电梯制动器制动轮力学特性分析及改进

陈祥卓

（福建省特种设备检验研究院泉州分院，福建泉州 362010）

0 引言

电梯的广泛应用为人们的生产生活带来了极大的方便，其中块式制动器在电梯中的应用非常广泛[1-2]，但在实践过程中，经常会发生由于块式制动器本身的性能问题而导致的电梯安全事故，比如冲顶事故、溜车事故等[3-4]。电梯在使用中一旦出现上述故障问题，便会严重威胁乘客的人身安全。制动轮是块式制动器中的核心零部件，紧急制动工作条件下，其受力情况会直接影响制动效果[5-6]。因此非常有必要对电梯制动器制动轮的受力特性进行分析和研究，从而找到制动器在运行时的危险点，在此基础上对其进行优化改进，提升紧急制动时制动器的制动效果及其运行稳定性，保障电梯的安全运行[7]。

1 电梯制动器整体结构

电梯制动器类型有很多种，常见的包括鼓式制动器、块式制动器、碟式制动器等，不同类型的制动器各自有其优缺点，其中块式制动器以其显著的优势在乘客电梯中得到了非常广泛的应用。本文主要以块式制动器作为研究对象，其整体结构如图1所示。

图1 电梯块式制动器整体结构

在曳引机上对块式制动器进行安装，其中曳引机上的曳引轮和制动器上的制动轮刚性连接，两者实现同步运转，通过这种方式，制动器可以对曳引机进行制动。块式制动器工作过程中主要包含两个过程，分别为抱闸和松闸。抱闸过程中，电磁线圈断电导致电磁力消失，制动动板在弹簧力的作用下运动，并推动闸瓦抱紧制动轮，在摩擦力的作用下实现制动。松闸过程与上述过程相反，电磁线圈通电产生电磁力，且电磁力大于弹簧的弹力，制动动板在电磁力的作用下带动闸瓦脱离制动轮，闸瓦与制动轮之间的摩擦力消失，失去制动效果。

基于上述的电梯块式制动器工作原理可以看出，其在制动过程中主要依靠闸瓦和制动轮之间的摩擦力实现制动。因此制动器制动轮在制动过程中的力学特性显得尤为重要，会直接影响制动器的制动效果。

2 电梯制动器制动轮模型建立

由于在紧急制动工况条件下，电梯块式制动器在制动过程中起关键作用的是闸瓦和制动轮，因此在建立模型时主要建立上述两个核心零部件的模型。

2.1 三维模型建立

通过SolidWorks三维模型软件建立电梯制动器制动轮和闸瓦的三维模型。模型建立过程中，为了方便后续有限元模型的建立，提升计算效率，针对计算结果不会产生显著影响的细节进行忽略。如图2所示为建立的制动轮和闸瓦三维模型，模型中涉及到的参数全部按照实际情况进行设置，制动轮的直径为653 mm，闸瓦的宽度和包角分别为80 mm和17°。后续要将建立好的三维模型导入到Abaqus有限元软件中进行受力分析，因此需要将模型导出为STL格式。

图2 制动轮和闸瓦的三维模型

2.2 有限元模型建立

将建立好的三维模型导入到Abaqus软件中建立有限元模型。

（1）网格划分

软件中提供了多种形式的网络类型，不同网格类型以及网格单元大小对计算过程和结果均有一定程度的影响。在充分考虑实际情况的基础上，选用的网络类型为六面体的C3D8R网格。网格单元尺寸越大，计算效率越高，但结果越粗糙；相反的，网格单元越小，计算效率较低，但可以得到相对比较精确的结果。因此需要对网格单元大小和结果精度进行权衡。本研究中利用软件进行自动网络划分，得到的制动轮单元数量和节点数量分别为679 544和739 909，每个闸瓦单元数量和节点数量分别为25 229和29 807。

（2）材料参数

通常情况下，块式制动器中制动轮的使用材料为Q235，闸瓦的使用材料为复合铜网板。Q235钢的弹性模量和泊松比分别为200 GPa和0.3，比热容、热传导系数和热膨胀系数分别为510 J/kg·℃、45 W/mm·℃和8.2×10-6℃-1。复合铜网板的弹性模量和泊松比分别为1.3 GPa和0.25，比热容、热传导系数和热膨胀系数分别为1 200 J/kg·℃、0.9 W/mm·℃和18×10-6℃-1。Q235钢和复合铜网板之间的摩擦因数设置为0.38。

（3）其他条件设置

模型中需要设置的其他参数全部按照电梯实际情况设置，轿厢质量和额定载荷分别为1 650 kg和1 000 kg，配重大小为2 150 kg，电梯的额定运转速度和曳引机转速分别为2.5 m/s和960 r/min。模型初始温度设置为室温，即20℃。

模型建立完成后，可以调用Abaqus软件的分析计算模块对模型进行分析计算，最终提取结果进行分析。

3 模型计算结果分析与探讨

3.1 制动阶段制动轮接触区域的力学特征

图3 紧急制动过程中制动轮接触区域的受力演变情况

图3所示为电梯在紧急制动时，制动器在制动过程中制动轮接触区域的受力情况分布图。从图中可以看出，在制动过程中随着时间的延长，制动轮与闸瓦相互接触的区域，受力慢慢加大，在280 ms时达到最大值，为313.4 MPa。在制动轮宽度方向上，中间位置的应力最大，越往边缘其受力越小。出现这种情况的原因在于，制动轮与闸瓦通过摩擦制动，在此过程中摩擦做功产生的热量基本都被制动轮和闸瓦吸收，使其温度升高。制动轮边缘区域由于直接与外界接触，其散热速度相对较快，而中间位置由于没有与外部直接接触，其散热速度比较慢。因此制动轮中间位置的温度相对较高，根据热胀冷缩原理，中间会产生热膨胀现象，导致该区域与闸瓦之间的挤压力更大。

电梯在紧急制动时，块式制动器主要依靠制动轮和闸瓦之间的摩擦力进行制动，基于上述受力分析结果可以看出，在宽度方向上制动轮的受力不均匀，而接触应力的大小会直接影响摩擦力大小，意味着在宽度方向上制动轮的摩擦力也不均匀，但是摩擦力可以保持左右对称，所以摩擦力在宽度方向上分布的不均匀性不会对制动过程稳定性造成显著的影响。

3.2 制动轮寿命分析

紧急制动情况下，制动轮在制动过程中会继续旋转，真正参与制动的是与闸瓦直接接触的区域，该区域在制动时会产生大量的热量和接触应力，一旦与闸瓦脱离接触，对应位置的应力就会消失。可以看出制动轮的受力有周期循环的特点，表明制动轮表面容易出现疲劳损伤问题。在宽度方向上制动轮中间位置的应力最高，因此该位置最容易出现疲劳裂纹。块式制动器制动轮的使用寿命可以根据Manson-Coffin模型进行分析估算。制动轮的生产制作材料为Q235，该材料涉及到的模型技术参数主要包括疲劳强度系数为300 MPa，疲劳强度指数为-0.08，疲劳延性指数为-0.462。将上述技术参数代入寿命预估模型中，可以计算得到不同应力状态下制动轮的寿命。当接触应力处于最大值313.4 MPa时，计算得到的使用寿命约为15 581次。

4 制动轮改进研究

以上针对电梯块式制动器在紧急制动情况下，制动轮在制动过程中的受力情况及其寿命进行了定量的分析与研究，可以发现在宽度方向上，制动轮中间区域的受力最为显著，该位置最容易出现热疲劳损伤，进而引发制动器的故障问题，威胁电梯运行安全。因此有必要对制动轮进行优化改进，以提升其使用寿命。最简单的方法就是直接更换制动轮的生产制作材料，提升制动轮的抗疲劳强度。这样可以保证零部件在受力相同的情况下，延长其使用寿命。根据已有的文献资料可知，Q345钢具有比Q235钢更好的抗疲劳性能，其疲劳强度系数为385 MPa，疲劳强度指数为-0.103 4，疲劳延性指数为-0.467 4。在保持制动轮基本结构不变的情况下，只是更改生产制作材料，那么在制动过程中表面的受力情况基本不会改变。将Q345钢涉及到的模型参数代入到寿命估算模型中，可以计算得到在最大应力值为313.4 MPa时，对应的使用寿命约为19 863次。与Q235钢相比较而言，使用寿命提升了27.48%。

5 结束语

块式制动器在电梯中有着非常广泛的应用，而制动轮又是制动器中的关键零部件，紧急制动情况下，其受力情况会直接影响制动器的制动效果及使用寿命。本文主要对制动轮的受力情况进行了分析和研究，所得的结论主要包含以下几点。

（1）制动器在紧急制动过程中，随着制动过程的不断推进，制动轮与闸瓦接触区域的应力和摩擦力会逐渐升高，最大应力值达到了313.4 MPa。在制动轮的宽度方向上，应力分布也不均匀，最大应力出现在中间位置，越靠近边缘部位其应力值越小。

（2）紧急制动情况下，制动轮的受力状态属于循环周期载荷，容易出现疲劳损伤，威胁电梯的使用安全。根据Q235钢的材料属性，并结合疲劳寿命估算模型，在应力值为313.4 MPa时，对应的使用次数约为15 581次。

（3）使用疲劳性能更优的Q345钢材料替换Q235钢来制作制动轮，在相同的工况条件下，制动轮的使用寿命可以提升到19 863次，寿命提高了27.18%。