一種新型電梯制動器摩擦片的設(shè)計

李金泰，朱俊臣

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

1 概述

隨著社會的不斷發(fā)展，高層建筑逐漸增多，電梯已經(jīng)成為了人們生活中廣泛使用的重要設(shè)備，隨之而來電梯的安全性能引起了人們的重視。電梯是一種高精密度的運(yùn)輸工具，由許多零部件組成，因此存在發(fā)生故障和危險的可能性。通過近幾年電梯事故分析，電梯發(fā)生故障可分為以下兩種。

（1）電梯電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障；

（2）電梯機(jī)械系統(tǒng)不能有效的制停電梯。

另據(jù)統(tǒng)計，電梯因門系統(tǒng)和制動器故障引起的事故占總體事故數(shù)一半以上。對于門系統(tǒng)故障引起的事故大部分是由于撞門、踹門引起，有一定的偶然性[1-5]；而電梯發(fā)生沖頂、蹲底或者溜車的事故則是因?yàn)橹苿悠?。由于制動器在電梯機(jī)房里面，乘客無法事先預(yù)知制動器的狀態(tài)，因此一旦制動故因卡阻等故障引起事故則很難避免。電梯溜車事故如圖1所示。為了電梯不發(fā)生溜車和墜落的事故，電梯必須設(shè)置制動系統(tǒng)，而且必須是一種摩擦型的機(jī)——電式制動器，并對電梯制動器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

圖1 電梯溜車事故

電梯制動器作為電梯重要的機(jī)械組成部分，在電梯緊急停止、正常平層時，能夠通過摩擦消耗動能的方式，有效地將電梯制停，從而達(dá)到預(yù)期效果。一旦制動系統(tǒng)失效，對電梯的安全運(yùn)行將有著極大地威脅[6-9]。近年由于電梯鼓式制動器卡阻、制動力不足等問題導(dǎo)致的轎廂沖頂事故屢見報端，基于此，國家市場監(jiān)督管理總局部署全國開展電梯鼓式制動器安全隱患專項排查治理行動。從排查結(jié)果來看，確實(shí)有部分制動器的鐵芯存在銹蝕或者鐵芯尾部存在卡坑。制動系統(tǒng)能否有效可靠的動作，關(guān)系到整個電梯、使用人員以及維護(hù)人員的安全，是電梯正常運(yùn)行必不可少的安全保護(hù)裝置。由此可見，對電梯制動器性能的監(jiān)測尤為重要。

2 制動器性能監(jiān)測存在的問題探討

目前市面上常見的制動器以鼓式制動器居多，工作時制動閘瓦緊密貼合在制動輪上，制動輪與曳引輪同軸剛性連接，確保電梯減速或者維持停梯狀態(tài)。通過常見故障分析，電梯由于制動器失效引起的故障以剪切、蹲低、沖頂最為常見。針對上述危害，國家標(biāo)準(zhǔn)以及特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范對電梯的制造、檢驗(yàn)又提出了如下要求：制動器動作靈活，制動閘瓦緊密貼合在制動輪上，電梯運(yùn)行時，制動閘瓦與制動輪不發(fā)生摩擦，制動閘瓦以及制動輪工作面上沒有油污。由于制動器的工作狀態(tài)是一個動態(tài)反復(fù)切換的過程，為了更加直觀地監(jiān)測制動器工作狀態(tài)，提出制動器應(yīng)當(dāng)有故障保護(hù)功能，當(dāng)監(jiān)測到制動器提起或釋放失效時，能夠防止電梯的正常啟動，此功能是通過監(jiān)測制動器動作的電氣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。此外，按照新國標(biāo)制造的電梯還應(yīng)具備轎廂意外移動保護(hù)裝置，該裝置要求如果電梯采用內(nèi)部冗余的制動器作為制停部件，當(dāng)制動力不足時，應(yīng)防止電梯正常啟動。從電梯檢測現(xiàn)場反饋的實(shí)際情況來看，電梯制動方面存在的問題主要是，制動輪制動閘瓦上面有油污，從而導(dǎo)致制動器制動能力下降。此外帶閘運(yùn)行雖然并不常見，但是也偶有發(fā)生。電梯制動器如果帶閘運(yùn)行，會導(dǎo)致制動輪和制動閘瓦溫度升高，從而降低之間的摩擦系數(shù)；如果長時間帶閘運(yùn)行還會導(dǎo)致制動閘瓦出現(xiàn)磨損或者碳化，并最終影響制動能力。鼓式制動器制動彈簧松緊度調(diào)節(jié)不到位也易導(dǎo)致故障，過松會導(dǎo)致制動能力下降，過緊則有可能會出現(xiàn)帶閘運(yùn)行。也有鼓式制動器出現(xiàn)過拆解保養(yǎng)前一切正常，拆解保養(yǎng)后出現(xiàn)單邊卡阻的問題。關(guān)于制動器的故障現(xiàn)象，大部分已經(jīng)被研究透徹，但是針對拆解前后出現(xiàn)不一致情況，甚至情況急轉(zhuǎn)直下的現(xiàn)象，目前尚無針對性研究，值得關(guān)注。

縱觀目前對制動器的研究，主要集中在對制動器工作動作狀態(tài)的研究，但是制動器工作時性能的變化主要體現(xiàn)在摩擦副的性能變化。制動器制動輪一般采用灰鑄鐵制造而成，其基體組織性能相對比較穩(wěn)定；制動閘瓦摩擦片一般采用樹脂基復(fù)合材料制作，工作時摩擦性能容易受溫度、載荷、磨損量、環(huán)境影響，從而影響制動力矩，極限情況下則會造成制動失靈，給乘客造成很大的安全隱患影響。因此對摩擦副的研究更能深入地體現(xiàn)制動能力的特性[10-13]。

3 影響摩擦片性能的因素

影響制動器摩擦片性能的因素有很多，以材料、溫度和制動載荷為主。電梯制動器摩擦片以樹脂基復(fù)合材料為主要材料，這種材料耐磨性較高，以粘膠為粘合劑，制動時產(chǎn)生的熱量對粘合劑的特性有較大的影響，過高的摩擦熱容易導(dǎo)致表面脫膠、焦化，甚至產(chǎn)生裂紋和變形，導(dǎo)致制動器失效。從安全角度講，制動時制動閘瓦貼合在制動輪上的力越大，制動效果越明顯。但是實(shí)際研究過程中發(fā)現(xiàn)，制動載荷越大，摩擦產(chǎn)生的剪切越大，產(chǎn)生的熱量和磨損量就越大，從而影響制動閘瓦壽命。因此在維修過程中，切勿過分的調(diào)緊制動彈簧。并且由于制動閘瓦的摩擦材料是通過鉚釘與制動閘瓦連接，當(dāng)摩擦材料磨損到一定程度時，鉚釘會漏出并與制動輪直接作用從而劃傷制動輪，導(dǎo)致制動器后續(xù)制動能力受影響。

制動器摩擦片在與制動輪摩擦過程中，表面的相互作用，消耗能量的同時也使得摩擦片表面材料流失或者轉(zhuǎn)移，長期工作下去最終以磨損形式表現(xiàn)出來。磨損量越大，摩擦副之間的間隙越大，從而需要鐵芯提供更大的行程，也需要制動彈簧提供更大的力，最壞的情況是導(dǎo)致制動器制動能力失效。因此，很有必要對制動器制動閘瓦摩擦材料的厚度進(jìn)行監(jiān)測，對磨損量的監(jiān)控能夠最直接地體現(xiàn)制動器工作狀態(tài)特征，目前尚無有效手段對制動閘瓦摩擦材料的磨損量進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)計一種監(jiān)測制動器摩擦片的裝置具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

4 一種電梯制動器摩擦片磨損狀態(tài)監(jiān)控方法

基于對制動器摩擦副的研究，擇優(yōu)選擇相關(guān)材料制作相應(yīng)的摩擦片。從電梯安全檢驗(yàn)、監(jiān)測角度出發(fā)，文中針對摩擦片長期磨損量提出了一種新型的監(jiān)測方法。目前常用的方法有：①直接觀測法。每隔一段時間便對制動閘瓦摩擦材料的厚度進(jìn)行測量，當(dāng)厚度低于廠家的更換標(biāo)準(zhǔn)時，則及時更換；②圖像分析法。利用高清攝像機(jī)對摩擦材料進(jìn)行實(shí)時拍攝，并通過圖像識別技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測制動閘瓦摩擦材料的實(shí)時狀態(tài)；③對制動閘瓦的摩擦材料進(jìn)行分層處理，在摩擦材料底部位置設(shè)置一層顏色帶，當(dāng)制動閘瓦摩擦材料磨至廠家規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)時，能在制動輪上以顏色的形式進(jìn)行反饋。上述三種方法各有利弊，第一種和第三種雖然成本低，但是需要人不定時地進(jìn)行檢查，同時由于現(xiàn)行電梯維護(hù)保養(yǎng)規(guī)則要求電梯每半月保養(yǎng)一次，因此對電梯制動閘瓦摩擦材料的監(jiān)測有一定的滯后性；第二種方法雖然能對制動閘瓦摩擦材料進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，安全性高，但是隨之而來的成本也高。因此文中提出一種利用摩擦片中預(yù)埋導(dǎo)線，當(dāng)磨損量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，導(dǎo)線破損，監(jiān)測裝置發(fā)出停止電梯指令的制動閘瓦材料監(jiān)測方法，集成了實(shí)時和低成本的優(yōu)點(diǎn)。具體方法如圖2和圖3所示。

圖2 摩擦片

圖3 監(jiān)控裝置電路簡圖

文中所述摩擦片包括摩擦片本體、導(dǎo)線孔和用于隔熱的石棉層。在制造時，由于電梯抱閘時摩擦片主要承受較大的徑向載荷，摩擦片本體開有導(dǎo)線孔承壓能力有所損耗，因此本體采用比壓較大的銅基材料；導(dǎo)線孔應(yīng)均勻分布于摩擦片內(nèi)2 mm 處；工作時，隨著磨損量的增大，摩擦部分逐漸接近于導(dǎo)線孔。在導(dǎo)線孔內(nèi)側(cè)設(shè)置隔熱的石棉層，能有效地避免摩擦產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致導(dǎo)線未參與摩擦，絕緣層便熔化。導(dǎo)線貫穿于摩擦片，其所有電氣元件連接方式如圖2所示。安全電壓通過空氣開關(guān)QF 連接到接觸器Q1線圈上。Q1的常開觸電連接到PLC 的一個輸入端。隨著摩擦片磨損量增加，導(dǎo)線參與磨損，當(dāng)導(dǎo)線絕緣層破損后，裸露的導(dǎo)線接觸到制動輪，空氣開關(guān)QF 斷開電路，Q1接觸器線圈失電，Q1常開觸點(diǎn)斷開，PLC 預(yù)定輸入點(diǎn)為0，電梯停止，提示維護(hù)人員更換摩擦片。

5 結(jié)束語

電梯制動器失效最終以制動力不足的形式直觀地體現(xiàn)出來，引起制動力不足的主要因素有制動器機(jī)械故障和制動閘瓦磨損過度，因此對制動閘瓦磨損量的研究，能夠直觀地體現(xiàn)制動器的制動能力。

文中提出的監(jiān)控方法，能夠?qū)⒅苿悠鏖l瓦的磨損狀態(tài)量化，并設(shè)置警戒量，實(shí)時監(jiān)控磨損狀態(tài)，為檢驗(yàn)和維修人員提供參考，能夠減少由于制動力不足引起的電梯沖頂、剪切等安全事故的發(fā)生。