电梯制动器的结构原理及失效分析和检验检测

韩英武 郑奎胜

（1.吉林省白山市特种设备检验中心 白山 134300）

（2.捷通智慧科技股份有限公司 北京 100015）

截至2021年底，全国在用电梯近900万台，居世界首位，彰显了我国城镇化建设的迅猛发展。与此同时，电梯事故频发，尤其近年来与电梯制动器失效有关的剪切、冲顶和蹲底等恶性事故接连发生[1]，引起了社会和业界的广泛关注和严肃思考。自1854年奥的斯向世人展示第1台安全理念电梯的100多年来，通过科技的加持，电梯的安全保护装置日臻完善，但是电梯设计制造的本质安全程度仍然不能百分之百地杜绝故障和事故，因此高效的维护保养和科学的检验检测就显得异常重要。

1 电梯制动器的作用功能

电梯的标准规范明确了制动器是电梯的主要工作部件，同时又是重要安全部件[2]。

1）电梯制动器是电梯正常运行停止时的位置保持装置。现今电梯控制拖动技术已经实现了正常运行的电梯零速停止后再断电合闸，使电梯保持静止位置，此时制动器表现为电梯的一种工作装置，实现电梯停梯制动，而且电梯制动器是机电式制动器，即通电开闸，断电合闸。

2）电梯制动器又是外部停电和常规故障时的制动减速停止装置。当外部停电或者电梯层轿门等安全保护开关意外动作后，制动器失电紧急合闸使电梯减速停车，实现电梯运行制动，此时制动器也表现为电梯的一种工作装置。

3）电梯制动器又是一种安全保护装置。依据现行标准规范规定，现在广泛使用的永磁同步无齿曳引机，因其存在2套以上冗余制动机构，并且取消了中间减速机构，制动器直接制动驱动主轴或曳引轮，这时电梯的制动器又承担了电梯上行超速保护功能ACOP和电梯轿厢意外移动保护功能UCMP，规范要求承担安全保护功能的制动器还需要做型式试验[3]。

因此现行电梯制动器身兼数职，唯其保持常态有效，方能将电梯的位置保持、制动减速、上行超速和意外移动等电梯的基本功能和本质安全设计初衷落到实处。

2 电梯制动器的结构型式及特点

2.1 鼓式制动器

鼓式制动器主要有2种类型：杠杆鼓式制动器（见图1）和直推鼓式制动器（见图2）。

图1 杠杆鼓式制动器

图2 直推鼓式制动器

杠杆鼓式制动器与直推鼓式制动器的摩擦力矩形成方式相同，都是由弧形制动闸瓦压紧制动轮来形成弧面型制动摩擦副，属于径向施力。

不同点在于杠杆鼓式制动器有杠杆开闸增力机构，机械结构较为复杂，电磁铁芯行程较大，约为2～3 mm；直推鼓式制动器采用电磁直吸开闸，无增力机构，机械结构相对简单，电磁铁芯工作行程较小，约为0.3～0.6 mm。前者节省电磁吸力，后者上闸快、迟滞小。

直推鼓式制动器动作时制动闸皮与制动轮接合面间隙均匀，但动作时噪音大，由于制动器弹簧相对短（约30～40 mm），弹簧压力不能调整，补偿闸皮磨损的能力不足，没磨损时制动力很大，磨损后制动力急剧下降。

杠杆鼓式制动器除电磁铁芯外，其工作机构全部裸露在外，便于检查维护，而直推鼓式制动器工作机构基本处于封闭状态，不易检查维护。

2.2 盘式制动器

盘式制动器也主要有2种类型：钳盘式制动器（见图3）和全盘式制动器（见图4）。

图3 钳盘式制动器

图4 全盘式制动器

盘式制动器制动力矩形成方式与鼓式制动器完全不同，它是靠制动钳块或摩擦盘压紧制动盘形成平面型制动摩擦副，通过轴向施力而形成制动力矩。制动盘轴向厚度在制动摩擦升温后变形量较小，制动性能热力衰减较小。

盘式制动器的制动钳块或摩擦盘的工作行程与直推鼓式制动器相似，行程很短，制动器上闸更快、迟滞小。

相较于鼓式制动器，盘式制动器结构简捷，稳定性好，钳盘式制动器可以根据需要增设多组钳体以实现更为可靠的冗余制动，更适合应用于对制动性能要求较为严苛的高速或重载电梯的驱动主机上。

钳盘式制动器相似于杠杆鼓式制动器，其机械结构基本全部裸露在外，便于检查维护。而全盘式制动器相似于直推鼓式制动器，其机械结构比较隐蔽，不易检查维护。

上述4种制动器中以杠杆鼓式制动器使用最为广泛，几乎所有有齿轮曳引机和大部分无齿轮曳引机都有使用，其余3种制动器基本应用在无齿轮曳引机上。

3 制动器的电气原理

3.1 制动器电磁线圈的放电回路

电梯制动器电磁线圈的电气回路（如图5所示）中，有一个由二极管D和电阻R2串联后再与电磁线圈BZ并联而组成的放电回路。该放电回路在制动器线圈BZ通电时，因二极管D的反向截止作用而不通电流。当制动器回路断电时，因电磁线圈BZ瞬间断电产生很大的自感电动势，该自感电动势的极性与原电源极性相反，恰好与二极管D和电阻R2构成回路，将此感生电能消耗在放电电阻R2上。

图5 制动器电气回路原理图

放电回路的作用首先是避免电弧放电和电气冲击，保护接触器触点不被烧结损坏。因为电磁线圈瞬间断电而产生的自感电动势会导致制动器电磁线圈回路中最先断开的接触器触点之间产生电弧放电。其次是能够降低制动器合闸时产生的机械冲击。因为有放电回路功能存在，使得电磁线圈的电流不能瞬间消失，电磁吸力有一个短暂延时从而减缓了制动冲击，降低了制动器的合闸噪声。

制动器断电后电磁线圈两端的电压放电变化规律用式（1）表示：

式中：

τ ——时间常数[4]；

U0——线圈断电之前的电压；

R2——放电电阻；

Rb——线圈的内阻；

L——线圈的电感；

t ——放电时间。

从式（1）和式（2）可以得出，在电磁线圈电感L和内阻Rb已定的情况下，制动器断电后线圈两端之间的电压放电衰减规律与电阻R2直接相关：1）当R2>>Rb时，相当于放电回路开路，反电动势很大，时间常数τ=0，起不到放电作用。2）当R2=0时，相当于二极管没有串接放电电阻，反电动势U=0，放电时间τ=L／Rb最长。3）选择适当的放电电阻R2，可以把反电动势和放电时间控制在所需要的适当的范围内。

3.2 制动器电磁线圈的强激回路

电梯制动器电磁线圈的电气回路（如图5所示）中，有一个降压电阻R1与电磁线圈BZ串联，同时该降压电阻R1与强激接触器KBQ的常开触点并联。当控制主板发出运行指令时，制动器强激接触器KBQ和制动接触器KB同时得电，强激接触器KBQ的常开触点闭合将降压电阻R2短接，此时电磁线圈以110 V全压启动实现强力快速开闸。开闸后强激接触器KBQ约延时2 s断电，此时电磁线圈串接降压电阻，以60～70 V左右的电压维持开闸状态。

强激回路的作用是在保证全压快速启动开闸的同时，以较低电流维持开闸状态，从而减轻电磁线圈的过热，提高制动器电磁线圈的寿命和运行稳定性。

4 制动器的失效分析

4.1 制动器的机械失效

1）制动臂销轴和电磁铁芯因锈蚀、污垢或磨损而导致动作不畅，甚至卡阻，使制动臂不能及时彻底地张开和闭合，从而导致制动器带闸运行或者制动力不足甚至丧失。

2）制动器的松闸顶杆采用了导磁材料，使其随着电磁铁通电开闸时偏转，断电合闸时松闸顶杆与电磁铁芯发生撞击，严重时产生沟槽导致卡阻而使得制动器不能正常合闸。

3）制动闸瓦的闸皮磨损严重甚至铆钉外露，导致制动器制动力不足。

4）制动器制动弹簧未能适时调整或者调整不当，导致制动力不足。

5）制动闸瓦与制动轮之间遗洒油污，使得制动力骤减以至丧失。

6）制动弹簧螺杆和开闸调整螺栓在应力集中部位出现裂纹甚至断裂，制动弹簧螺杆被制动臂开合动作所造成的磕碰磨损而断裂，导致制动器制动功能丧失。

7）制动弹簧螺栓和电磁铁芯推杆行程调节螺栓的固定螺母由于固定不牢和频繁振动而出现松动，致使制动力矩减小或制动器不能正常开合。

杠杆鼓式制动器的机械结构如图6所示。

图6 杠杆鼓式制动器结构简图

4.2 制动器的电气失效

1）制动器电气回路（如图5所示）由KM和KB等2个以上无互控关系的接触器的常开触点实现断电安全冗余控制，若其中一个触点烧结或卡阻不能松开，会使安全冗余失效，甚至出现2个触点都不能正常断开，制动器不能有效合闸，使电梯出现非受控状态的自由溜梯风险。

2）当制动器电气回路中的任何一个控制接触器触点锈蚀或卡阻而不能有效接通电路时，会出现电梯带闸运行的风险，若长时间运行制动闸瓦磨损严重后制动效能会丧失。

3）若制动器的强激接触器KBQ的常开触点烧结或卡阻不能断开，会导致制动器电磁线圈始终承受全电压大电流开闸，长时间运行会使电磁线圈过热损坏而丧失开闸功能。

4）当KBQ触点锈蚀或卡阻不能有效通电时，全压启动功能失效，制动器电磁线圈的电磁吸力不能克服弹簧阻力，导致不能开闸或开闸不到位，而出现带闸运行的风险。

5）当放电回路中二极管D击穿损坏或方向接反时，放电电阻R2在制动器通电时一直会有电流通过，此时放电电阻R2与电磁线圈BZ组成并联电路，会出现过度发热温升过高而损坏制动电路。

6）当放电电阻R2过大时，电磁线圈放电时间短，上闸快，但制动冲击和噪声大。反之，R2过小时，电磁线圈放电时间长，制动冲击和噪声小，但上闸延迟大，在检修运行和故障停梯等没有正常运行所具有的零速抱闸功能的情况下，会出现比较明显的溜梯现象。

7）制动器的动作监测微动开关接线错误、损坏或者在控制主板上进行了功能屏蔽，导致当制动器开合动作异常时不能及时将此故障反馈，电梯不能及时停机而出现危险。

5 制动器的检验检测

5.1 电梯制动器的相关标准技术要求

1）GB／T 24478—2009《电梯曳引机》中4.2.2.3条要求：制动器电磁铁的最低吸合电压和最高释放电压应分别低于额定电压的80%和55%。制动器的动作响应时间应不大于0.5 s。[5]

2）GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中12.4.2.1条要求：当轿厢载有125%额定载荷并以额定速度向下运行时，操作制动器应能使曳引机停止运转。在上述情况下，轿厢的减速度不应超过安全钳动作或轿厢撞击缓冲器所产生的减速度。所有参与向制动轮或盘施加制动力的制动器机械部件应分2组装设。如果一组部件不起作用，应仍有足够的制动力使载有额定载荷以额定速度下行的轿厢减速下行。电磁线圈的铁芯被视为机械部件，而线圈则不是。

3）GB 7588—2003中12.4.2.3.1条要求：切断制动器电流，至少应用2个独立的电气装置来实现，不论这些装置与用来切断电梯驱动主机电流的电气装置是否为一体。当电梯停止时，如果其中1个接触器的主触点未打开，最迟到下一次运行方向改变时，应防止电梯再运行。

5.2 检验检测标准规范的修订完善

1）GB 7588经历了1987版、1995版、2003版（含1号修改单），直到2022年7月1日施行的GB／T 7588.1—2020《电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯》的1次修订和3次改版。随着科技的发展进步，安全标准要求也越发严谨完善。GB 7588也是电梯检验规则制定的主要标准依据，因此电梯检验规则的相关要求也进行了相关修订。

2）关于施加制动力的机械部件分2组装设的问题，1987版和1995版虽有要求但却注明可暂缓执行，直到2004年1月1日施行的2003版才强制执行。因此，2004年之前出厂的电梯制动器基本上都只有单组机械部件，表现为1个制动弹簧或1个弹簧螺栓或1个电磁铁芯等型式，不具备冗余安全制动功能，制动器失效风险较大，在维护保养和检验检测时要格外重视。

3）2003版除增加了制动器2组机械部件的要求，同时增加了电梯上行超速保护功能，具有冗余制动功能的无齿轮曳引机的制动器又承担了上行超速保护的制停装置。2016年7月1日施行的2003版1号修改单增加了电梯轿厢意外移动保护功能，具有冗余制动功能的无齿轮曳引机的制动器又承担了意外移动保护的制停装置，制动器动作监测装置也是此时要求设置的。

4）与GB 7588—2003相比，即将实施的最新版GB／T 7588.1—2020中5.9.2.2.2.1项新增加了“应监测制动器的正确提起（或释放）或验证其制动力。如果检测到失效，应防止电梯的下一次正常启动。”[6]即今后电梯制动器无论其是否承担UCMP功能都要具有动作监测或制动力验证功能。

5.3 制动器常规检查和检验检测的相关要求和关注重点

1）电梯制动器的日常维护保养首先要遵循TSG T5002—2017《电梯维护保养规则》的原则规定[7]，同时结合具体结构型号的使用说明书给出的方法和参数进行严谨细致地检查、清洁、润滑和调整。对于杠杆鼓式制动器要严格按照《市场监管总局办公厅关于开展电梯鼓式制动器安全隐患专项排查治理的通知》（市监特设函〔2021〕564号）的要求完成电磁铁芯解体检查保养和更换非导磁松闸顶杆工作。对于按照新标准生产的电梯制动器，还需要根据其结构型式和工作原理检查制动器动作监测功能或验证其制动力效能。

2）电梯制动器的定期检测和检验时要严格执行检测规则和检验规则，针对早期各个时间节点出厂的单制动弹簧、单弹簧螺杆、单铁芯等单组机械部件的制动器和未装设制动器动作监测开关的制动器实施重点检查测试。虽然该类设备符合当时标准规定，但因其安全裕度很低，结合工作年限和使用状态可提出改造或更换建议。同时依据市场监管总局文件规定，做好使用满5年乘客电梯的125%额定载荷的下行制动试验和杠杆鼓式制动器排查整治确认工作。

3）日常检查和检验检测的主要项目分为机械和电气2个方面。（1）机械方面重点观察：制动轮表面的油污和磨损，铰接销轴和电磁铁芯的锈蚀和润滑，制动闸皮的磨损，制动闸皮和制动轮的开闸间隙和接合均匀程度，弹簧和螺杆的磨损和裂纹，弹簧螺杆和推杆螺栓的固定螺母紧固状态，制动器开合动作顺畅或阻滞等。（2）电气方面重点观察：制动器电气回路中所有接触器触点的磨损和烧蚀、强激接触器触点的磨损和烧蚀，放电回路的功能状态，动作监测开关的功能状况，抱闸线圈的工作温升，制动器上闸时间延迟等。

6 结束语

通过以上介绍分析和论述，对电梯制动器这一重要部件的功能作用有了一个较为全面和深刻的呈现，基本概略介绍了电梯制动器的机械结构和电气原理，分析了其常见易发的机械和电气失效的成因和后果，梳理了电梯制动器的相关标准规范修订改版的时间节点和改进历程，为行业内的电梯维护保养、检验检测提供一些参考和提示，以期共同做好电梯运行的安全保障工作。