地震中运行电梯对重脱轨原因探讨*

崔健坤，林进展，罗海军

（广东省特种设备检测研究院，广东 广州 501655）

1 地震对电梯对重的影响

发生地震时，高层建筑会发生剧烈摇晃，这种摇晃会导致其中的电梯也发生摇摆。摇摆最初产生的力量主要集中在对重导靴和井道导轨的接触点上。此时可能出现以下几种状况：

（1）如果导轨或导轨支架的强度不够，就会造成导轨松动甚至脱落；

（2）如果导轨和支架的强度足够，而对重导靴的强度不够，就会造成对重导靴松动或脱落；

（3）如果导轨、导轨架、导靴的强度都够，则力量会进一步传递到对重上，当对重上的强度不够或减震性能不好时，则会造成对重的变形或损坏（图1所示）。

上述几种方式中无论哪一种方式，轻则会加剧对重的摇摆，使对重撞击周围的固定部件，如对重撞击对重护栏；重则使对重由沿导轨的定向运动变成无规则的自由运动，进而发生对重和轿厢相互撞击，造成更严重的后果。

2 对重脱轨是造成电梯严重受损的主要因素

图1 对重脱轨事故现场

大地震经常会造成很多电梯发生故障，电梯在地震时的一些问题已经暴露了出来，经常发生以下故障：

（1）井道壁因受地震影响产生不同程度的裂纹；

（2）受脱轨的对重撞击造成部分电梯导轨或支架变形、支架松动、轿顶护栏损坏，轿厢严重变形；

（3）对重框架脱离对重导轨造成电梯损坏（以下简称对重脱轨）。

根据以往相关资料显示：1971年的洛杉机地震，7000台损坏电梯就有700台电梯的对重架脱离导轨；1978年日本宫城县的海上地震，电梯的对重架脱离导轨的有183例；台湾1999年9.21和10.22两次大地震后电梯对重架脱离导轨造成损坏占总损坏数的百分比分别为40.2%和66.3%。

通过以上统计，总结得出：在地震中，对重框架脱离对重导轨造成电梯损坏的形式所占的百分比较大，为了减少在今后的地震灾害中发生对重脱轨的危害，本文主要从改进机械方面阐述一些防止对重脱轨的预防和保护措施。

3 对重脱轨的原因及解决方法

在发生地震时，地震能量主要以一个巨大机械能量的形式释放，因而电梯的抗地震能力和电梯机械强度有关。同时，由于地震力是一个短时间巨大能量的释放，单纯用提高机械强度的办法去抗衡不一定会有最佳效果，因而在考虑适当提高机械强度的同时，还要考虑增加一些能量缓冲装置。以下主要从改进机械方向论述如何提高电梯的抗震能力。

3.1 提高对重导靴的抗震性能

在地震中受损的电梯中，发现对重导靴脱轨现象非常普遍，而轿厢导靴却很少有脱轨现象。实际上在用的中低速电梯中，通常是在轿厢侧使用弹性滑动导靴，在对重侧使用固定滑动导靴。固定滑动导靴的靴头是固定的，由于靴头固定不能补偿轨道的误差，在安装时要与导轨间留一定的活动间隙，故在电梯运行中，尤其是靴衬磨损较大时会产生一定的晃动，当遇到较强的地震时容易发生损坏和脱轨。

对重是通过导靴和导轨连接的，导靴的抗震性能不好，会使这个连接点首先受到破坏。因此，应适当增强导靴的刚性强度和对振动的缓冲性能。导靴的缓冲性来源于导靴前部的弹性装置，而导靴的刚性强度则取决于支持弹性装置的后部刚性部分。由于导靴前部的弹性装置可吸收部分振动能量，当振动通过导靴的弹性部件传到导靴的刚性部件上时，其力量会得到一定衰减，因而弹性导靴的刚性部件可承受比自己强度更大的力。而刚性导靴则不然，即使刚性导靴的强度很好，一旦所承受的力超过自己刚性部件所能承受的强度，就会发生损坏。因此，为了提高电梯导靴的抗震性能，最好使用弹性导靴。

弹性滑动导靴（图2所示）由靴座、靴头、靴衬、靴轴、弹性元件和调节螺母等组成[1]。与固定滑动导靴不同的是，其靴头和靴衬在靴轴方向有一定的伸缩弹性，在工作时靴衬由于弹性元件的压力始终顶在导轨的顶面上，因而可以吸收一定的振动。虽然弹性滑动导靴有一定的减震效果，导靴和轨道间的间隙也较小，但它对轨道的夹持力也较低，因为按滑动摩擦阻力的计算公式F=μN(μ为动摩擦因数)，导靴对轨道的夹持力(即正压力N)越大其运动阻力越大，而且目前广泛使用的弹性滑动导靴在侧面弹性较差，其夹持力比正面更低。目前电梯使用的导靴中，也采用了很多弹性导靴，但这些弹性导靴结构设计的主要目的是为了弥补井道和导轨制造和安装的误差，提高电梯运行的平稳性，而在抗震性能方面考虑得并不是很充分，其抗震性能存在一定缺陷[3]。

在地震发生时，轿厢和对重的摆动方向是随机的，任何一个方向的摆动都有可能发生，目前使用的这种导靴，就很有可能因侧面摆动太大而使轿厢或对重脱离轨道，造成较大的安全事故。因此，为了使电梯导靴有很好的抗震性能，其三个工作面都要保证有很好的缓冲性和强度。而弹性滚动导靴（图3所示）则不一样，弹性滚动导靴恰恰要求导靴对轨道有较好的夹持力，因为如果夹持力太小，滚轮容易在导轨上打滑，而且弹性滚动导靴在轨道的3个工作面上皆有很好的弹性力和夹持力，既能减震又不易滑落。因此在抗震性能方面，弹性滚动导靴要明显好于另外两种导靴，刚性滑动导靴抗震性能最差。从这三种导靴性能区别来看，就是发生地震时造成对重导靴脱轨的原因之一。

图2 滑动导靴

图3 滚动导靴

目前在高速电梯中，弹性滚动导靴用得较多，而在中速和中等偏高速的电梯中，弹性滑动导靴用得较多。建议今后在中等偏高速的电梯中，也尽量使用弹性滚动导靴，因为这些电梯所在的楼层偏高，地震时建筑物上部的摆动可能较大容易产生脱轨故障。在地震中，一般的对重架脱轨后与轿厢相撞，都是对重架在井道上部脱轨，然后从上往下撞击轿厢的轿顶护栏等部件。因此，楼层越高，越要考虑使用弹性导靴以减少轿厢和对重在地震时脱轨的危险。

3.2 提高对重导轨的强度

由于目前电梯市场的激烈竞争，绝大多数电梯厂家都会将产品的对重侧导轨设计成为空心导（图4所示）轨，用来控制成本。而对重侧的实心导轨（图5所示）仅仅用于对重带安全钳的情况下。这种低成本的优化配置也是导致对重在震中损坏或脱轨的一个主要因素。

图4 空心导轨

图5 实心导轨

对重架脱轨的故障主要是发生在空心导轨上。空心导轨的薄弱环节并不在于它是空心的，因为从材料力学上讲，越接近中间的材料，其对抗弯强度的影响越小。空心导轨的真正薄弱环节，是在它的材料和制作方法上。空心导轨一般是由板材经冷态折弯而成，而要使板材在冷态下能被折弯，板材必须具有很好的塑性，同时，板材还不能太厚，否则在弯折时有可能产生裂纹[2]。正是这两个原因，使得空心导轨的抗弯能力不可能很好。因而一旦发生较大强度的地震，空心导轨可能无法抗衡因对重架剧烈摆动产生的较大作用力，最终导致了对重架脱轨。空心导轨的另一个问题是其接头部分的衔接不好。由于空心导轨是冷压成型的，其工作面未经精加工，形状误差较大，同时，又由于空心导轨是板材压制的，不能对接头部分作太多的磨削加工来进行整形，否则会影响板材的强度。这就必然导致空心导轨接头部分误差相对较大，而这种误差只能靠导靴的间隙来弥补，这就进一步加重了对重导靴脱轨的可能性。

电梯轨道是固定在支架上的，如果支架的强度不够，就可能造成支架不稳，进而会影响导轨的稳定性。要提高支架的强度，除了使用强度较好的支架结构外，还不能在支架的导轨连接板上开条形调节孔。这种条形调节孔虽然能方便地调整井道轨道的安装偏差，但遇到地震等较强冲击力时容易发生移位。轨道安装偏差的调整最好用垫片进行调节。另外，在其他情况相同的情况下，支架间距越小，导轨产生的变形越小，发生脱轨的可能性也越小。

现行标准中，对重导轨支架的间距一般不大于2.5 m，如果间距大于2.5 m应当有计算依据的规定，以及没有安全钳的对重导轨可使用成型金属板材的规定，在地震时能否保证对重导轨系统的抗震要求，建议进行安全论证。与此同时，对于地震多发地区，当地质监局可以规定导轨支架安装距离适度减小，用以增强导轨整体强度。

3.3 增加对重导靴啮合深度或对重防脱轨装置

提高地震中对重的防脱轨能力，还可以考虑增加滑动导靴的啮合深度和增设防脱轨装置。

滑动导靴啮合深度的增加会增加滑动摩擦的阻力，导致能耗增加，而且导轨侧工作面长度有限，啮合深度的增加产生的效果也有限[2]。另一种更好的改进方法是在轿厢和对重上增设防脱轨装置。防脱轨装置的结构类似于导靴，但它在平常运行时并不与导轨接触，两者之间留有一定间隙，而一旦轿厢或对重受到较大冲击力产生一定变形或位移时，防脱轨装置就会和导轨接触，起到稳定对重，防止脱轨的作用。使用防脱轨装置可以在不改变原有电梯和导轨结构的基础上增加电梯的抗震性能，同时，防脱轨装置由于平时不和导轨接触，因而除可以在深度方向增加一定尺寸，还可以在高度上增加足够的尺寸，这样不仅可以增强防脱轨装置的强度，而且可以使受力接触面积增大、减小导轨的变形，因而对于防脱轨的效果好。

3.4 提高对重的柔性连接

弹性导靴通过其弹性部件吸收部分振动能量，剩下的振动能量通过其刚性部件传给对重架。此时对重架和对重如果是刚性连接，则能量不会再衰减，而是全部由对重和对重架吸收，如此能量仍很大，则会对对重和对重架造成破坏。对重架和对重如果是柔性连接，则能量在对重架到对重的传递过程中会进一步衰减，最终传到对重的振动能量要小得多，造成的破坏性也小得多。在目前的电梯设计中，只有一部分电梯的对重架和对重的连接是柔性连接，而且同导靴一样，这些设计的初衷并不是为了抗震，因而在抗震方面同样具有明显的缺陷。对重在水平方向的活动是受到严格限制的，其柔性也较差，一旦遇到强度足够大的水平摆动力，对重就有可能在运动中撞击固定部件甚至脱轨。因此，在以后电梯的抗震设计方面，除应考虑适当增强对重和对重架强度，还要考虑在对重和对重架水平方向增加一些柔性连接以作抗震缓冲之用。从抗震的效果上看，对重和对重架之间的缓冲比导靴上的缓冲更重要，因为对重和对重架的重量大，接触面也大，所消耗的振动能量也更大。对重和对重架之间的柔性加上导靴的柔性再加上钢丝绳绳头的柔性，可使电梯获得一个整体柔性，其抗震性能会比只有局部柔性的电梯好得多。

电梯的柔性连接大致可以通过3种方式实现：机械弹簧装置、液压装置、橡胶垫[3]。这3种方式中，液压装置的缓冲效果最好，它不仅具有很好的缓冲作用，而且能通过能量转换方式将机械能变成热能，将振动能量消耗掉，具有明显的衰减振动的作用。而弹簧装置本身不能消耗能量，但它可以储存能量，因而可以缓解振动时的波峰，再通过其他方式(如运动部件的摩擦)逐渐将能量消耗掉。如果条件许可，当首先考虑液压减振，但有时为了节省成本，以及由于空间的限制而不能用液压减振时，也可考虑用弹簧或橡胶垫减振，但要保证一定最低的减振安全要求。

4 结束语

在地震中，电梯对重脱轨很容易受损，进而引发次生灾害。出于提高在用电梯的抗震能力，减少地震灾害中发生对重脱轨的可能性的目的，本文针对地震中电梯运行致使对重脱轨的现象，从对重导靴类型的选型、对重导轨强度、对重导靴啮合深度与加装防脱轨装置、对重的柔性连接四个方面针对防止地震中对重脱轨的影响进行了分析论证，并提出了相应的改进措施和方法。

［1］段晓明.地震中电梯对重脱轨原因浅析［J］.中国电梯，2008，19（21）：15-16.

［2］张传基，赵忠国.轿厢和对重预防地震脱轨的措施及自动保护［J］.中国电梯，2008，19（21）：11-14.

［3］张传基.提高电梯抗震能力的基本措施［J］.中国电梯，2008，19（18）：44-45.