閘瓦式電梯制動(dòng)器的力學(xué)特征分析

任昭霖 劉小暢

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

0 引言

電梯制動(dòng)器是電梯系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，不僅能保證轎廂停在平層位置時(shí)不會(huì)因?yàn)檗I廂與對重之間的質(zhì)量差而造成溜梯，還能在動(dòng)力電源或控制電路電源失電時(shí)，使運(yùn)行中的轎廂能有效制停。由此可見，制動(dòng)器的安全、可靠是保證電梯安全運(yùn)行的重要因素之一，直接關(guān)系電梯設(shè)備和乘用人員的安全。電梯事故統(tǒng)計(jì)分析表明，電梯發(fā)生開門溜梯、沖頂、擠壓或蹾底等安全事故大多數(shù)因電梯制動(dòng)器失效導(dǎo)致。

電梯通常采用摩擦型的機(jī)電式常閉制動(dòng)器，分析可知，制動(dòng)器中制動(dòng)輪和閘瓦為核心部件，其受力情況會(huì)對制動(dòng)效果產(chǎn)生重要影響[1]，故對制動(dòng)輪和閘瓦的力學(xué)特征分析至關(guān)重要。以永磁同步曳引機(jī)為例，分析在緊急制動(dòng)時(shí)，閘瓦式制動(dòng)器中制動(dòng)輪和閘瓦的力學(xué)特征。

1 電梯制動(dòng)器受力分析

在電梯系統(tǒng)中，主要包含轎廂、對重和曳引輪，其簡化模型如圖1所示。

圖1 電梯系統(tǒng)簡化模型

圖1中，轎廂質(zhì)量為P，對重為W，曳引輪半徑為R，轎廂的運(yùn)行速度為V，制動(dòng)器制動(dòng)力矩為Mf。

若不考慮轎廂和對重兩邊牽引繩的質(zhì)量，在轎廂處于額定載荷時(shí)，力的平衡應(yīng)滿足

式中：k為電梯平衡系數(shù)，k的取值范圍為0.4～0.5；Q為電梯額定載荷。

根據(jù)式(1)，也可求得對重的值。

當(dāng)電梯正常停止時(shí)，轎廂的運(yùn)行速度V=0，制動(dòng)器制動(dòng)力矩是用以保持轎廂和對重平衡。在力矩平衡上，應(yīng)滿足

根據(jù)式(2)，在電梯正常停止時(shí)，制動(dòng)力矩為

當(dāng)電梯出現(xiàn)故障突然降落，制動(dòng)器緊急制動(dòng)時(shí)，在一瞬間轎廂和對重會(huì)產(chǎn)生減速度a，通常a的取值范圍0.2g～1.0g之間，g為重力加速度[2]。此時(shí)，力矩平衡方程為

根據(jù)式(4)，當(dāng)電梯緊急停止時(shí)，制動(dòng)力矩為

式(5)整理可得

根據(jù)式(3)和式(6)中的制動(dòng)力矩表達(dá)式可知，制動(dòng)器在緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力矩大于正常停止時(shí)的制動(dòng)力矩。

電梯正常啟停過程中，電梯在曳引機(jī)控制下加減速到設(shè)定的速度值，但當(dāng)電梯發(fā)生故障時(shí)，需使得電梯緊急停止，即制動(dòng)器緊急抱閘，這就對于制動(dòng)器的性能提出了較高的要求[3]?；诖酥饕獙o急制動(dòng)情況下的制動(dòng)器進(jìn)行受力分析。

2 有限元模型建立

參照GB/T 7588.1—2020《電梯制造與安裝安全規(guī)范》[4]和TSG T7007—2022《電梯型式試驗(yàn)規(guī)則》[5]等規(guī)范對制動(dòng)器的要求，確立有限元分析模型。

假設(shè)電梯的曳引輪半徑R=0.245 m，電梯額定載荷Q=1 000 kg，轎廂質(zhì)量P=300 kg，平衡系數(shù)k=0.45，減速度a取最大值，即a=g，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限情況，在125%的額定載荷下對電梯進(jìn)行緊急制動(dòng)。

此電梯在緊急制動(dòng)時(shí)，根據(jù)式(6)可得

由于制動(dòng)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，需考慮到眾多物理因素的影響。為了分析的簡易性，假設(shè)：1）制動(dòng)過程中，減速度a恒定；2）制動(dòng)過程中，制動(dòng)輪和閘瓦之間的摩擦系數(shù)保持不變；3）制動(dòng)過程中，制動(dòng)力矩均勻分布在制動(dòng)輪上；4）制動(dòng)過程中，制動(dòng)輪和閘瓦的變形均為彈性變形；5）制動(dòng)時(shí)的初始溫度為正常室溫。

由于制動(dòng)力矩均勻分布在制動(dòng)輪上，此時(shí)閘瓦上所受的正壓力為

式中：μ表示制動(dòng)輪與閘瓦之間的摩擦系數(shù)。

緊急制動(dòng)過程中，主要的受力對象為制動(dòng)輪和閘瓦，為加速收斂過程，提升計(jì)算效率時(shí)僅對制動(dòng)輪和閘瓦進(jìn)行有限元分析[6]，圖2為永磁同步曳引機(jī)三維模型。

圖2 永磁同步曳引機(jī)三維模型

如圖2所示，假設(shè)制動(dòng)輪外徑與曳引輪直徑相同為0.245 m，單側(cè)閘瓦包角為50°，閘瓦寬度為55 mm。將制動(dòng)輪與閘瓦的三維模型導(dǎo)入Ansys軟件中進(jìn)行有限元分析。

1）網(wǎng)格劃分 采用六面體網(wǎng)絡(luò)對制動(dòng)輪和閘瓦進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。其中，閘瓦和制動(dòng)輪總單元數(shù)為4 571，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 251。

圖3 制動(dòng)輪與閘瓦網(wǎng)格劃分

2）材料參數(shù) 設(shè)定制動(dòng)輪材質(zhì)為HT200，密度為7 250 kg·m-3，彈性模量為 1.48×1011Pa，泊松比為 0.3；閘瓦材質(zhì)為復(fù)合銅網(wǎng)板，密度為2 150 kg·m-3，彈性模量為2.2×109Pa，泊松比為0.3。閘瓦與制動(dòng)輪間的摩擦系數(shù)μ=0.3。

3）載荷設(shè)置 壓力均勻分布在閘瓦外表面，且由式(7)可計(jì)算出閘瓦上的正壓力 。

4）邊界條件 制動(dòng)輪和閘瓦在X、Y、Z方向的位移為零。

5）初始條件 制動(dòng)輪初始轉(zhuǎn)速為10 rad/s，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，設(shè)置在1 s內(nèi)轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。初始溫度為室溫，?5 ℃。

3 力學(xué)特征分析

曳引機(jī)緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)輪的應(yīng)力變化如圖4所示。由圖4可知，在緊急制動(dòng)過程中，隨著時(shí)間的推移，制動(dòng)輪的最大應(yīng)力在逐漸增大，在600 ms之后最大應(yīng)力減小并趨于穩(wěn)定。在這一過程中制動(dòng)輪的最大應(yīng)力發(fā)生在軸連接處，最小應(yīng)力發(fā)生在制動(dòng)輪輪盤摩擦邊緣處。

圖4 緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)輪應(yīng)力變化

圖5為緊急制動(dòng)過程中閘瓦應(yīng)力變化圖。由圖5可知，閘瓦的應(yīng)力變化較為復(fù)雜，在200 ms之前最大應(yīng)力波動(dòng)增加，在200～400 ms之間最大應(yīng)力減小，之后最大應(yīng)力以較小的幅度緩慢增加。同時(shí)可以得知?jiǎng)傔M(jìn)入摩擦制動(dòng)時(shí)，應(yīng)力在閘瓦上的分布不均勻，后逐漸分布均勻。由于在制動(dòng)輪不斷旋轉(zhuǎn)，即閘瓦所受應(yīng)力相當(dāng)于脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，使得最大應(yīng)力和最小應(yīng)力發(fā)生處也循環(huán)變化。

圖5 緊急制動(dòng)過程中閘瓦應(yīng)力變化

綜合分析制動(dòng)過程中制動(dòng)輪與閘瓦上的最大應(yīng)力和平均應(yīng)力變化如圖6所示。

圖6 制動(dòng)輪與閘瓦上最大應(yīng)力與平均應(yīng)力

圖6中紅色實(shí)線表示制動(dòng)輪與閘瓦上應(yīng)力最大值，藍(lán)色虛線表示制動(dòng)輪與閘瓦上應(yīng)力平均值。通過分析可知，在12 ms時(shí)制動(dòng)輪和閘瓦上的應(yīng)力值達(dá)到最大為270.3 MPa，顯然在兩者接觸的瞬間引發(fā)較大的沖擊，導(dǎo)致應(yīng)力急劇增加。而隨著摩擦減速的進(jìn)行，沖擊逐漸平穩(wěn)，最大應(yīng)力和平均應(yīng)力以較小的幅度增加。最后隨著制動(dòng)輪逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在0.6～0.8 s時(shí)最大應(yīng)力與平均應(yīng)力有所提升，而后基本保持不變。

由于制動(dòng)過程中制動(dòng)輪一直旋轉(zhuǎn)，無法準(zhǔn)確分析其應(yīng)變變化，僅對閘瓦進(jìn)行應(yīng)變分析，如圖7所示。

圖7 緊急制動(dòng)過程中閘瓦應(yīng)變變化

由圖7可知，閘瓦上的最大應(yīng)變在600 ms前基本保持不變，但隨后一直增長，這是由于摩擦導(dǎo)致變形持續(xù)增加，且應(yīng)變最大處基本上位于閘瓦進(jìn)入摩擦處，即閘瓦上側(cè)。

4 制動(dòng)力矩與閘瓦最大應(yīng)變關(guān)系分析

在125%的額定載荷下對電梯進(jìn)行緊急制動(dòng)，制動(dòng)力矩為7.595 kN·m，在100%額定載荷下的制動(dòng)力矩為6.37 kN·m。

多次改變制動(dòng)力矩值，使得制動(dòng)力矩以0.245 kN·m為梯度從6.370 kN·m逐級加載至7.595 kN·m，在通過Ansys進(jìn)行有限元分析，并記錄閘瓦的最大應(yīng)變值如表1所示。

表1 閘瓦在不同制動(dòng)力矩下的最大應(yīng)變值

根據(jù)制動(dòng)力矩與閘瓦最大應(yīng)變的數(shù)值進(jìn)行曲線擬合，如圖8所示。

圖8 應(yīng)變與制動(dòng)力矩的關(guān)系曲線

由圖8可知，閘瓦的最大應(yīng)變與制動(dòng)力矩間基本呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r=1，其關(guān)系表示為

式中：Mf為制動(dòng)力矩，με為閘瓦的最大應(yīng)變。

5 在用電梯制動(dòng)器性能現(xiàn)場測試

在使用現(xiàn)場對已經(jīng)具有一定服役時(shí)間的在用電梯制動(dòng)器進(jìn)行測試，記錄制動(dòng)器的吸合和釋放電壓、響應(yīng)時(shí)間以及制動(dòng)能力曲線，分析在用制動(dòng)器的性能特點(diǎn)。

5.1 測試原理、儀器與方法

在用電梯制動(dòng)器吸合/釋放電壓和響應(yīng)時(shí)間現(xiàn)場測試原理如圖9所示，現(xiàn)場測試照片如圖10所示。首先，將制動(dòng)器自身供電電路的外部電源切斷，將1部可手動(dòng)調(diào)節(jié)的電源直接接入制動(dòng)器的電磁線圈，以便使制動(dòng)器的供電和動(dòng)作都是可控的。然后，在制動(dòng)器的機(jī)械動(dòng)作部件（或柱塞）上安裝非接觸式的位移傳感器，以便觀測制動(dòng)器的吸合和釋放動(dòng)作。最后，將手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的電壓信號和位移傳感器的位移信號同時(shí)接入一臺(tái)便攜式記錄儀，以便對這些信號進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。該記錄儀具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印功能。

圖9 在用制動(dòng)器吸合/釋放電壓和響應(yīng)時(shí)間測試原理圖

在進(jìn)行制動(dòng)器吸合和釋放電壓的測試時(shí)，首先將手動(dòng)調(diào)節(jié)電源歸零，然后逐漸增加電源的電壓輸出，同時(shí)觀察制動(dòng)器機(jī)械動(dòng)作部件和位移傳感器的輸出信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器機(jī)械動(dòng)作部件（或柱塞）動(dòng)作（抱閘打開）或位移傳感器信號變化的瞬間，記錄此時(shí)的手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓值，即為該制動(dòng)器的吸合電壓；然后逐漸減少手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的電壓輸出，直至制動(dòng)器機(jī)械動(dòng)作部件（或柱塞）動(dòng)作（恢復(fù)抱閘）或位移傳感器信號變化時(shí)，記錄該時(shí)刻手動(dòng)調(diào)節(jié)電源的輸出電壓值，即為該制動(dòng)器的釋放電壓。

在進(jìn)行制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間（本文特指釋放動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間）的測試時(shí)，首先調(diào)節(jié)手動(dòng)電源使制動(dòng)器動(dòng)作，即抱閘打開。然后直接切斷電源供電，即模擬制動(dòng)器失電情況。使用記錄儀記錄斷電前后一段時(shí)間內(nèi)電信號和位移信號的變化情況。通過曲線比較獲得從電信號突變開始，到位移信號表明制動(dòng)器動(dòng)作部件到達(dá)可靠抱閘位置為止的時(shí)間差，即為制動(dòng)器釋放動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間。

5.2 測試內(nèi)容

在用電梯制動(dòng)器制動(dòng)能力的測試在現(xiàn)場實(shí)梯上進(jìn)行。主要測試包括滿載上行急停測試、125%額定載荷下行急停測試、空載上行/下行急停測試。

在測試時(shí)，記錄轎廂的運(yùn)行加速度曲線以便后續(xù)分析。需要注意的是，由于測試電梯一般為使用一定時(shí)間的在用電梯，且可能存在一些使用和保養(yǎng)缺陷，故在進(jìn)行制動(dòng)能力測試之前應(yīng)對電梯進(jìn)行檢查以確認(rèn)：1）平衡系數(shù)不能過大或過??；2）曳引輪槽沒有嚴(yán)重磨損；3）曳引繩沒有嚴(yán)重磨損，潤滑正常，表面沒有太多油污或銹蝕；4）曳引能力正常；5）電梯上行或下行超速保護(hù)裝置正常。

如上述幾個(gè)方面存在問題，則可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行制動(dòng)能力測試工況的調(diào)整，如進(jìn)行特定載荷（小于125%額定載荷）下行急停測試，或進(jìn)行滿載上行、空載下行測試。

5.3 測試結(jié)果與分析

選用1臺(tái)在用的電梯作為測試樣梯，電梯的基本狀況和制動(dòng)器的性能參數(shù)為：額定速度1.50 m/s，額定載荷1 000 kg，提升高度14.09 m（服務(wù)樓層6/6），服役時(shí)間187個(gè)月，制動(dòng)器為鼓式、2組、無監(jiān)測， 啟動(dòng)電壓45.5 V，釋放電壓17.77 V，響應(yīng)時(shí)間為106 ms。

部分測試結(jié)果如圖11所示。由測試結(jié)果數(shù)據(jù)可知，本報(bào)告中所涉及的測試電梯均為使用一段時(shí)間的在用電梯，許多電梯的服役時(shí)間超過15 a，為老舊電梯。在現(xiàn)場測試時(shí)，主要測試記錄了制動(dòng)器的吸合（啟動(dòng)）和釋放電壓、響應(yīng)時(shí)間以及空載上行、空載下行、滿載上行和125%下行時(shí)的制停曲線。

圖11 制動(dòng)性能曲線

通過測試數(shù)據(jù)和曲線可知，大部分被測在用電梯的制動(dòng)器性能可滿足正常工作的要求，但仍存在以下幾個(gè)方面的問題：

1) 部分制動(dòng)器存在釋放動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間過大，可能造成制動(dòng)器不能及時(shí)抱閘，緊急制停時(shí)尤其危險(xiǎn)；

2) 部分制動(dòng)器的吸合（啟動(dòng)）和/或釋放電壓過低（相對于額定電壓），造成這種現(xiàn)象的原因可能是電磁線圈損壞或存在剩磁，致使制動(dòng)器發(fā)生誤動(dòng)作或釋放延遲的風(fēng)險(xiǎn)增大；

3) 部分機(jī)械部件雙制動(dòng)器存在兩邊機(jī)械動(dòng)作不同步的問題。嚴(yán)重時(shí)，現(xiàn)場能聽到明顯的兩聲“啪”。吸合（啟動(dòng)）動(dòng)作不同步時(shí)，可能造成曳引機(jī)單側(cè)帶閘運(yùn)行，加速單側(cè)磨損；釋放動(dòng)作不同步時(shí)，可能造成制動(dòng)力可能不足，加速單側(cè)磨損；

以測試結(jié)果為基礎(chǔ)的其他方面的分析，例如：與使用時(shí)間相關(guān)的制動(dòng)器性能退化分析等，有待對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行更深的挖掘以及更進(jìn)一步的討論和分析。

6 結(jié)語

通過對電梯正常停止和緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器的制動(dòng)力矩計(jì)算，以及對緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)器上制動(dòng)輪與閘瓦的力學(xué)特征進(jìn)行分析，可得：1）緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器所受制動(dòng)力矩較大，故在設(shè)計(jì)制動(dòng)器時(shí)需重點(diǎn)考慮該情況下的應(yīng)力變化；2）制動(dòng)輪最大應(yīng)力位于制動(dòng)輪與曳引輪的軸連接處；3）閘瓦所受應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，需要考慮疲勞損傷問題；4）閘瓦的最大應(yīng)變與制動(dòng)力矩間基本呈線性關(guān)系；5）制動(dòng)輪和閘瓦由于摩擦作用，使得應(yīng)變不斷增加，會(huì)造成制動(dòng)效果逐漸變差，故壽命檢測至關(guān)重要。