电梯限速器与安全钳安全连杆失效分析及优化改进

王文凯，张文忠,张红坤,黄 何

(1.河南省特种设备安全检测研究院安阳分院，河南 安阳 455000；2.河南省锅炉压力容器安全检测研究院南阳分院，河南 南阳 473000)

随着城镇化水平的提高和居住条件的改善，电梯已经成为人民群众生活中必要的垂直交通工具。随着电梯保有量的快速增加，电梯的一些安全问题已逐渐显现出来，严重影响人民群众的生命财产安全，特别是电梯的安全保护系统失效，会带来特别大的事故隐患。

电梯安全钳是电梯的主要安全部件之一，它的作用至关重要。安全钳能否正确动作取决于限速器-安全钳联动系统的可靠性。如果联动系统中的某个部件失效，那么整个电梯下行超速及坠落保护将完全失效。文章通过一次电梯检验中发现的限速器-安全钳联动系统失效的案例，对联动系统中横连杆进行了应力分析和计算，并给出了优化和改进的方案，以满足电梯安全的要求。

1 失效案例

2020年4月，我院检验人员对本市某小区的一台电梯进行定期检验，该电梯额定载重量为1000kg，额定速度为1.75m/s。在按照《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》(TSG T7001-2009)附件A 检验内容、要求与方法8.4的方法做限速器-安全钳联动试验时发现：轿厢空载以检修速度向下运行，人为分别使用限速器和安全钳的电气安全装置动作，轿厢停止运行；短接限速器和安全钳的电气安全装置，控制轿厢以检修速度向下运行，人为动作限速器机械部分，轿厢未有效制停，继续向下运行，检验人员现场判断限速器-安全钳联动试验失败；经维保人员现场维修调整后再次进行试验，联动试验仍然失败。

根据国家标准《电梯制造与安装安全规范》中9.9.4规定，限速器动作时，限速器绳的张力不得小于以下两个值的较大值：安全钳起作用所需力的两倍或300N。轿厢应装有能在下行时动作的安全钳，在达到限速器动作速度时，甚至在悬挂装置断裂的情况下，安全钳应能夹紧导轨使装有额定载重量的轿厢制停并保持静止状态。

2 风险分析

2.1 限速器-安全钳的作用过程

限速器-安全钳是电梯最重要的防止超速、坠落的安全保护系统，限速器通过限速器绳与电梯轿厢连接。限速器实时监测电梯的运行速度，当出现超速情况时，即超出电梯额定速度的115%时，限速器能够切断电梯的安全电气装置，从而实现切断供电电路，使电梯制动器动作制停连接轿厢的钢丝绳，实现轿厢停止。如果电梯轿厢仍然不能停止则会使安装在轿厢底部的安全钳动作，安全钳将夹紧导轨，使轿厢强制制停在导轨上。限速器是电梯速度监测部件，而安全钳是电梯超速时的强制封停执行部件。电梯有了限速器和安全钳的联合作用才能称为“安全电梯”。

限速器有两种类型：(1)摆锤式，摆锤式限速器一般是采用限速器轮上的凸轮以带动摆锤进行摆动，摆锤摆动的振幅和频率会随着绳轮转速的增加而不断增加，如果出现绳轮转速接近或者达到额定速度，那么摆锤会触发限速器的安全开关动作，使绳轮制停，完成电梯的制动，甚至进一步拉动安全钳动作进行制停保护。(2)离心式，离心式限速器工作原理是利用连杆机构使甩块与限速器同步转动，如果电梯运行速度超过了额定速度，在离心力的作用下甩块会向外甩开，甩到一定程度时电气开关会因此动作，此时制动器应抱闸使电梯减速。若是电梯的速度继续增大，当达到限定值时，棘爪便会动作，棘轮在棘爪的带动下开始转动，钢丝绳钳块便会夹住限速器绳，进而拉动安全钳动作而完成电梯的制停。

2.2 系统失效后的危害

限速器-安全钳联动功能失效，一旦电梯在超载状态下或控制系统与制动器零部件出现故障时，电梯不受控制，轿厢发生下行超速甚至坠落，产生的强大冲击力对轿厢内乘客产生伤害以及设备损坏，会造成不可预估的安全事故。特种设备安全技术规范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》中规定，在定期检验时，轿厢空载，以检修速度下行，进行限速器-安全钳联动试验，限速器安全钳动作应当可靠。这次检验中该设备不满足要求，检验判定为不合格。

3 失效原因及应力分析

3.1 故障原因

经现场检查限速器-安全钳联动机构，如图1所示。限速器动作正常，安全钳未动作，没有夹紧轨道。检查发现，安全钳为可调节渐进式安全钳，封记完好，无明显异常现场。检测限速器-安全钳安全连杆，发现连接安全钳的横连杆断裂，无法将限速器绳的张力传递到安全钳上。

图1 限速器—安全钳联动示意图

断裂的横连杆图2所示。

图2 断裂的横连杆

正常的横连杆位置及连接如图3所示。

图3 正常的横连杆

横连杆A点连接安全钳的竖拉杆，B点、C点与横转轴固定传递力矩。限速器-安全钳联动试验中，轿厢向下运行，由于限速器已经人为动作，横转轴不跟随轿厢向下运行，限速器钢丝绳张力通过拉杆、横转轴B点和C点传递，由A点提起安全钳，使安全钳夹持到轨道上制停轿厢。

3.2 应力计算

造成横连杆断裂的直接原因是该装置承受不了试验带来的扭矩，导致C孔部位下端破坏性断裂，继而上端扭曲变形。同时由于C点处受力面截面积过小，强度不够，导致断裂。

图4 横连杆结构及受力示意图

该横连杆断裂位置可通过截面抵抗矩来计算，其意义在于在弹性状态下计算某一构件断面最不利位置的最大应力，截面抵抗矩:W=bh2/6。W为截面抵抗矩，其中b为垂直于弯矩作用方向的长度，h为截面厚度，单位为mm。经计算，结果为69.4mm3。Q235钢的抗拉强度在370～500Mpa之间，该点力矩最大在256.8～347N·m，通过力矩计算限速器绳受力为2054.4N～2776N，依据标准规定限速器动作时，限速器绳的张力不得小于以下两个值的较大值：安全钳起作用所需力的两倍或300N。查阅该设备的安全技术资料(图5)，限速器提拉力设计范围是1000N～2000N，从实际的计算来看该装置安全系数不足，在考虑机械安装偏差、轿厢偏载等情况下会发生单侧应力集中超出安全值，继而引发连杆塑性变形，局部破坏失效。

图5 电梯安全技术资料(限速器)

3.3 有限元软件分析

考虑在三个孔的位置，只给线约束，或只给线载荷，承受约束或载荷的只是一条线，就是下图中所标的力箭头对应的那条线。力最大的一种情况就是最左端和最右端的孔线约束，中间孔加向上的力，大小为1650N，这个时候构件的最大应力为199.7兆帕，最大应力位置就是实际破坏的那个位置。

图6 有限元软件分析图

4 优化改进处理

通过上述有限元软件分析，横连杆在正常情况下不存在断裂可能，199兆帕还没达到该连接件材质Q235钢的屈服极限，也就是说连永久性的塑性变形都不会有。但是考虑安全系数的话，这样的强度是不太够的。Q235钢抗拉强度一般为370兆帕到500兆帕之间，此时的安全系数在1.85到2.5之间。这与计算出来的安全系数基本一致，但对于电梯设备来说，在未考虑到偏载、动载等情况下，静态计算下只有2左右的安全系数有点低，难以满足实际需求。

由此可知，对安全钳安全连杆的优化改进，可以考虑通过增大横连杆受力处的截面积，以提高安全系数。本案例中，电梯制造单位通过在电梯上更换受力截面积增大的横联杆，提高安全系数。对该电梯再次进行检验，限速器-安全钳联动试验成功，检查横连杆无松动和裂纹现象。

5 结论

电梯限速器-安全钳联动功能失效，电梯超速和坠落的情况下将受不到有效保护，造成的安全风险是巨大的。对电梯部件制造厂家而言，一定要在设计制造时考虑足够的安全系数，避免类似问题发生，并对该型式的安全连杆的安全性能进行评估，及时召回有安全隐患的部件。对于维护保养单位，在平时使用、保养环节中要严格按照TSG T5002—2017《电梯维护保养规则》及厂家维护保养手册维护保养电梯，在年度保养中需仔细检查安全钳拉杆连接部件，对连接杆进行检查调整，做好检查标记。在限速器-安全钳试验后需检查安全钳提拉机构，检查连接杆是否有松动、裂纹等现象，确保联动机构安全稳定运行。在实际电梯设计制造中该部位的连接形式多种多样，而且多数在轿厢顶部等难以观察的位置，建议相关标准制定单位能够将该部位设计要求明确，并设计联动机构简易可靠的检验方法，以确保电梯安全运行。