一起电梯制动器螺杆断裂的案例分析

黄 勇 程民豪

（广东省特种设备检测研究院中山检测院 中山 528403）

制动器作为电梯安全保障的重要组成部分之一，它是保证正常运行时电梯可靠平层和紧急情况下轿厢可靠制停的关键部分，其性能关乎电梯的安全运行。对近几年电梯安全事故的分析可表明：电梯冲顶、蹲底及人员剪切伤害等严重电梯运行安全事故一般均与电梯制动器故障有关[1]。制动器传动螺杆断裂关乎电梯制动器的性能，其产生的安全隐患不容忽视。因此，必须分析电梯制动器螺杆断裂可能引发制动器带闸运行的潜在危害并采取预防措施。基于此，本文针对一起电梯制动器传动螺杆断裂导致制动器带闸运行的案例进行深入系统分析，并提出制动器螺杆的改良设计方案及建议。

1 检验现场概述

笔者在电梯定期检验时发现某大品牌多台在用电梯（采用永磁同步主机的HGP型号电梯，制造日期为2010年或2011年）配套的电磁制动器(型号为GHB-500)传动螺杆出现疲劳裂纹，甚至有断裂失效的情况，存在严重安全隐患，如图1、图2所示。

现场检查发现其中一台电梯的制动器传动螺杆完全断裂，导致该电梯单侧带闸运行。该侧制动闸瓦因频繁与制动轮摩擦产生严重升温，相对另一侧闸瓦有较大的磨损量，制动轮表面也磨损出了凹槽。通过查阅物业公司电梯日常巡查记录和询问该电梯维保人员，得知该电梯近几天均在正常运行，再根据制动器磨损痕迹可判断制动器螺杆产生断裂不久，所幸发现及时，未造成安全事故。

其后针对该型号多台电梯的制动器传动螺杆进行检查，亦发现有部分（占比大约3%～4%之间）传动螺杆在其应力集中处出现裂纹，也有个别螺杆断裂失效（占比约为1%）。

2 事故原因分析

图1 螺杆开裂部位

图2 螺杆完全断裂失效

众所周知，电梯制动器控制一般采用“零速”刹车的方式。因此，制动器在电梯正常运行情况下通常不会产生较大的磨损。被检测制动器符合所有参与向制动轮或盘施加制动力的制动器机械部件应当分两组装设[2]的要求。分析检验现场及设备状况，可知造成闸瓦和制动器严重磨损的直接原因是电梯制动器传动螺杆断裂导致电梯单侧制动器带闸运行。电梯制动器螺杆作为臂鼓式制动器的必要部件，直接影响制动器的制动性能乃至整台电梯的安全运行。故此，确保其有效性是毋庸置疑的，下面分别从机械和电气两部分分析电梯制动器螺杆断裂失效的原因。

2.1 机械部分

该螺杆作为制动器的一个零部件，由紧固螺母固定在制动臂顶端，由于制动弹簧对制动臂的压力，螺杆尾部压在电磁铁的顶块上。制动器通电时，电磁铁顶块推动螺杆，从而推开制动臂，达到打开制动闸瓦的功能，故该螺杆在制动器工作中起传动的作用。如图3所示。

图3 螺杆外观及其在制动器所处位置

该螺杆所处位置的基本结构如图4所示，螺杆传动的部分为尾段，以下把螺杆尾段由制动臂露出位置直至螺杆尾部称为“螺杆尾部工作段”。

图4 螺杆位置的基本结构

螺杆工作时理论上只受到轴线方向的作用力，即只受正面压力作用，应该不会断裂。而从螺杆开裂以及断裂的情况看，开裂的位置全是发生在螺杆尾部工作段的根部，并且开裂均由此处（最靠近制动臂的一圈螺纹）的螺纹牙底开始。这里开裂的位置是螺杆受到沿轴线侧向外力时的内部应力的集中位置（见图5），这个侧向外力作用于螺杆尾部，成为螺杆开裂的直接原因。螺杆尾部工作段越长，其根部受到应力力矩越大，内应力幅值越大，这种应力集中在螺纹牙底部。当内应力幅值超出螺杆强度所能承受的范围时，螺杆开裂。

由此，可以推断出导致螺杆断裂的原因有以下几种：

1）电磁铁顶块的施力方向与螺杆轴线的夹角α，超过了生产企业的设计限值，见图6，因而顶块对螺杆尾部产生侧向力。

2）制动臂安装不规范，制动臂运动平面偏侧，螺杆轴线跟随偏侧，螺杆偏侧时尾部受侧向力。

3）由于电梯使用场所是住宅小区高层建筑，使用率高，在制动器打开与闭合的两种工况的频繁切换情况下，对螺杆产生的交变应力使其疲劳断裂，并且在这两种工况下，螺杆会产生一定程度的偏角，螺杆倾斜时尾部受到侧向力增大。

图5 应力分析

图6 顶块对螺杆尾部产生侧向力示意图

4）制动弹簧调整压力过大，增大了螺杆受到的反作用力，如图7所示，该制动臂弹簧压力已经调整到了190%，已经达到了正常范围的上限。

图7 制动弹簧调整压力过大

5）螺杆尾部工作段过长，螺杆长径比过大，即幅度越大，螺杆应力集中处受到的应力幅值越大。

6）螺杆制造工艺有问题，螺杆可能在退火、辗牙、热处理等加工过程中，残留了内部应力，内部应力的释放与外力的叠加使得螺杆开裂。或是螺杆选用的材质不良，使得螺杆的强度未能承受正常工况下产生的载荷。

2.2 电气部分

GB/T 24478—2009《电梯曳引机》提出了电梯制动器动作的监测的具体要求，其4.2.2.2条款规定：

“所有参与向制动轮（盘）施加制动力的制动器机械部件应至少分两组设置，应监测每组机械部件，如果其中一组部件不起作用，则曳引机应停止运行或不能启动，并应仍有足够的制动力使载有额定载重量以额定速度下行的轿厢减速下行。”[3]该型号制动器的抱闸动作验证电气装置设置在电磁铁顶块两侧（如图8所示）。当制动器传动螺杆发生断裂失效，制动器闸瓦无法打开时，制动器监测装置无法有效检测到这种情况发生，未能及时停止曳引机的运转。电梯仍会带闸运行而出现制动性能明显下降甚至完全丧失的现象。在这整个过程中，若使用单位和维保人员未能及时发现螺杆断裂，进行有效的调整和更换，电梯会运行在失控的状态，容易酿成溜车事故。

图8 抱闸动作验证电气装置

3 改良设计及建议

1）使用有效措施，降低螺杆承受的应力，并符合GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》要求。例如电梯制造厂家后期生产的相同型号主机，适当降低长径比，以缩短螺杆露出部分为目的增加紧固螺母，如图9所示。

2）使用较高强度的螺杆，并从设计上进行验证计算，是否能承受频繁应力而不损坏。

3）根据2016年7月1日开始实施的GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》第一号修改单，在使用驱动主机制动器的情况下，自监测包括对机械装置正确提起（或释放）的验证和（或）对制动力的验证[4]。可通过将制动器动作验证电气装置直接设置在制动臂（闸瓦）上，便于电气回路直接检测制动器的动作情况，避免出现上述制动器螺杆断裂，曳引机仍带闸运行的现象。

4）改良设计，优化结构，采用更直接的传动结构，譬如直接作用式的块式制动器或作用在圆盘端面的盘式制动器，避免出现制动器机械卡阻事故。

图9 增加紧固螺母

4 结束语

据统计，上述电梯厂家生产的该型号制动器不在少数，其中大部分仍在使用。电梯制动器螺杆断裂将造成制动闸瓦和制动轮的严重损坏，严重降低甚至丧失电梯的制动性能，而因制动性能下降而引起的电梯事故时有发生，因此，对此类安全隐患应引起高度重视。检验人员在日常定期检验中，对受力复杂的电梯制动部件，应重点检查其是否存在表面裂纹等安全隐患。维保单位应加强日常保养质量，切实加强对安全部件的维护保养，提高维保人员的专业技术水平，增强发现安全隐患的能力，及时发现并解决问题，确保电梯的安全运行。

［1］黄忠林. 一起电梯制动器带闸运行事故原因分析及预防措施[J].中国科技信息，2013（23）：172-174.

［2］TSG T7001—2009 电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯[S].

［3］GB/T 24478—2009 电梯曳引机［S].

［4］张怀继. 电梯制动器自监测要求浅析［J]. 科技视界，2017（13）：92.