一种新型电梯制动器摩擦片的设计

2022-02-22李金泰朱俊臣

今日自动化 2022年11期

李金泰，朱俊臣

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）

1 概述

随着社会的不断发展，高层建筑逐渐增多，电梯已经成为了人们生活中广泛使用的重要设备，随之而来电梯的安全性能引起了人们的重视。电梯是一种高精密度的运输工具，由许多零部件组成，因此存在发生故障和危险的可能性。通过近几年电梯事故分析，电梯发生故障可分为以下两种。

（1）电梯电气系统出现故障；

（2）电梯机械系统不能有效的制停电梯。

另据统计，电梯因门系统和制动器故障引起的事故占总体事故数一半以上。对于门系统故障引起的事故大部分是由于撞门、踹门引起，有一定的偶然性[1-5]；而电梯发生冲顶、蹲底或者溜车的事故则是因为制动器。由于制动器在电梯机房里面，乘客无法事先预知制动器的状态，因此一旦制动故因卡阻等故障引起事故则很难避免。电梯溜车事故如图1所示。为了电梯不发生溜车和坠落的事故，电梯必须设置制动系统，而且必须是一种摩擦型的机——电式制动器，并对电梯制动器状态进行实时监测。

图1 电梯溜车事故

电梯制动器作为电梯重要的机械组成部分，在电梯紧急停止、正常平层时，能够通过摩擦消耗动能的方式，有效地将电梯制停，从而达到预期效果。一旦制动系统失效，对电梯的安全运行将有着极大地威胁[6-9]。近年由于电梯鼓式制动器卡阻、制动力不足等问题导致的轿厢冲顶事故屡见报端，基于此，国家市场监督管理总局部署全国开展电梯鼓式制动器安全隐患专项排查治理行动。从排查结果来看，确实有部分制动器的铁芯存在锈蚀或者铁芯尾部存在卡坑。制动系统能否有效可靠的动作，关系到整个电梯、使用人员以及维护人员的安全，是电梯正常运行必不可少的安全保护装置。由此可见，对电梯制动器性能的监测尤为重要。

2 制动器性能监测存在的问题探讨

目前市面上常见的制动器以鼓式制动器居多，工作时制动闸瓦紧密贴合在制动轮上，制动轮与曳引轮同轴刚性连接，确保电梯减速或者维持停梯状态。通过常见故障分析，电梯由于制动器失效引起的故障以剪切、蹲低、冲顶最为常见。针对上述危害，国家标准以及特种设备安全技术规范对电梯的制造、检验又提出了如下要求：制动器动作灵活，制动闸瓦紧密贴合在制动轮上，电梯运行时，制动闸瓦与制动轮不发生摩擦，制动闸瓦以及制动轮工作面上没有油污。由于制动器的工作状态是一个动态反复切换的过程，为了更加直观地监测制动器工作状态，提出制动器应当有故障保护功能，当监测到制动器提起或释放失效时，能够防止电梯的正常启动，此功能是通过监测制动器动作的电气开关来实现。此外，按照新国标制造的电梯还应具备轿厢意外移动保护装置，该装置要求如果电梯采用内部冗余的制动器作为制停部件，当制动力不足时，应防止电梯正常启动。从电梯检测现场反馈的实际情况来看，电梯制动方面存在的问题主要是，制动轮制动闸瓦上面有油污，从而导致制动器制动能力下降。此外带闸运行虽然并不常见，但是也偶有发生。电梯制动器如果带闸运行，会导致制动轮和制动闸瓦温度升高，从而降低之间的摩擦系数；如果长时间带闸运行还会导致制动闸瓦出现磨损或者碳化，并最终影响制动能力。鼓式制动器制动弹簧松紧度调节不到位也易导致故障，过松会导致制动能力下降，过紧则有可能会出现带闸运行。也有鼓式制动器出现过拆解保养前一切正常，拆解保养后出现单边卡阻的问题。关于制动器的故障现象，大部分已经被研究透彻，但是针对拆解前后出现不一致情况，甚至情况急转直下的现象，目前尚无针对性研究，值得关注。

纵观目前对制动器的研究，主要集中在对制动器工作动作状态的研究，但是制动器工作时性能的变化主要体现在摩擦副的性能变化。制动器制动轮一般采用灰铸铁制造而成，其基体组织性能相对比较稳定；制动闸瓦摩擦片一般采用树脂基复合材料制作，工作时摩擦性能容易受温度、载荷、磨损量、环境影响，从而影响制动力矩，极限情况下则会造成制动失灵，给乘客造成很大的安全隐患影响。因此对摩擦副的研究更能深入地体现制动能力的特性[10-13]。

3 影响摩擦片性能的因素

影响制动器摩擦片性能的因素有很多，以材料、温度和制动载荷为主。电梯制动器摩擦片以树脂基复合材料为主要材料，这种材料耐磨性较高，以粘胶为粘合剂，制动时产生的热量对粘合剂的特性有较大的影响，过高的摩擦热容易导致表面脱胶、焦化，甚至产生裂纹和变形，导致制动器失效。从安全角度讲，制动时制动闸瓦贴合在制动轮上的力越大，制动效果越明显。但是实际研究过程中发现，制动载荷越大，摩擦产生的剪切越大，产生的热量和磨损量就越大，从而影响制动闸瓦寿命。因此在维修过程中，切勿过分的调紧制动弹簧。并且由于制动闸瓦的摩擦材料是通过铆钉与制动闸瓦连接，当摩擦材料磨损到一定程度时，铆钉会漏出并与制动轮直接作用从而划伤制动轮，导致制动器后续制动能力受影响。

制动器摩擦片在与制动轮摩擦过程中，表面的相互作用，消耗能量的同时也使得摩擦片表面材料流失或者转移，长期工作下去最终以磨损形式表现出来。磨损量越大，摩擦副之间的间隙越大，从而需要铁芯提供更大的行程，也需要制动弹簧提供更大的力，最坏的情况是导致制动器制动能力失效。因此，很有必要对制动器制动闸瓦摩擦材料的厚度进行监测，对磨损量的监控能够最直接地体现制动器工作状态特征，目前尚无有效手段对制动闸瓦摩擦材料的磨损量进行监控，设计一种监测制动器摩擦片的装置具有一定的现实意义。

4 一种电梯制动器摩擦片磨损状态监控方法

基于对制动器摩擦副的研究，择优选择相关材料制作相应的摩擦片。从电梯安全检验、监测角度出发，文中针对摩擦片长期磨损量提出了一种新型的监测方法。目前常用的方法有：①直接观测法。每隔一段时间便对制动闸瓦摩擦材料的厚度进行测量，当厚度低于厂家的更换标准时，则及时更换；②图像分析法。利用高清摄像机对摩擦材料进行实时拍摄，并通过图像识别技术，实时监测制动闸瓦摩擦材料的实时状态；③对制动闸瓦的摩擦材料进行分层处理，在摩擦材料底部位置设置一层颜色带，当制动闸瓦摩擦材料磨至厂家规定的最低标准时，能在制动轮上以颜色的形式进行反馈。上述三种方法各有利弊，第一种和第三种虽然成本低，但是需要人不定时地进行检查，同时由于现行电梯维护保养规则要求电梯每半月保养一次，因此对电梯制动闸瓦摩擦材料的监测有一定的滞后性；第二种方法虽然能对制动闸瓦摩擦材料进行实时监测，安全性高，但是随之而来的成本也高。因此文中提出一种利用摩擦片中预埋导线，当磨损量达到预设值时，导线破损，监测装置发出停止电梯指令的制动闸瓦材料监测方法，集成了实时和低成本的优点。具体方法如图2和图3所示。

图2 摩擦片

图3 监控装置电路简图

文中所述摩擦片包括摩擦片本体、导线孔和用于隔热的石棉层。在制造时，由于电梯抱闸时摩擦片主要承受较大的径向载荷，摩擦片本体开有导线孔承压能力有所损耗，因此本体采用比压较大的铜基材料；导线孔应均匀分布于摩擦片内2 mm 处；工作时，随着磨损量的增大，摩擦部分逐渐接近于导线孔。在导线孔内侧设置隔热的石棉层，能有效地避免摩擦产生的热量导致导线未参与摩擦，绝缘层便熔化。导线贯穿于摩擦片，其所有电气元件连接方式如图2所示。安全电压通过空气开关QF 连接到接触器Q1线圈上。Q1的常开触电连接到PLC 的一个输入端。随着摩擦片磨损量增加，导线参与磨损，当导线绝缘层破损后，裸露的导线接触到制动轮，空气开关QF 断开电路，Q1接触器线圈失电，Q1常开触点断开，PLC 预定输入点为0，电梯停止，提示维护人员更换摩擦片。