電梯制動器制動輪力學(xué)特性分析及改進

陳祥卓

（福建省特種設(shè)備檢驗研究院泉州分院，福建泉州 362010）

0 引言

電梯的廣泛應(yīng)用為人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，其中塊式制動器在電梯中的應(yīng)用非常廣泛[1-2]，但在實踐過程中，經(jīng)常會發(fā)生由于塊式制動器本身的性能問題而導(dǎo)致的電梯安全事故，比如沖頂事故、溜車事故等[3-4]。電梯在使用中一旦出現(xiàn)上述故障問題，便會嚴重威脅乘客的人身安全。制動輪是塊式制動器中的核心零部件，緊急制動工作條件下，其受力情況會直接影響制動效果[5-6]。因此非常有必要對電梯制動器制動輪的受力特性進行分析和研究，從而找到制動器在運行時的危險點，在此基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化改進，提升緊急制動時制動器的制動效果及其運行穩(wěn)定性，保障電梯的安全運行[7]。

1 電梯制動器整體結(jié)構(gòu)

電梯制動器類型有很多種，常見的包括鼓式制動器、塊式制動器、碟式制動器等，不同類型的制動器各自有其優(yōu)缺點，其中塊式制動器以其顯著的優(yōu)勢在乘客電梯中得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文主要以塊式制動器作為研究對象，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電梯塊式制動器整體結(jié)構(gòu)

在曳引機上對塊式制動器進行安裝，其中曳引機上的曳引輪和制動器上的制動輪剛性連接，兩者實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)，通過這種方式，制動器可以對曳引機進行制動。塊式制動器工作過程中主要包含兩個過程，分別為抱閘和松閘。抱閘過程中，電磁線圈斷電導(dǎo)致電磁力消失，制動動板在彈簧力的作用下運動，并推動閘瓦抱緊制動輪，在摩擦力的作用下實現(xiàn)制動。松閘過程與上述過程相反，電磁線圈通電產(chǎn)生電磁力，且電磁力大于彈簧的彈力，制動動板在電磁力的作用下帶動閘瓦脫離制動輪，閘瓦與制動輪之間的摩擦力消失，失去制動效果。

基于上述的電梯塊式制動器工作原理可以看出，其在制動過程中主要依靠閘瓦和制動輪之間的摩擦力實現(xiàn)制動。因此制動器制動輪在制動過程中的力學(xué)特性顯得尤為重要，會直接影響制動器的制動效果。

2 電梯制動器制動輪模型建立

由于在緊急制動工況條件下，電梯塊式制動器在制動過程中起關(guān)鍵作用的是閘瓦和制動輪，因此在建立模型時主要建立上述兩個核心零部件的模型。

2.1 三維模型建立

通過SolidWorks三維模型軟件建立電梯制動器制動輪和閘瓦的三維模型。模型建立過程中，為了方便后續(xù)有限元模型的建立，提升計算效率，針對計算結(jié)果不會產(chǎn)生顯著影響的細節(jié)進行忽略。如圖2所示為建立的制動輪和閘瓦三維模型，模型中涉及到的參數(shù)全部按照實際情況進行設(shè)置，制動輪的直徑為653 mm，閘瓦的寬度和包角分別為80 mm和17°。后續(xù)要將建立好的三維模型導(dǎo)入到Abaqus有限元軟件中進行受力分析，因此需要將模型導(dǎo)出為STL格式。

圖2 制動輪和閘瓦的三維模型

2.2 有限元模型建立

將建立好的三維模型導(dǎo)入到Abaqus軟件中建立有限元模型。

（1）網(wǎng)格劃分

軟件中提供了多種形式的網(wǎng)絡(luò)類型，不同網(wǎng)格類型以及網(wǎng)格單元大小對計算過程和結(jié)果均有一定程度的影響。在充分考慮實際情況的基礎(chǔ)上，選用的網(wǎng)絡(luò)類型為六面體的C3D8R網(wǎng)格。網(wǎng)格單元尺寸越大，計算效率越高，但結(jié)果越粗糙；相反的，網(wǎng)格單元越小，計算效率較低，但可以得到相對比較精確的結(jié)果。因此需要對網(wǎng)格單元大小和結(jié)果精度進行權(quán)衡。本研究中利用軟件進行自動網(wǎng)絡(luò)劃分，得到的制動輪單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為679 544和739 909，每個閘瓦單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為25 229和29 807。

（2）材料參數(shù)

通常情況下，塊式制動器中制動輪的使用材料為Q235，閘瓦的使用材料為復(fù)合銅網(wǎng)板。Q235鋼的彈性模量和泊松比分別為200 GPa和0.3，比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)分別為510 J/kg·℃、45 W/mm·℃和8.2×10-6℃-1。復(fù)合銅網(wǎng)板的彈性模量和泊松比分別為1.3 GPa和0.25，比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱膨脹系數(shù)分別為1 200 J/kg·℃、0.9 W/mm·℃和18×10-6℃-1。Q235鋼和復(fù)合銅網(wǎng)板之間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.38。

（3）其他條件設(shè)置

模型中需要設(shè)置的其他參數(shù)全部按照電梯實際情況設(shè)置，轎廂質(zhì)量和額定載荷分別為1 650 kg和1 000 kg，配重大小為2 150 kg，電梯的額定運轉(zhuǎn)速度和曳引機轉(zhuǎn)速分別為2.5 m/s和960 r/min。模型初始溫度設(shè)置為室溫，即20℃。

模型建立完成后，可以調(diào)用Abaqus軟件的分析計算模塊對模型進行分析計算，最終提取結(jié)果進行分析。

3 模型計算結(jié)果分析與探討

3.1 制動階段制動輪接觸區(qū)域的力學(xué)特征

圖3 緊急制動過程中制動輪接觸區(qū)域的受力演變情況

圖3所示為電梯在緊急制動時，制動器在制動過程中制動輪接觸區(qū)域的受力情況分布圖。從圖中可以看出，在制動過程中隨著時間的延長，制動輪與閘瓦相互接觸的區(qū)域，受力慢慢加大，在280 ms時達到最大值，為313.4 MPa。在制動輪寬度方向上，中間位置的應(yīng)力最大，越往邊緣其受力越小。出現(xiàn)這種情況的原因在于，制動輪與閘瓦通過摩擦制動，在此過程中摩擦做功產(chǎn)生的熱量基本都被制動輪和閘瓦吸收，使其溫度升高。制動輪邊緣區(qū)域由于直接與外界接觸，其散熱速度相對較快，而中間位置由于沒有與外部直接接觸，其散熱速度比較慢。因此制動輪中間位置的溫度相對較高，根據(jù)熱脹冷縮原理，中間會產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域與閘瓦之間的擠壓力更大。

電梯在緊急制動時，塊式制動器主要依靠制動輪和閘瓦之間的摩擦力進行制動，基于上述受力分析結(jié)果可以看出，在寬度方向上制動輪的受力不均勻，而接觸應(yīng)力的大小會直接影響摩擦力大小，意味著在寬度方向上制動輪的摩擦力也不均勻，但是摩擦力可以保持左右對稱，所以摩擦力在寬度方向上分布的不均勻性不會對制動過程穩(wěn)定性造成顯著的影響。

3.2 制動輪壽命分析

緊急制動情況下，制動輪在制動過程中會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，真正參與制動的是與閘瓦直接接觸的區(qū)域，該區(qū)域在制動時會產(chǎn)生大量的熱量和接觸應(yīng)力，一旦與閘瓦脫離接觸，對應(yīng)位置的應(yīng)力就會消失?？梢钥闯鲋苿虞喌氖芰τ兄芷谘h(huán)的特點，表明制動輪表面容易出現(xiàn)疲勞損傷問題。在寬度方向上制動輪中間位置的應(yīng)力最高，因此該位置最容易出現(xiàn)疲勞裂紋。塊式制動器制動輪的使用壽命可以根據(jù)Manson-Coffin模型進行分析估算。制動輪的生產(chǎn)制作材料為Q235，該材料涉及到的模型技術(shù)參數(shù)主要包括疲勞強度系數(shù)為300 MPa，疲勞強度指數(shù)為-0.08，疲勞延性指數(shù)為-0.462。將上述技術(shù)參數(shù)代入壽命預(yù)估模型中，可以計算得到不同應(yīng)力狀態(tài)下制動輪的壽命。當接觸應(yīng)力處于最大值313.4 MPa時，計算得到的使用壽命約為15 581次。

4 制動輪改進研究

以上針對電梯塊式制動器在緊急制動情況下，制動輪在制動過程中的受力情況及其壽命進行了定量的分析與研究，可以發(fā)現(xiàn)在寬度方向上，制動輪中間區(qū)域的受力最為顯著，該位置最容易出現(xiàn)熱疲勞損傷，進而引發(fā)制動器的故障問題，威脅電梯運行安全。因此有必要對制動輪進行優(yōu)化改進，以提升其使用壽命。最簡單的方法就是直接更換制動輪的生產(chǎn)制作材料，提升制動輪的抗疲勞強度。這樣可以保證零部件在受力相同的情況下，延長其使用壽命。根據(jù)已有的文獻資料可知，Q345鋼具有比Q235鋼更好的抗疲勞性能，其疲勞強度系數(shù)為385 MPa，疲勞強度指數(shù)為-0.103 4，疲勞延性指數(shù)為-0.467 4。在保持制動輪基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，只是更改生產(chǎn)制作材料，那么在制動過程中表面的受力情況基本不會改變。將Q345鋼涉及到的模型參數(shù)代入到壽命估算模型中，可以計算得到在最大應(yīng)力值為313.4 MPa時，對應(yīng)的使用壽命約為19 863次。與Q235鋼相比較而言，使用壽命提升了27.48%。

5 結(jié)束語

塊式制動器在電梯中有著非常廣泛的應(yīng)用，而制動輪又是制動器中的關(guān)鍵零部件，緊急制動情況下，其受力情況會直接影響制動器的制動效果及使用壽命。本文主要對制動輪的受力情況進行了分析和研究，所得的結(jié)論主要包含以下幾點。

（1）制動器在緊急制動過程中，隨著制動過程的不斷推進，制動輪與閘瓦接觸區(qū)域的應(yīng)力和摩擦力會逐漸升高，最大應(yīng)力值達到了313.4 MPa。在制動輪的寬度方向上，應(yīng)力分布也不均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間位置，越靠近邊緣部位其應(yīng)力值越小。

（2）緊急制動情況下，制動輪的受力狀態(tài)屬于循環(huán)周期載荷，容易出現(xiàn)疲勞損傷，威脅電梯的使用安全。根據(jù)Q235鋼的材料屬性，并結(jié)合疲勞壽命估算模型，在應(yīng)力值為313.4 MPa時，對應(yīng)的使用次數(shù)約為15 581次。

（3）使用疲勞性能更優(yōu)的Q345鋼材料替換Q235鋼來制作制動輪，在相同的工況條件下，制動輪的使用壽命可以提升到19 863次，壽命提高了27.18%。