一種新型電梯制動(dòng)器摩擦片的設(shè)計(jì)

李金泰，朱俊臣

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

1 概述

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，高層建筑逐漸增多，電梯已經(jīng)成為了人們生活中廣泛使用的重要設(shè)備，隨之而來電梯的安全性能引起了人們的重視。電梯是一種高精密度的運(yùn)輸工具，由許多零部件組成，因此存在發(fā)生故障和危險(xiǎn)的可能性。通過近幾年電梯事故分析，電梯發(fā)生故障可分為以下兩種。

（1）電梯電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障；

（2）電梯機(jī)械系統(tǒng)不能有效的制停電梯。

另據(jù)統(tǒng)計(jì)，電梯因門系統(tǒng)和制動(dòng)器故障引起的事故占總體事故數(shù)一半以上。對(duì)于門系統(tǒng)故障引起的事故大部分是由于撞門、踹門引起，有一定的偶然性[1-5]；而電梯發(fā)生沖頂、蹲底或者溜車的事故則是因?yàn)橹苿?dòng)器。由于制動(dòng)器在電梯機(jī)房里面，乘客無法事先預(yù)知制動(dòng)器的狀態(tài)，因此一旦制動(dòng)故因卡阻等故障引起事故則很難避免。電梯溜車事故如圖1所示。為了電梯不發(fā)生溜車和墜落的事故，電梯必須設(shè)置制動(dòng)系統(tǒng)，而且必須是一種摩擦型的機(jī)——電式制動(dòng)器，并對(duì)電梯制動(dòng)器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 電梯溜車事故

電梯制動(dòng)器作為電梯重要的機(jī)械組成部分，在電梯緊急停止、正常平層時(shí)，能夠通過摩擦消耗動(dòng)能的方式，有效地將電梯制停，從而達(dá)到預(yù)期效果。一旦制動(dòng)系統(tǒng)失效，對(duì)電梯的安全運(yùn)行將有著極大地威脅[6-9]。近年由于電梯鼓式制動(dòng)器卡阻、制動(dòng)力不足等問題導(dǎo)致的轎廂沖頂事故屢見報(bào)端，基于此，國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局部署全國開展電梯鼓式制動(dòng)器安全隱患專項(xiàng)排查治理行動(dòng)。從排查結(jié)果來看，確實(shí)有部分制動(dòng)器的鐵芯存在銹蝕或者鐵芯尾部存在卡坑。制動(dòng)系統(tǒng)能否有效可靠的動(dòng)作，關(guān)系到整個(gè)電梯、使用人員以及維護(hù)人員的安全，是電梯正常運(yùn)行必不可少的安全保護(hù)裝置。由此可見，對(duì)電梯制動(dòng)器性能的監(jiān)測(cè)尤為重要。

2 制動(dòng)器性能監(jiān)測(cè)存在的問題探討

目前市面上常見的制動(dòng)器以鼓式制動(dòng)器居多，工作時(shí)制動(dòng)閘瓦緊密貼合在制動(dòng)輪上，制動(dòng)輪與曳引輪同軸剛性連接，確保電梯減速或者維持停梯狀態(tài)。通過常見故障分析，電梯由于制動(dòng)器失效引起的故障以剪切、蹲低、沖頂最為常見。針對(duì)上述危害，國家標(biāo)準(zhǔn)以及特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范對(duì)電梯的制造、檢驗(yàn)又提出了如下要求：制動(dòng)器動(dòng)作靈活，制動(dòng)閘瓦緊密貼合在制動(dòng)輪上，電梯運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)閘瓦與制動(dòng)輪不發(fā)生摩擦，制動(dòng)閘瓦以及制動(dòng)輪工作面上沒有油污。由于制動(dòng)器的工作狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)反復(fù)切換的過程，為了更加直觀地監(jiān)測(cè)制動(dòng)器工作狀態(tài)，提出制動(dòng)器應(yīng)當(dāng)有故障保護(hù)功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)到制動(dòng)器提起或釋放失效時(shí)，能夠防止電梯的正常啟動(dòng)，此功能是通過監(jiān)測(cè)制動(dòng)器動(dòng)作的電氣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。此外，按照新國標(biāo)制造的電梯還應(yīng)具備轎廂意外移動(dòng)保護(hù)裝置，該裝置要求如果電梯采用內(nèi)部冗余的制動(dòng)器作為制停部件，當(dāng)制動(dòng)力不足時(shí)，應(yīng)防止電梯正常啟動(dòng)。從電梯檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際情況來看，電梯制動(dòng)方面存在的問題主要是，制動(dòng)輪制動(dòng)閘瓦上面有油污，從而導(dǎo)致制動(dòng)器制動(dòng)能力下降。此外帶閘運(yùn)行雖然并不常見，但是也偶有發(fā)生。電梯制動(dòng)器如果帶閘運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)輪和制動(dòng)閘瓦溫度升高，從而降低之間的摩擦系數(shù)；如果長(zhǎng)時(shí)間帶閘運(yùn)行還會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)閘瓦出現(xiàn)磨損或者碳化，并最終影響制動(dòng)能力。鼓式制動(dòng)器制動(dòng)彈簧松緊度調(diào)節(jié)不到位也易導(dǎo)致故障，過松會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)能力下降，過緊則有可能會(huì)出現(xiàn)帶閘運(yùn)行。也有鼓式制動(dòng)器出現(xiàn)過拆解保養(yǎng)前一切正常，拆解保養(yǎng)后出現(xiàn)單邊卡阻的問題。關(guān)于制動(dòng)器的故障現(xiàn)象，大部分已經(jīng)被研究透徹，但是針對(duì)拆解前后出現(xiàn)不一致情況，甚至情況急轉(zhuǎn)直下的現(xiàn)象，目前尚無針對(duì)性研究，值得關(guān)注。

縱觀目前對(duì)制動(dòng)器的研究，主要集中在對(duì)制動(dòng)器工作動(dòng)作狀態(tài)的研究，但是制動(dòng)器工作時(shí)性能的變化主要體現(xiàn)在摩擦副的性能變化。制動(dòng)器制動(dòng)輪一般采用灰鑄鐵制造而成，其基體組織性能相對(duì)比較穩(wěn)定；制動(dòng)閘瓦摩擦片一般采用樹脂基復(fù)合材料制作，工作時(shí)摩擦性能容易受溫度、載荷、磨損量、環(huán)境影響，從而影響制動(dòng)力矩，極限情況下則會(huì)造成制動(dòng)失靈，給乘客造成很大的安全隱患影響。因此對(duì)摩擦副的研究更能深入地體現(xiàn)制動(dòng)能力的特性[10-13]。

3 影響摩擦片性能的因素

影響制動(dòng)器摩擦片性能的因素有很多，以材料、溫度和制動(dòng)載荷為主。電梯制動(dòng)器摩擦片以樹脂基復(fù)合材料為主要材料，這種材料耐磨性較高，以粘膠為粘合劑，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)粘合劑的特性有較大的影響，過高的摩擦熱容易導(dǎo)致表面脫膠、焦化，甚至產(chǎn)生裂紋和變形，導(dǎo)致制動(dòng)器失效。從安全角度講，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)閘瓦貼合在制動(dòng)輪上的力越大，制動(dòng)效果越明顯。但是實(shí)際研究過程中發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)載荷越大，摩擦產(chǎn)生的剪切越大，產(chǎn)生的熱量和磨損量就越大，從而影響制動(dòng)閘瓦壽命。因此在維修過程中，切勿過分的調(diào)緊制動(dòng)彈簧。并且由于制動(dòng)閘瓦的摩擦材料是通過鉚釘與制動(dòng)閘瓦連接，當(dāng)摩擦材料磨損到一定程度時(shí)，鉚釘會(huì)漏出并與制動(dòng)輪直接作用從而劃傷制動(dòng)輪，導(dǎo)致制動(dòng)器后續(xù)制動(dòng)能力受影響。

制動(dòng)器摩擦片在與制動(dòng)輪摩擦過程中，表面的相互作用，消耗能量的同時(shí)也使得摩擦片表面材料流失或者轉(zhuǎn)移，長(zhǎng)期工作下去最終以磨損形式表現(xiàn)出來。磨損量越大，摩擦副之間的間隙越大，從而需要鐵芯提供更大的行程，也需要制動(dòng)彈簧提供更大的力，最壞的情況是導(dǎo)致制動(dòng)器制動(dòng)能力失效。因此，很有必要對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)閘瓦摩擦材料的厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)磨損量的監(jiān)控能夠最直接地體現(xiàn)制動(dòng)器工作狀態(tài)特征，目前尚無有效手段對(duì)制動(dòng)閘瓦摩擦材料的磨損量進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)計(jì)一種監(jiān)測(cè)制動(dòng)器摩擦片的裝置具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

4 一種電梯制動(dòng)器摩擦片磨損狀態(tài)監(jiān)控方法

基于對(duì)制動(dòng)器摩擦副的研究，擇優(yōu)選擇相關(guān)材料制作相應(yīng)的摩擦片。從電梯安全檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)角度出發(fā)，文中針對(duì)摩擦片長(zhǎng)期磨損量提出了一種新型的監(jiān)測(cè)方法。目前常用的方法有：①直接觀測(cè)法。每隔一段時(shí)間便對(duì)制動(dòng)閘瓦摩擦材料的厚度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)厚度低于廠家的更換標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則及時(shí)更換；②圖像分析法。利用高清攝像機(jī)對(duì)摩擦材料進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并通過圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)閘瓦摩擦材料的實(shí)時(shí)狀態(tài)；③對(duì)制動(dòng)閘瓦的摩擦材料進(jìn)行分層處理，在摩擦材料底部位置設(shè)置一層顏色帶，當(dāng)制動(dòng)閘瓦摩擦材料磨至廠家規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，能在制動(dòng)輪上以顏色的形式進(jìn)行反饋。上述三種方法各有利弊，第一種和第三種雖然成本低，但是需要人不定時(shí)地進(jìn)行檢查，同時(shí)由于現(xiàn)行電梯維護(hù)保養(yǎng)規(guī)則要求電梯每半月保養(yǎng)一次，因此對(duì)電梯制動(dòng)閘瓦摩擦材料的監(jiān)測(cè)有一定的滯后性；第二種方法雖然能對(duì)制動(dòng)閘瓦摩擦材料進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，安全性高，但是隨之而來的成本也高。因此文中提出一種利用摩擦片中預(yù)埋導(dǎo)線，當(dāng)磨損量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，導(dǎo)線破損，監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出停止電梯指令的制動(dòng)閘瓦材料監(jiān)測(cè)方法，集成了實(shí)時(shí)和低成本的優(yōu)點(diǎn)。具體方法如圖2和圖3所示。

圖2 摩擦片

圖3 監(jiān)控裝置電路簡(jiǎn)圖

文中所述摩擦片包括摩擦片本體、導(dǎo)線孔和用于隔熱的石棉層。在制造時(shí)，由于電梯抱閘時(shí)摩擦片主要承受較大的徑向載荷，摩擦片本體開有導(dǎo)線孔承壓能力有所損耗，因此本體采用比壓較大的銅基材料；導(dǎo)線孔應(yīng)均勻分布于摩擦片內(nèi)2 mm 處；工作時(shí)，隨著磨損量的增大，摩擦部分逐漸接近于導(dǎo)線孔。在導(dǎo)線孔內(nèi)側(cè)設(shè)置隔熱的石棉層，能有效地避免摩擦產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致導(dǎo)線未參與摩擦，絕緣層便熔化。導(dǎo)線貫穿于摩擦片，其所有電氣元件連接方式如圖2所示。安全電壓通過空氣開關(guān)QF 連接到接觸器Q1線圈上。Q1的常開觸電連接到PLC 的一個(gè)輸入端。隨著摩擦片磨損量增加，導(dǎo)線參與磨損，當(dāng)導(dǎo)線絕緣層破損后，裸露的導(dǎo)線接觸到制動(dòng)輪，空氣開關(guān)QF 斷開電路，Q1接觸器線圈失電，Q1常開觸點(diǎn)斷開，PLC 預(yù)定輸入點(diǎn)為0，電梯停止，提示維護(hù)人員更換摩擦片。

5 結(jié)束語

電梯制動(dòng)器失效最終以制動(dòng)力不足的形式直觀地體現(xiàn)出來，引起制動(dòng)力不足的主要因素有制動(dòng)器機(jī)械故障和制動(dòng)閘瓦磨損過度，因此對(duì)制動(dòng)閘瓦磨損量的研究，能夠直觀地體現(xiàn)制動(dòng)器的制動(dòng)能力。

文中提出的監(jiān)控方法，能夠?qū)⒅苿?dòng)器閘瓦的磨損狀態(tài)量化，并設(shè)置警戒量，實(shí)時(shí)監(jiān)控磨損狀態(tài)，為檢驗(yàn)和維修人員提供參考，能夠減少由于制動(dòng)力不足引起的電梯沖頂、剪切等安全事故的發(fā)生。