老旧电梯评估中有关层门问题的探究

2019-04-22

中国特种设备安全 2019年12期

（天津市特种设备监督检验技术研究院天津 300192)

在电梯安防体系中，电梯层门是乘梯人乘坐电梯接触的第一道屏障，也是电梯安全的第一道防线，能够有效地将乘梯人与电梯运行井道空间隔开。近年来，接连在电梯层门区域发生的多起人员伤亡事故，已引起监管部门、社会和公众的普遍关注。通过对典型事故案例的分析发现，电梯事故中很大一部分原因是乘客没有遵守正确乘梯安全须知，在电梯运行中撞击、踢踹电梯层门，这些鲁莽的行为导致了层门门扇产生变形，进而引起上、下导向或限位装置脱轨或脱槽，最终酿成坠入井道、跌入底坑等安全事故。而随着电梯使用年限的增加，一些使用数年以上的老旧电梯层门系统部分零部件存在不同程度的老化、磨损、脱落、变形等失效，导致层门系统安全状况参差不齐，尤其是使用年限达到15年及以上的老旧住宅电梯，层门系统零件老化变形现象更为严重，给使用环节埋下了更多潜在的安全隐患。更为严重的是，目前全国将近400多万台在用电梯是按照GB 7588—2003及更早以前标准设计制造，受当时材料、技术等诸多限制，加之年久失修带来的累积损伤，这个阶段生产制造并投入使用的电梯层门系统安全状况是亟需迫切了解和掌握的情况。问题的解决将提高年度安全隐患专项整治的针对性、有效性。

1 老旧电梯层门问题汇总分析

本文基于天津市2016年和2017年老旧电梯评估的数据样本进行调研、抽查和分析等，弄清在用电梯层门与GB 7588一号修改单标准的符合情况，提出在用电梯层门系统存在的问题、风险和针对性解决措施。经统计，使用年限为15年及以上的在用电梯层门系统存在问题占比见表1所示。

表1 使用年限为15年以上的在用电梯被抽样本存在问题统计

根据表1，门绳吊轮老化或损坏、层门导靴磨损严重或缺失及门锁滚轮老化或损坏是层门系统存在最突出的问题，占比分别为22.6%、18.95%、19.07%。可见破损严重有关部件都是层门频繁相对运动的部件，主要以悬挂装置部件和门锁部件为主，其原因为：

1）在调研检查过程发现，大部分15年以上的在用电梯门绳轮或者轮缘为尼龙材质，由于百十万次频繁开关门，使得运行钢丝绳与轮缘摩擦磨损，加之温度湿度运行环境变化，导致尼龙轮缘出现老化和损坏；

2）正常开关门过程，导靴起到导向和约束层门开关垂直方向自由度的作用，能够防止由于失误情况下的层门脱槽内陷井道。其结构主要是金属材质滑块（可当应急导向装置）或外包尼龙材质。在使用过程中可能会由于频繁开关门及维修保养不到位，出现导靴定位螺栓螺母松脱掉落，导靴与地坎槽摩擦磨损或外包尼龙材质日久老化磨损甚至生活垃圾落入地坎槽导致维保人员为减少门锁故障而任意调高导靴等情况，如果此时乘客人为踢踹层门将极易发生跌入井道地坑的危险；

3）门锁滚轮的作用是当电梯到平层范围内，门刀插入门锁滚轮，在门机带动下打开层门。一般而言，门刀是金属材质，门锁滚轮轮缘是橡胶材质，在每一次停梯平层开门的过程中门刀与门锁滚轮都会发生相对运动，容易导致门锁滚轮老化和磨损[1]。

2 在用电梯层门系统性能试验

由于层门强度检查无法在现场进行检验，本文选取三种有代表性的在用层门，进行实验室摆锤试验。

2.1 试验平台的搭建

按照GB 7588—2003及其第1号修改单附录J要求，试验摆锤为一个皮革制成的冲击小袋，内部装填直径（3.5±1）mm的铅球，其总质量为（45±0.5）kg。[2]图1（a）为软摆锤试验装置示意图，试验装置在一定的高度释放软摆锤，进行试验。H为跌落高度，H=800mm；H1（图1中⑤）为撞击点高度，H1=1m。

试验过程要求及注意事项：

1）在触发之前，应设置一个三角形勾挂装置，在触发装置上使摆锤冲击装置的重心与提拉钢丝绳在一条直线上；悬挂的摆锤冲击试验装置通过提拉和触发装置的牵引由被测层门正面向上提起，提升高度H=800mm。在释放的瞬间触发装置不应对摆锤冲击试验装置产生附件冲击；悬挂钢丝绳应勾挂住摆锤试验装置而没任何扭转，以防止在触发后摆锤冲击试验装置产生翻转。

2）摆锤冲击试验装置应所需的高度下释放，摆锤冲击点在宽度方向上为面板中心点，高度方向上为面板设计地平面上方1.0m。

3）试验合格标准判定：1）可能有永久变形；2）门装置的完整性应没有损坏，门装置应保留在原位置，且凸进井道的间隙不应大于0.12m；3）在摆锤试验后，不要求门能够运行；4）对于玻璃部门，应无裂纹。

图1 软摆锤冲击装置

2.2 试验层门的选取

根据调研情况，在用电梯层门存在三种典型结构：1）内侧无加强筋；2）内侧有纵向加强筋；3）内侧有横向加强筋。选取了单根纵向加强筋型、无加强筋型和双根横向加强筋型的在用电梯层门各一扇（相同材质，均为Q235钢板），对其进行软摆锤试验，见图2。

图2 三类不同结构层门实物图

2.3 试验结果

●2.3.1 单根纵向加强筋型

单根纵向加强筋型层门其高度为2115mm，宽度为475mm，厚度为1.2mm，经过试验后该层门门扇产生严重的塑性变形，形变量约为38mm，门扇、导靴及门扇悬挂板完全脱离地坎槽，导靴产生了变形和脱落，见图3（a）、图3（b）、图3（c）。

图3 单根纵向加强筋型层门试验后状态

●2.3.2 双根横向加强筋型

双根横向加强筋型层门其高2140mm，宽475mm，厚度1.8mm。经过试验后该层门门扇产生塑性变形，形变量为25mm，门扇悬挂板脱落导致门扇脱离滑到，而导靴未脱离地坎槽，因为该门扇除导靴外下端部有一部分深入到地坎槽内，有效地使层门下端保持到原位，见图4（a）、图4（b）。

图4 双根横向加强筋型层门试验后状态

●2.3.3 无加强筋型

无加强筋型层门其高2100mm，宽410mm，厚度1.2mm，经过试验后该层门门扇产生塑性变形和弹性变形，弹性变形恢复后，塑性形变量为45mm，门扇及导靴完全脱离地坎槽，见图5。

图5 无加强筋型层门试验后状态

通过对在用电梯典型结构型式层门进行软摆锤试验，观察到上述三种结构型式层门均存在不同程度的塑性变形，脱离原保持位置，门扇、下导靴和门扇悬挂板不同程度地脱离地坎槽或门头滑道，导靴也受到了不同程度的冲击变形和脱落。即层门系统完整性被破坏。

软摆锤撞击瞬间引起较大弹性变形，导致门吊板滑轮与门头导轨因瞬时变形而产生上提的位移，门导靴与地坎槽因瞬时变形而产生上提位移，进一步导致两者滑脱门头导轨和地坎滑槽。受摆锤冲击产生的位移量是门扇本身强度、刚度及稳定性的综合直观反映，要弄清受摆锤冲击产生的位移量是由于层门本身强度不足引起的还是层门悬挂机构薄弱引起的应单独分析门扇本身的强度。

3 层门系统有限元数值分析

层门系统整体抗冲击性、刚度、强度等性能与门扇和层门悬挂装置有密切相关。根据软摆锤试验结果，门扇、导靴或门扇悬挂板不同程度脱离地坎槽或门滑道，导靴和悬挂门板吸收了部分摆锤冲击能量。为进一步分析在用电梯层门门扇本身强度，确定门扇本体的真实最大形变量是否为导致导靴脱离地坎槽的原因，本节将上述三种结构型式的在用电梯层门在ANSYS有限元分析软件中建立简化模型并进行网格划分，基于现场试验提供的数据和方法，设置了冲击载荷与边界条件，对电梯层门受力及变形等特征量予以量化，模拟电梯层门受到与摆锤试验相同大小位置冲击的物理过程[3]。具体步骤如下：

3.1 层门模型尺寸。

在ANSYS预处理模块中，采用ANSYS命令流输入程序，分别建立三种层门的模型，定义门扇高度、门扇宽度、门扇厚度、门框宽度、门框高度、加强筋宽度和加强筋厚度等主要参数。加强筋和门扇接触简化为全局接触，通过现场测量得到三种不同结构层门的具体尺寸[4]。

3.2 层门材料特性

定义材料为Q235，屈服强度为235MPa，线性弹性杨氏模量为2.0×105MPa，泊松比为0.3。

3.3 网格划分及边界约束

网格划分采取标准三角形网格，网格密度选择良好；定义边界条件为门扇四角X，Y，Z方向全部约束。

3.4 施加荷载

设软摆锤冲击的冲量为I，冲击时间为t，已知软摆锤坠落高度H=800mm，质量M=45kg，重力加速度g=9.8m/s2，假设冲击过程为力的三角脉冲，则在冲击时力脉冲幅值F为：

根据层门受冲击变形的实验数据，不断修正有限元计算模型总冲击时间t，获得与之对应的脉冲幅值F。

经重复计算和查阅相关文献，比对实验数据后发现，当冲击时间t=0.1s时，施加力F=3564N，有限元计算获得变形过程与实验数据吻合度较高，由此确定加载过程为0.05s（半程达到最大变形）[5]。由于层门的变形会涉及非线性的塑性变形区域，因此求解器选择非线性求解器。设定载荷与时间的关系如图6所示。

层门最大变形发生在冲击力达到最高的时间，因此只需要计算一半的冲击过程即可，如果需要研究冲击全过程，则需要塑性区的卸载过程，本文仅研究最大变形。根据理论计算，施加线性力为3564N，施加载荷位置为门扇高1m处，加载过程为0.05s。最终得到X，Y方向上的应力云图（X，Y方向延伸构成门扇平面）和Z方向形变量云图（Z方向为门扇受冲击方向）以及受冲击点Z方向形变量随时间变化曲线。

这样就在ANSYS软件中模拟了层门受到与挼摆锤试验等效冲击的完整过程，具体流程提见图7。

图6 载荷与时间关系图

图7 ANSYS模拟层门软摆锤试验流程

3.5 计算结果

●3.5.1 单根竖直加强筋型

根据图8～图11，由X方向应力云图和Y方向应力云图可以看出，单根竖直加强筋型层门在受到摆锤冲击后所受到的最大应力超过了材料的屈服极限，最大应力分布在冲击点周围竖直加强筋的两侧，竖直加强筋起到增加刚度的重要作用。由Z方向形变量云图了弹性形变，在0.03s前随着摆锤冲击的加剧，冲击点附近应力逐渐达到了材料的屈服极限，随后弹性形变逐渐恢复塑性形变逐渐增加，最终在0.05s时达到塑性形变最大值。

图8 单根竖直加强筋型层门Z方向形变量图

图9 单根竖直加强筋型层门X方向应力云图

图10 单根竖直加强筋型层门Y方向应力云图

图11 单根竖直加强筋型层门受冲击点Z方向形变量随时间变化曲线

●3.5.2 双根水平加强筋型

根据图10～图15，由X方向应力云图和Y方向应力云图可以看出，双根水平加强筋型层门在受到摆锤冲击后所受到的最大应力超过了材料的屈服极限，最大应力分布在层门正中央和靠下的加强筋部位，水平加强筋的设计起到了缓解应力集中的作用。由Z方向形变量云图可知门扇冲击点附近发生了塑性形变，最大形变量为25.9mm，因为选取的双根水平加强筋型层门厚度大于其他两种类型，所以形变量最小。通过受冲击点Z方向形变量随时间变化曲线可以看出，门扇在0.01在0.03s这内时间内发生了弹性形变，在0.035s前随着摆锤冲击的加剧，冲击点附近应力逐渐达到了材料的屈服极限，随后弹性形变逐渐恢复塑性形变逐渐增加，最终在0.05s时达到塑性形变最大值。

图12 双根水平加强筋型层门Z方向形变量云图

图13 双根水平加强筋型层门X方向应力云图

图14 双根水平加强筋型层门Y方向应力云图

图15 双根水平加强筋型层门受冲击点Z方向形变量随时间变化曲线

●3.5.3 无加强筋型

根据图16～图19，由X方向应力云图和Y方向应力云图可以看出，无加强筋型层门在受到摆锤冲击后所受到的最大应力超过了材料的屈服极限，最大应力分布在层门中部大部分位置，因此此类层门强度明显低于同尺寸其他两种类型。由Z方向形变量云图可知门扇冲击点附近发生了塑性形变，最大形变量43.7mm，因为选取的无加强筋型层门宽度小于其他两种类型，所以才没有更大的形变量。通过受冲击点Z方向形变量随时间变化曲线可以看出，门扇在0.01在0.025s这内时间内发生了弹性形变，在0.03s前随着摆锤冲击的加剧，冲击点附近应力逐渐达到了材料的屈服极限，随后弹性形变逐渐恢复塑性形变逐渐增加，最终在0.05s时达到塑性形变最大值。

图16 无加强筋型层门Z方向形变量云图

图17 无加强筋型层门X方向应力云图

图18 无加强筋型层门Y方向应力云图

图19 无加强筋型层门受冲击点Z方向形变量随时间变化曲线

根据上面数值模拟分析，比较三种结构型式层门在施加软摆锤冲击工况下的变形量，提取结果见表2。

表2 软摆锤试验和ANSYS仿真形变量结果比对

由表2可知，在不排除试验现场误差的基础上，软摆锤试验数据和ANSYS仿真数据结果基本吻合。由此可以判断，选取的三种类型的层门在软摆锤试验后都满足凸进井道的间隙不应大于0.12m的要求，因此在完全约束门扇的条件下，其本身的强度符合要求，最大形变量不是导致导靴脱离地坎槽的主要因素，而配合悬挂机构后的层门整体抗冲击性无法满足要求是导致导靴脱离地坎槽的主要因素，从而软摆锤试验破坏了层门系统的完整性。

4 针对在用电梯层门存在问题的改进措施

根据以上分析，按照GB 7588—2003或更早以前的标准设计制造的在用电梯，其层门系统质量合格堪忧，给使用环节遗留下很大安隐患。根据GB 7588—2003第1号修改单及检规的有关要求，层门的悬挂装置需要进行必要的改进，从而达到增加其整体层门系统的强度，保证在受到冲击后能保持自身完整性。需要以下改进措施：

1)增加导靴和地坎槽啮合深度。经调研，在用电梯层门导靴的啮合深度在13mm左右，如果通过加深地坎槽来加大这个啮合量，如果达到20mm以上可以提高抗冲击性。

2）增加层门安全保持装置。一些电梯制造企业在GB 7588—2003及其第1号修改单实施后，也增加了类似美国标准中层门安全保持器的装置，在门扇下端焊接一个防撞挡板，使其在地坎槽内随门扇运动，当受到外部撞击时可以有效地增加门扇和地坎的啮合面积，使层门保持在原有位置，不脱离地坎槽，一定程度上防止了门滑块脱槽的风险，见图20。