闸瓦式电梯制动器的力学特征分析

任昭霖 刘小畅

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

0 引言

电梯制动器是电梯系统中不可缺少的组成部分，不仅能保证轿厢停在平层位置时不会因为轿厢与对重之间的质量差而造成溜梯，还能在动力电源或控制电路电源失电时，使运行中的轿厢能有效制停。由此可见，制动器的安全、可靠是保证电梯安全运行的重要因素之一，直接关系电梯设备和乘用人员的安全。电梯事故统计分析表明，电梯发生开门溜梯、冲顶、挤压或蹾底等安全事故大多数因电梯制动器失效导致。

电梯通常采用摩擦型的机电式常闭制动器，分析可知，制动器中制动轮和闸瓦为核心部件，其受力情况会对制动效果产生重要影响[1]，故对制动轮和闸瓦的力学特征分析至关重要。以永磁同步曳引机为例，分析在紧急制动时，闸瓦式制动器中制动轮和闸瓦的力学特征。

1 电梯制动器受力分析

在电梯系统中，主要包含轿厢、对重和曳引轮，其简化模型如图1所示。

图1 电梯系统简化模型

图1中，轿厢质量为P，对重为W，曳引轮半径为R，轿厢的运行速度为V，制动器制动力矩为Mf。

若不考虑轿厢和对重两边牵引绳的质量，在轿厢处于额定载荷时，力的平衡应满足

式中：k为电梯平衡系数，k的取值范围为0.4～0.5；Q为电梯额定载荷。

根据式(1)，也可求得对重的值。

当电梯正常停止时，轿厢的运行速度V=0，制动器制动力矩是用以保持轿厢和对重平衡。在力矩平衡上，应满足

根据式(2)，在电梯正常停止时，制动力矩为

当电梯出现故障突然降落，制动器紧急制动时，在一瞬间轿厢和对重会产生减速度a，通常a的取值范围0.2g～1.0g之间，g为重力加速度[2]。此时，力矩平衡方程为

根据式(4)，当电梯紧急停止时，制动力矩为

式(5)整理可得

根据式(3)和式(6)中的制动力矩表达式可知，制动器在紧急制动时，制动力矩大于正常停止时的制动力矩。

电梯正常启停过程中，电梯在曳引机控制下加减速到设定的速度值，但当电梯发生故障时，需使得电梯紧急停止，即制动器紧急抱闸，这就对于制动器的性能提出了较高的要求[3]。基于此主要对紧急制动情况下的制动器进行受力分析。

2 有限元模型建立

参照GB/T 7588.1—2020《电梯制造与安装安全规范》[4]和TSG T7007—2022《电梯型式试验规则》[5]等规范对制动器的要求，确立有限元分析模型。

假设电梯的曳引轮半径R=0.245 m，电梯额定载荷Q=1 000 kg，轿厢质量P=300 kg，平衡系数k=0.45，减速度a取最大值，即a=g，根据国家标准规定的极限情况，在125%的额定载荷下对电梯进行紧急制动。

此电梯在紧急制动时，根据式(6)可得

由于制动过程是一个非常复杂的过程，需考虑到众多物理因素的影响。为了分析的简易性，假设：1）制动过程中，减速度a恒定；2）制动过程中，制动轮和闸瓦之间的摩擦系数保持不变；3）制动过程中，制动力矩均匀分布在制动轮上；4）制动过程中，制动轮和闸瓦的变形均为弹性变形；5）制动时的初始温度为正常室温。

由于制动力矩均匀分布在制动轮上，此时闸瓦上所受的正压力为

式中：μ表示制动轮与闸瓦之间的摩擦系数。

紧急制动过程中，主要的受力对象为制动轮和闸瓦，为加速收敛过程，提升计算效率时仅对制动轮和闸瓦进行有限元分析[6]，图2为永磁同步曳引机三维模型。

图2 永磁同步曳引机三维模型

如图2所示，假设制动轮外径与曳引轮直径相同为0.245 m，单侧闸瓦包角为50°，闸瓦宽度为55 mm。将制动轮与闸瓦的三维模型导入Ansys软件中进行有限元分析。

1）网格划分 采用六面体网络对制动轮和闸瓦进行网格划分，如图3所示。其中，闸瓦和制动轮总单元数为4 571，总节点数为9 251。

图3 制动轮与闸瓦网格划分

2）材料参数 设定制动轮材质为HT200，密度为7 250 kg·m-3，弹性模量为 1.48×1011Pa，泊松比为 0.3；闸瓦材质为复合铜网板，密度为2 150 kg·m-3，弹性模量为2.2×109Pa，泊松比为0.3。闸瓦与制动轮间的摩擦系数μ=0.3。

3）载荷设置 压力均匀分布在闸瓦外表面，且由式(7)可计算出闸瓦上的正压力 。

4）边界条件 制动轮和闸瓦在X、Y、Z方向的位移为零。

5）初始条件 制动轮初始转速为10 rad/s，顺时针旋转，设置在1 s内转速变为零。初始温度为室温，即25 ℃。

3 力学特征分析

曳引机紧急制动过程中制动轮的应力变化如图4所示。由图4可知，在紧急制动过程中，随着时间的推移，制动轮的最大应力在逐渐增大，在600 ms之后最大应力减小并趋于稳定。在这一过程中制动轮的最大应力发生在轴连接处，最小应力发生在制动轮轮盘摩擦边缘处。

图4 紧急制动过程中制动轮应力变化

图5为紧急制动过程中闸瓦应力变化图。由图5可知，闸瓦的应力变化较为复杂，在200 ms之前最大应力波动增加，在200～400 ms之间最大应力减小，之后最大应力以较小的幅度缓慢增加。同时可以得知刚进入摩擦制动时，应力在闸瓦上的分布不均匀，后逐渐分布均匀。由于在制动轮不断旋转，即闸瓦所受应力相当于脉动循环应力，使得最大应力和最小应力发生处也循环变化。

图5 紧急制动过程中闸瓦应力变化

综合分析制动过程中制动轮与闸瓦上的最大应力和平均应力变化如图6所示。

图6 制动轮与闸瓦上最大应力与平均应力

图6中红色实线表示制动轮与闸瓦上应力最大值，蓝色虚线表示制动轮与闸瓦上应力平均值。通过分析可知，在12 ms时制动轮和闸瓦上的应力值达到最大为270.3 MPa，显然在两者接触的瞬间引发较大的冲击，导致应力急剧增加。而随着摩擦减速的进行，冲击逐渐平稳，最大应力和平均应力以较小的幅度增加。最后随着制动轮逐渐停止转动，在0.6～0.8 s时最大应力与平均应力有所提升，而后基本保持不变。

由于制动过程中制动轮一直旋转，无法准确分析其应变变化，仅对闸瓦进行应变分析，如图7所示。

图7 紧急制动过程中闸瓦应变变化

由图7可知，闸瓦上的最大应变在600 ms前基本保持不变，但随后一直增长，这是由于摩擦导致变形持续增加，且应变最大处基本上位于闸瓦进入摩擦处，即闸瓦上侧。

4 制动力矩与闸瓦最大应变关系分析

在125%的额定载荷下对电梯进行紧急制动，制动力矩为7.595 kN·m，在100%额定载荷下的制动力矩为6.37 kN·m。

多次改变制动力矩值，使得制动力矩以0.245 kN·m为梯度从6.370 kN·m逐级加载至7.595 kN·m，在通过Ansys进行有限元分析，并记录闸瓦的最大应变值如表1所示。

表1 闸瓦在不同制动力矩下的最大应变值

根据制动力矩与闸瓦最大应变的数值进行曲线拟合，如图8所示。

图8 应变与制动力矩的关系曲线

由图8可知，闸瓦的最大应变与制动力矩间基本呈线性关系，相关系数r=1，其关系表示为

式中：Mf为制动力矩，µε为闸瓦的最大应变。

5 在用电梯制动器性能现场测试

在使用现场对已经具有一定服役时间的在用电梯制动器进行测试，记录制动器的吸合和释放电压、响应时间以及制动能力曲线，分析在用制动器的性能特点。

5.1 测试原理、仪器与方法

在用电梯制动器吸合/释放电压和响应时间现场测试原理如图9所示，现场测试照片如图10所示。首先，将制动器自身供电电路的外部电源切断，将1部可手动调节的电源直接接入制动器的电磁线圈，以便使制动器的供电和动作都是可控的。然后，在制动器的机械动作部件（或柱塞）上安装非接触式的位移传感器，以便观测制动器的吸合和释放动作。最后，将手动调节电源的电压信号和位移传感器的位移信号同时接入一台便携式记录仪，以便对这些信号进行实时记录。该记录仪具有数据存储和打印功能。

图9 在用制动器吸合/释放电压和响应时间测试原理图

在进行制动器吸合和释放电压的测试时，首先将手动调节电源归零，然后逐渐增加电源的电压输出，同时观察制动器机械动作部件和位移传感器的输出信号，当发现制动器机械动作部件（或柱塞）动作（抱闸打开）或位移传感器信号变化的瞬间，记录此时的手动调节电源的输出电压值，即为该制动器的吸合电压；然后逐渐减少手动调节电源的电压输出，直至制动器机械动作部件（或柱塞）动作（恢复抱闸）或位移传感器信号变化时，记录该时刻手动调节电源的输出电压值，即为该制动器的释放电压。

在进行制动器响应时间（本文特指释放动作的响应时间）的测试时，首先调节手动电源使制动器动作，即抱闸打开。然后直接切断电源供电，即模拟制动器失电情况。使用记录仪记录断电前后一段时间内电信号和位移信号的变化情况。通过曲线比较获得从电信号突变开始，到位移信号表明制动器动作部件到达可靠抱闸位置为止的时间差，即为制动器释放动作的响应时间。

5.2 测试内容

在用电梯制动器制动能力的测试在现场实梯上进行。主要测试包括满载上行急停测试、125%额定载荷下行急停测试、空载上行/下行急停测试。

在测试时，记录轿厢的运行加速度曲线以便后续分析。需要注意的是，由于测试电梯一般为使用一定时间的在用电梯，且可能存在一些使用和保养缺陷，故在进行制动能力测试之前应对电梯进行检查以确认：1）平衡系数不能过大或过小；2）曳引轮槽没有严重磨损；3）曳引绳没有严重磨损，润滑正常，表面没有太多油污或锈蚀；4）曳引能力正常；5）电梯上行或下行超速保护装置正常。

如上述几个方面存在问题，则可根据实际情况进行制动能力测试工况的调整，如进行特定载荷（小于125%额定载荷）下行急停测试，或进行满载上行、空载下行测试。

5.3 测试结果与分析

选用1台在用的电梯作为测试样梯，电梯的基本状况和制动器的性能参数为：额定速度1.50 m/s，额定载荷1 000 kg，提升高度14.09 m（服务楼层6/6），服役时间187个月，制动器为鼓式、2组、无监测， 启动电压45.5 V，释放电压17.77 V，响应时间为106 ms。

部分测试结果如图11所示。由测试结果数据可知，本报告中所涉及的测试电梯均为使用一段时间的在用电梯，许多电梯的服役时间超过15 a，为老旧电梯。在现场测试时，主要测试记录了制动器的吸合（启动）和释放电压、响应时间以及空载上行、空载下行、满载上行和125%下行时的制停曲线。

图11 制动性能曲线

通过测试数据和曲线可知，大部分被测在用电梯的制动器性能可满足正常工作的要求，但仍存在以下几个方面的问题：

1) 部分制动器存在释放动作的响应时间过大，可能造成制动器不能及时抱闸，紧急制停时尤其危险；

2) 部分制动器的吸合（启动）和/或释放电压过低（相对于额定电压），造成这种现象的原因可能是电磁线圈损坏或存在剩磁，致使制动器发生误动作或释放延迟的风险增大；

3) 部分机械部件双制动器存在两边机械动作不同步的问题。严重时，现场能听到明显的两声“啪”。吸合（启动）动作不同步时，可能造成曳引机单侧带闸运行，加速单侧磨损；释放动作不同步时，可能造成制动力可能不足，加速单侧磨损；

以测试结果为基础的其他方面的分析，例如：与使用时间相关的制动器性能退化分析等，有待对测试数据进行更深的挖掘以及更进一步的讨论和分析。

6 结语

通过对电梯正常停止和紧急制动时制动器的制动力矩计算，以及对紧急制动过程中制动器上制动轮与闸瓦的力学特征进行分析，可得：1）紧急制动时，制动器所受制动力矩较大，故在设计制动器时需重点考虑该情况下的应力变化；2）制动轮最大应力位于制动轮与曳引轮的轴连接处；3）闸瓦所受应力为脉动循环应力，需要考虑疲劳损伤问题；4）闸瓦的最大应变与制动力矩间基本呈线性关系；5）制动轮和闸瓦由于摩擦作用，使得应变不断增加，会造成制动效果逐渐变差，故寿命检测至关重要。