劉 林

（沈陽特種設備檢測研究院，沈陽 110035）

隨著社會的發展，電梯作為一種重要的交通運輸工具，數量日漸增長，在人們日常生活中起到了重要作用。制動器作為電梯的核心零部件，其制動安全性保障著電梯乘客的人身安全，特別是近年頻頻發生制動失效引發的墜落和沖頂事故的情況下[1-2]。制動過程本質上是摩擦生熱過程，過程中閘瓦、制動輪表面會產生大量熱量。制動器摩擦生熱會出現分布不均勻的溫度場，而不均勻的溫度場又會影響閘瓦的接觸狀態和接觸應力，進一步影響制動過程和溫升變化。因此，電梯的制動求解是一種典型的熱力耦合現象。此外，制動過程中突增的溫度不僅會引起制動器的內應力和疲勞損傷，嚴重時甚至會引起制動器制動力矩降低。因此，必須對電梯制動器閘瓦在制動過程中的溫升特性進行研究[3-4]，利用ANSYS軟件對電梯制動器進行熱力耦合分析，從而為定期檢驗提供理論指導。

1 電梯制動器有限元模型

1.1 電梯制動器工作原理

制動器是電梯安全平穩運行不可缺少的重要裝置，能夠在電梯電源被切斷時自行動作，使得制動閘瓦抱住制動輪停止電梯的運行。電梯到站時，制動器應能夠保證在125%額定載荷情況下使電梯靜止不動。當電梯運行中出現超速并達到限速器動作速度時，制動器先動作，對制動輪實施制動，使電梯停止運行。

1.2 制動器有限元模型的建立

在電梯制動器制動過程中，制動輪和閘瓦是制動摩擦產生的主要部件。此過程中產生的熱量主要由這兩個部件吸收，因此它們在制動過程中溫度能迅速升高。使用UG軟件建立制動輪和閘瓦的三維模型，去除模型中對耦合特性影響甚微的細小結構，如小孔、小凸臺以及倒角等，以提高網格劃分的質量。將建立的模型以生成樹協議（Spanning Tree Protocol，STP）格式導入有限元軟件ANSYS，使用前處理模塊對模型劃分網格進行離散化處理。由于熱力耦合是一個高度非線性問題，劃分網格時為節約計算時間和確保有限元計算的準確度，需要合理控制網格密度。本文將整個有限元模型分為2 115個單元，劃分的模型如圖1所示。閘瓦的材料為石棉橡膠銅網版，制動輪材料為ZG1Cr13，摩擦副的材料特性如表1和表2所示。

圖1 制動器網格模型

表1 制動輪材料參數

表2 閘瓦材料參數

1.3 邊界條件

假設電梯制動過程做勻減速運動，取電梯的額定速度為2 m·s-1，對制動輪旋轉中心施加初始角速度。仿真過程中，設置環境溫度為30 ℃，旨在得到機房真實的溫度變化數據。此外，對閘瓦的外表面施加均勻分布的制動壓力[3]，且約束閘瓦外表面x方向的位移自由度。在建立制動器的三維模型后，設置閘瓦的材料屬性，并將閘瓦的表面設置為與周圍空氣自然對流，忽略熱輻射影響。

2 仿真結果分析

將建立的制動器有限元模型在ANSYS中進行有限元仿真。經計算分析，得到不同磨損程度閘瓦的整個熱力耦合的溫升變化特性和制動結束不同時刻的溫度分布規律[5]。不同制動時刻閘瓦的溫度場分布云圖，如圖2所示。

圖2 不同制動時刻無磨損閘瓦溫度分布云圖

由圖2可知，整個制動過程中，閘瓦的溫度先升高后下降。由于摩擦產生摩擦熱流，閘瓦的高溫總是出現在摩擦區域附近。閘瓦在制動中期1.60 s左右達到最高溫度267.12 ℃，在制動最后時刻溫度下降為187.49 ℃，且閘瓦的內徑處溫升變化很小，這是因為內徑處的溫升變化是由于摩擦熱流的熱傳導作用引起的[6]。因為閘瓦材料為樹脂材料，具有低導熱特性，難以快速傳遞溫升變化，所以閘瓦在徑向方向的溫升變化較大。在制動壓力和摩擦力的作用下，閘瓦摩擦區域的入口處摩擦熱流輸入也會多于閘瓦其他區域。這是因為入口處會受到更大的機械應力，但閘瓦比制動輪的導熱性能差很多，且長期處于熱流流入和對流散熱的周期性變化狀態，因此閘瓦的出口處的溫度要高于入口處。最高溫度與摩擦輸入熱流和熱交換的條件有關，輸入熱流主要取決于摩擦系數和接觸壓力。熱交換的條件主要是與空氣的對流換熱和熱傳導作用有關。

為了研究分析閘瓦有無磨損工況下的溫升特性，選取完好閘瓦與上下邊角磨損閘瓦分別進行仿真分析。在邊界條件及約束載荷一致的情況下，對閘瓦制動過程進行分析，結果如圖3所示。仿真結果表明，在電梯緊急制動時，有磨損閘瓦和無磨損的閘瓦最高溫度分別為267.12 ℃和263.54 ℃。這是因為有磨損閘瓦由于磨損不能與制動輪完全貼合，制動過程中摩擦生熱的能力相對來說較弱[7-8]。相同的摩擦接觸區域同完好閘瓦仿真結果相比，它在徑向上具有一定的溫度梯度。

圖3 閘瓦溫度分布云圖

3 結語

整個制動過程中，閘瓦的溫度先升高后下降，且閘瓦的高溫總是出現在摩擦區域附近。內徑處的溫升變化由于摩擦熱流的熱傳導作用，導致閘瓦在徑向的溫度分布梯度較大。為探究電梯制動器溫升的主要影響因素，本文改變仿真中的閘瓦磨損度，在其他約束條件不變的情況下，分別對電梯緊急制動過程進行模擬仿真，研究閘瓦溫度場的變化規律。仿真結果表明，在電梯緊急制動時，有磨損閘瓦和無磨損閘瓦的最高溫度分別為267.12 ℃和263.54 ℃。