸越大，計算效率越高，但結果越粗糙；相反的，網格單元越小，計算效率較低，但可以得到相對比較精確的結果。因此需要對網格單元大小和結果精度進行權衡。本研究中利用軟件進行自動網絡劃分，得到的制動輪單元數量和節(jié)點數量分別為679 544和739 909，每個閘瓦單元數量和節(jié)點數量分別為25 229和29 807。

（2）材料參數

通常情況下，塊式制動器中制動輪的使用材料為Q235，閘瓦的使用材料為復合銅網板。Q235鋼的彈性模量和泊松比分別為200 GPa和0.3，比熱容、熱傳導系數和熱膨脹系數分別為510 J/kg·℃、45 W/mm·℃和8.2×10-6℃-1。復合銅網板的彈性模量和泊松比分別為1.3 GPa和0.25，比熱容、熱傳導系數和熱膨脹系數分別為1 200 J/kg·℃、0.9 W/mm·℃和18×10-6℃-1。Q235鋼和復合銅網板之間的摩擦因數設置為0.38。

（3）其他條件設置

模型中需要設置的其他參數全部按照電梯實際情況設置，轎廂質量和額定載荷分別為1 650 kg和1 000 kg，配重大小為2 150 kg，電梯的額定運轉速度和曳引機轉速分別為2.5 m/s和960 r/min。模型初始溫度設置為室溫，即20℃。

模型建立完成后，可以調用Abaqus軟件的分析計算模塊對模型進行分析計算，最終提取結果進行分析。

3 模型計算結果分析與探討

3.1 制動階段制動輪接觸區(qū)域的力學特征

圖3 緊急制動過程中制動輪接觸區(qū)域的受力演變情況

圖3所示為電梯在緊急制動時，制動器在制動過程中制動輪接觸區(qū)域的受力情況分布圖。從圖中可以看出，在制動過程中隨著時間的延長，制動輪與閘瓦相互接觸的區(qū)域，受力慢慢加大，在280 ms時達到最大值，為313.4 MPa。在制動輪寬度方向上，中間位置的應力最大，越往邊緣其受力越小。出現這種情況的原因在于，制動輪與閘瓦通過摩擦制動，在此過程中摩擦做功產生的熱量基本都被制動輪和閘瓦吸收，使其溫度升高。制動輪邊緣區(qū)域由于直接與外界接觸，其散熱速度相對較快，而中間位置由于沒有與外部直接接觸，其散熱速度比較慢。因此制動輪中間位置的溫度相對較高，根據熱脹冷縮原理，中間會產生熱膨脹現象，導致該區(qū)域與閘瓦之間的擠壓力更大。

電梯在緊急制動時，塊式制動器主要依靠制動輪和閘瓦之間的摩擦力進行制動，基于上述受力分析結果可以看出，在寬度方向上制動輪的受力不均勻，而接觸應力的大小會直接影響摩擦力大小，意味著在寬度方向上制動輪的摩擦力也不均勻，但是摩擦力可以保持左右對稱，所以摩擦力在寬度方向上分布的不均勻性不會對制動過程穩(wěn)定性造成顯著的影響。

3.2 制動輪壽命分析

緊急制動情況下，制動輪在制動過程中會繼續(xù)旋轉，真正參與制動的是與閘瓦直接接觸的區(qū)域，該區(qū)域在制動時會產生大量的熱量和接觸應力，一旦與閘瓦脫離接觸，對應位置的應力就會消失?？梢钥闯鲋苿虞喌氖芰τ兄芷谘h(huán)的特點，表明制動輪表面容易出現疲勞損傷問題。在寬度方向上制動輪中間位置的應力最高，因此該位置最容易出現疲勞裂紋。塊式制動器制動輪的使用壽命可以根據Manson-Coffin模型進行分析估算。制動輪的生產制作材料為Q235，該材料涉及到的模型技術參數主要包括疲勞強度系數為300 MPa，疲勞強度指數為-0.08，疲勞延性指數為-0.462。將上述技術參數代入壽命預估模型中，可以計算得到不同應力狀態(tài)下制動輪的壽命。當接觸應力處于最大值313.4 MPa時，計算得到的使用壽命約為15 581次。

4 制動輪改進研究

以上針對電梯塊式制動器在緊急制動情況下，制動輪在制動過程中的受力情況及其壽命進行了定量的分析與研究，可以發(fā)現在寬度方向上，制動輪中間區(qū)域的受力最為顯著，該位置最容易出現熱疲勞損傷，進而引發(fā)制動器的故障問題，威脅電梯運行安全。因此有必要對制動輪進行優(yōu)化改進，以提升其使用壽命。最簡單的方法就是直接更換制動輪的生產制作材料，提升制動輪的抗疲勞強度。這樣可以保證零部件在受力相同的情況下，延長其使用壽命。根據已有的文獻資料可知，Q345鋼具有比Q235鋼更好的抗疲勞性能，其疲勞強度系數為385 MPa，疲勞強度指數為-0.103 4，疲勞延性指數為-0.467 4。在保持制動輪基本結構不變的情況下，只是更改生產制作材料，那么在制動過程中表面的受力情況基本不會改變。將Q345鋼涉及到的模型參數代入到壽命估算模型中，可以計算得到在最大應力值為313.4 MPa時，對應的使用壽命約為19 863次。與Q235鋼相比較而言，使用壽命提升了27.48%。

5 結束語

塊式制動器在電梯中有著非常廣泛的應用，而制動輪又是制動器中的關鍵零部件，緊急制動情況下，其受力情況會直接影響制動器的制動效果及使用壽命。本文主要對制動輪的受力情況進行了分析和研究，所得的結論主要包含以下幾點。

（1）制動器在緊急制動過程中，隨著制動過程的不斷推進，制動輪與閘瓦接觸區(qū)域的應力和摩擦力會逐漸升高，最大應力值達到了313.4 MPa。在制動輪的寬度方向上，應力分布也不均勻，最大應力出現在中間位置，越靠近邊緣部位其應力值越小。

（2）緊急制動情況下，制動輪的受力狀態(tài)屬于循環(huán)周期載荷，容易出現疲勞損傷，威脅電梯的使用安全。根據Q235鋼的材料屬性，并結合疲勞壽命估算模型，在應力值為313.4 MPa時，對應的使用次數約為15 581次。

（3）使用疲勞性能更優(yōu)的Q345鋼材料替換Q235鋼來制作制動輪，在相同的工況條件下，制動輪的使用壽命可以提升到19 863次，壽命提高了27.18%。