電梯制動器安全性能探討

王福強(qiáng)

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院三明分院，福建 三明 365000）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，人們出門代步的工具越來越多，包括飛機(jī)、高鐵、汽車，還有日常上下樓的電梯。代步工具安全可靠的制動是享受舒適便利的保障，近年來，由于某品牌電梯沖頂事故的發(fā)生，全國各地都開展了電梯鼓式制動器安全隱患排查治理。制動器失效帶來的人身傷亡和輿情值得整個行業(yè)反思，本文就針對新制造標(biāo)準(zhǔn)下電梯制動器的安全性能進(jìn)行探討。

1 制動器常見失效模式

常見電梯制動器按制動面分類有盤式制動器（圖1（a））、錐形制動器和鼓式制動器，鼓式制動器又分為杠桿鼓式制動器和直壓鼓式制動器（圖1（b））。杠桿鼓式制動器（圖2）主要由電磁鐵、制動襯、制動臂、制動彈簧、制動器提起與釋放檢測裝置、調(diào)節(jié)螺母、鎖緊螺母等組成。

圖1 直壓鼓式制動器和盤式制動器

圖2 杠桿鼓式制動器

制動器常見失效模式一般分為機(jī)械原因和電氣原因。

（1）機(jī)械原因有制動器卡阻、制動力不足拖閘、閘瓦脫落、制動輪表面油污、制動鐵芯生銹、制動鐵芯有臺階、抱閘間隙不當(dāng)、抱閘行程過小、銷軸脫落、彈簧失效等。

（2）電氣原因有接觸器觸點(diǎn)粘連，接觸器觸點(diǎn)接觸不良，接觸器不獨(dú)立，線圈欠電壓，抱閘控制板缺陷或故障，抱閘線圈誤動作（剩磁感應(yīng)電流）等。

2 電梯制動器新舊制造標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

2022年7月1日，《電梯制造與安裝安全規(guī)范第1部分：乘客電梯和載貨電梯》（GB/T 7588.1—2020）[1]開始實(shí)施，替代GB 7588—2003。關(guān)于機(jī)電式制動器，GB/T 7588.1—2020（以下簡稱GB 7588.1）相對于GB 7588—2003主要有以下五個方面內(nèi)容的改進(jìn)：

（1）制動襯塊應(yīng)有磨損后更換的警示信息。

（2）過載和（或）過流保護(hù)裝置（如有時）動作時，應(yīng)同時切斷驅(qū)動主機(jī)供電。

（3）在電動機(jī)通電之前，制動器不能通電。

（4）松閘可通過機(jī)械或電氣裝置進(jìn)行。電氣松閘應(yīng)有足夠容量將轎廂移動到層站，手動松閘不應(yīng)導(dǎo)致制動功能失效。應(yīng)能從井道外獨(dú)立地測試每個制動組。

（5）自監(jiān)測應(yīng)監(jiān)測制動器的正確提起（或釋放）或驗(yàn)證其制動力，如果檢測到失效，應(yīng)防止電梯的下一次正常啟動。制動器正確提起和釋放的過程如圖3、圖4所示。

圖3 制動器正確提起過程

圖4 制動器正確釋放過程

3 制動器作為相關(guān)保護(hù)裝置核心部件的制造標(biāo)準(zhǔn)要求

永磁同步電梯的制動器通常還作為轎廂上行超速保護(hù)裝置（ACOP）的減速部件和轎廂意外移動保護(hù)裝置（UCMP）的制停部件。GB 7588.1明確了制動器內(nèi)部冗余的概念，即符合5.9.2.2.2規(guī)定的制動器認(rèn)為是存在內(nèi)部冗余。減速（或制停）部件存在內(nèi)部冗余且自監(jiān)測正常工作，相當(dāng)于明確符合標(biāo)準(zhǔn)的無齒輪曳引機(jī)冗余制動器無須另外配置獨(dú)立的ACOP和UCMP。如表1所示，GB 7588.1明確了作為ACOP和UCMP的制動器自監(jiān)測的具體要求，并提出了作為ACOP和UCMP的制動器配套其他制動裝置（電氣制動）的概念。

表1 制動器自監(jiān)測要求

4 制動器的殘余風(fēng)險分析

GB 7588.1關(guān)于制動器的理論框架是科學(xué)和正確的，結(jié)合事故案例，增加了許多制動器的新要求，降低了制動器的風(fēng)險。但即使實(shí)施了GB 7588.1，制動器仍有殘余風(fēng)險。

4.1 制動器的溫升問題

電梯高頻率運(yùn)行時電機(jī)升溫傳導(dǎo)至制動盤，制動盤和制動閘瓦過熱膨脹產(chǎn)生摩擦（或制動器過熱電阻增加，電磁力下降閘瓦擦碰制動盤），導(dǎo)致閘瓦炭化或變薄，造成制動力下降。《電梯型式試驗(yàn)規(guī)則》（TSG T7007—2016）[2]規(guī)定：制動器安裝在驅(qū)動主機(jī)或能完全模擬實(shí)際工作狀態(tài)的試驗(yàn)工裝上，進(jìn)行周期為（5±1）s的連續(xù)不間斷動作試驗(yàn)，試驗(yàn)時通電持續(xù)率取40%和電梯驅(qū)動主機(jī)通電持續(xù)率的較大值。但試驗(yàn)時通電持續(xù)率取40%無法覆蓋正常電梯的使用工況。

4.2 兩組制動部件不完全獨(dú)立

GB 7588.1規(guī)定了所有參與向制動輪（盤）施加制動力的制動器機(jī)械部件（鐵芯被視為機(jī)械部件，而電磁線圈則不是）至少分兩組裝設(shè)。然而杠桿鼓式制動器機(jī)械部分雖然按標(biāo)準(zhǔn)分兩組裝設(shè)，但電磁鐵動鐵芯還是通過同一個電磁線圈和松閘頂桿打開制動器。不完全獨(dú)立的兩組制動部件同時失效的概率高于兩組制動部件完全獨(dú)立的制動器。

4.3 制動力不足的風(fēng)險

GB 7588.1 規(guī)定了電梯125%Q 制動能力和單邊100%Q制動能力，Q為電梯的額定載重量。但這也說明三個問題：

（1）標(biāo)準(zhǔn)對制動能力的設(shè)定沒有裕量，尤其是考慮到轎廂可能超載的情況。

（2）在產(chǎn)品的整個使用壽命中，存在著制動力過度下降的風(fēng)險。從圖5可以看出，Ⅰ區(qū)處于磨合期，在較短的時間內(nèi)，制動力矩上升達(dá)到設(shè)定值；Ⅱ區(qū)在較長周期內(nèi)，制動力矩穩(wěn)定波動；Ⅲ區(qū)經(jīng)長期使用后制動彈簧疲勞、閘瓦磨損，制動力矩出現(xiàn)明顯的逐漸下降。

圖5 制動器制動力矩波動圖

（3）檢規(guī)[3]對在用電梯制動能力的檢驗(yàn)要求基本是合理的，但目前沒有進(jìn)行最危險的單邊100%Q制動能力試驗(yàn)。

4.4 制動器自監(jiān)測的風(fēng)險

針對GB 7588.1對于制動器自監(jiān)測的要求，筆者存在以下幾點(diǎn)疑問：

（1）a、b、c方案是否為并列和彼此可替代的關(guān)系？

（2）制動力自監(jiān)測和開關(guān)監(jiān)測是否可以彼此替代？

（3）開關(guān)監(jiān)測中的正確提起驗(yàn)證和釋放驗(yàn)證是否可以彼此替代？

（4）制動力自監(jiān)測周期為什么是24 h，經(jīng)過監(jiān)測后是否能保證未來24 h制動器的安全？

（5）制動力監(jiān)測的閾值是多少？

（6）根據(jù)b和c，制造單位對制動力自監(jiān)測設(shè)計(jì)值是否有約束？

制動器制動力監(jiān)測存在的風(fēng)險：制動力的衰減是緩慢的，例如彈簧的自然退化、閘瓦的自然磨損、零部件磨損或配合公差的自然變化。但制動力監(jiān)測沒有考慮制動力突然衰減或消失的風(fēng)險，例如表2列舉的事件，GB 7588.1所規(guī)定的制動力24 h監(jiān)測是存在盲區(qū)的。

表2 制動力突然衰減消失引發(fā)事故

制動器開關(guān)監(jiān)測存在的風(fēng)險：制動器不能打開和不能關(guān)閉的失效風(fēng)險模式是完全不同的，兩者對應(yīng)不同的故障類型，無替代關(guān)系。不能打開即帶閘運(yùn)行，不能關(guān)閉即制動力突然消失或下降。但目前多數(shù)電梯廠家普遍采用打開監(jiān)測，卻不對更重要的關(guān)閉進(jìn)行監(jiān)測。如圖3、圖4所示，制動器的正確提起和釋放過程是分三個階段的，監(jiān)測開關(guān)的動作行程和使用過程中的抖動都可能造成錯誤的監(jiān)測。

5 制動器殘余風(fēng)險下的策略

對于制動器溫升的問題，曳引機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)[4]和電梯型式試驗(yàn)規(guī)則并不是沒有考慮。在設(shè)計(jì)規(guī)定的工作制、負(fù)載持續(xù)率、啟（制）動次數(shù)的運(yùn)行條件下，無減速裝置主機(jī)的電動機(jī)線圈應(yīng)當(dāng)符合：電動機(jī)定子繞組和制動器線圈在采用B級或者F級絕緣時，溫升分別不超過80 K或105 K。但試驗(yàn)時通電持續(xù)率取40%未能覆蓋制動器的使用工況，參照《公共建筑電梯性能和選型配置要求》（DB 4403/T 7—2019）[5]通電持續(xù)率取60%是可以借鑒的。

對于制動器兩組制動部件不完全獨(dú)立風(fēng)險，可以擴(kuò)大必須分組裝設(shè)機(jī)械部件的范圍，大膽淘汰傳統(tǒng)鼓式制動器，應(yīng)從制動器附屬部件、制動器相鄰部件、環(huán)境因素和人為因素四個方面盡量避免一次偶然事件影響兩組制動部件的可能。

對于制動器GB 7588.1的總體指導(dǎo)思想可以總結(jié)為三點(diǎn)：性能足夠、結(jié)構(gòu)冗余、自監(jiān)測。但支撐制動器安全的三大支柱都出現(xiàn)了殘余風(fēng)險，而這些風(fēng)險分散在設(shè)計(jì)、制造、使用的各個環(huán)節(jié)中，將來應(yīng)有其他某種保護(hù)裝置來保護(hù)失效的制動器。

GB 7588.1全文不止一次提到電氣制動，也就是驅(qū)動主機(jī)封星。雖然封星技術(shù)的應(yīng)用不能降低制動器失效的概率，但可作為制動器失效后的一項(xiàng)保護(hù)措施，進(jìn)一步提升電梯的安全性能。

封星技術(shù)是通過短接永磁同步曳引機(jī)的三相繞組，也就是星形的接線方式，利用電機(jī)的原理，停止或限制轎廂的非正常移動，從而防止事故發(fā)生。當(dāng)然，也有和傳統(tǒng)封星技術(shù)不同的封星方式，例如對電機(jī)供電，使電機(jī)產(chǎn)生相反的電磁轉(zhuǎn)矩。封星可分硬封星和軟封星，硬封星是利用接觸器短接實(shí)現(xiàn)封星，軟封星是利用IGBT模塊短接實(shí)現(xiàn)封星。如表3所示，硬封星和軟封星各具特點(diǎn)和優(yōu)劣勢。目前已有電梯廠家做到軟硬封星相結(jié)合，通過雙重保障，更加有效地降低乘客受到傷害和電梯損壞的風(fēng)險。

表3 硬封星和軟封星的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢

6 結(jié)語

相對于舊標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)的全面實(shí)施無疑進(jìn)一步提升了電梯制動器的安全性能。消除制動器的殘余風(fēng)險是現(xiàn)階段的努力方向，“安全”制動器則是整個行業(yè)的愿景。本著電梯乘客生命至上的原則，一方面要站在電梯的整體高度上真正把握風(fēng)險，創(chuàng)新思維，進(jìn)一步改善制動器的安全措施；另一方面要站在電梯的整體維度上提高維保能力和檢驗(yàn)質(zhì)量，恪守職業(yè)良知，全力保障在用電梯的制動器安全。