楊震立 張東平

（重慶市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 重慶 401121）

電梯制動(dòng)器除了在特殊情況下由安全保護(hù)裝置制停電梯以外，它是唯一可以制停電梯的部件。因此，它的重要性不言而喻。為了保證電梯的安全性和正常使用，對(duì)電梯制動(dòng)器的檢驗(yàn)顯得尤為重要，對(duì)此人們開展了多項(xiàng)研究，也提煉出了多種檢驗(yàn)方法[1-5]。但是，上述檢驗(yàn)方法之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及電梯制動(dòng)器在使用過程中產(chǎn)生的缺陷對(duì)制動(dòng)能力的影響，目前相關(guān)的分析研究較少。

1 電梯制動(dòng)器有限元模型的建立

隨著電梯技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)在用電梯中較為主流的是永磁同步形式的曳引機(jī)，因此本文采用了某典型永磁同步曳引機(jī)的圖紙，并建立了三維模型，如圖1所示。

根據(jù)圖1將電梯制動(dòng)過程簡述如下：首先制動(dòng)器鐵芯斷電，然后彈簧產(chǎn)生的力將制動(dòng)臂推向制動(dòng)輪，再由制動(dòng)臂上的閘瓦和制動(dòng)輪接觸產(chǎn)生制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)電梯的制動(dòng)。

為了對(duì)電梯制動(dòng)力矩進(jìn)行仿真分析，本文采用的是有限元法。有限元法是指將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件，

圖1 永磁同步曳引機(jī)的三維模型

從而得到問題的答案。文獻(xiàn)[6-8]中均采用有限元法對(duì)其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行了制動(dòng)性能的仿真分析，表明采用有限元法對(duì)制動(dòng)力矩進(jìn)行仿真分析是可行的。

圖2 電梯制動(dòng)器的有限元模型

在建立有限元模型時(shí)，由于該電梯制動(dòng)系統(tǒng)零部件較多，若將所有零部件都建立有限元模型，計(jì)算效率將大大降低，因此需要進(jìn)一步簡化。由于本文仿真分析的是制動(dòng)力矩，它的產(chǎn)生全部來自于制動(dòng)閘瓦和制動(dòng)輪，所以考慮有限元模型主體由閘瓦和制動(dòng)輪組成，其他零部件由參考點(diǎn)和剛性單元代替。根據(jù)上述思路建立的有限元模型如圖2所示，其中彈簧力加載點(diǎn)由RP-5和RP-6表示，制動(dòng)臂由RP-5、RP-1、RP-3和RP-6、RP-2、RP-4之間的剛性單元表示，制動(dòng)臂下部的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)由RP-3和RP-4表示。

2 電梯制動(dòng)器制動(dòng)力矩的仿真分析

電梯制動(dòng)器的仿真分析分為3步：第1步在閘瓦和制動(dòng)輪之間建立接觸關(guān)系，將制動(dòng)輪和RP-3、RP-4進(jìn)行約束，給彈簧（圖2中參考點(diǎn)RP-5和RP-6）施加一個(gè)10N的力將制動(dòng)臂抱緊，使閘瓦與制動(dòng)輪充分接觸；第2步給彈簧施加實(shí)際的制動(dòng)力；第3步釋放制動(dòng)輪在X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，并施加1個(gè)11．46°的轉(zhuǎn)角，將制動(dòng)輪和閘瓦之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0．3，模擬制動(dòng)輪強(qiáng)制轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦反力矩，該力矩即為實(shí)際的制動(dòng)力矩。仿真分析結(jié)果如圖3所示，其中每一步的時(shí)長為1s，由圖3中橫坐標(biāo)表示。

圖3 電梯制動(dòng)器制動(dòng)力矩的仿真分析結(jié)果

從圖3中可以看到，第1步和第2步?jīng)]有摩擦反力矩，第3步（橫坐標(biāo)2．0~3．0）中摩擦反力矩快速上升至約6．2×106N·mm，表明加載制動(dòng)力時(shí)未出現(xiàn)制動(dòng)力矩，強(qiáng)制轉(zhuǎn)動(dòng)后迅速產(chǎn)生制動(dòng)力矩，符合模型的邊界條件和載荷條件，同時(shí)也驗(yàn)證了模型的正確性。由此可知該電梯的制動(dòng)力矩為6200N·m。

在正常工況下，電梯所產(chǎn)生的力矩由式（1）得到：

電梯參數(shù)為：額定載重1000kg，曳引輪節(jié)徑400mm。重力加速度g取10m/s2，平衡系數(shù)按照最低0．4計(jì)算，在忽略鋼絲繩自重等因素的影響下，根據(jù)式（1）在滿載工況下電梯產(chǎn)生的力矩為1200N·m。

在標(biāo)準(zhǔn)[9]中，要求“轎廂裝載125%重量以額定速度向下運(yùn)行時(shí)，能夠使主機(jī)停止運(yùn)行”，但并未對(duì)制動(dòng)力矩有所要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)式（1）裝載125%重量工況下電梯產(chǎn)生的力矩為1700N·m。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，制動(dòng)力矩為滿載工況下產(chǎn)生力矩的5．17倍，為裝載125%重量下產(chǎn)生力矩的3．65倍，因此可以判斷制動(dòng)力矩是滿足要求的，同時(shí)驗(yàn)證了仿真分析的正確性。

3 電梯制動(dòng)系統(tǒng)存在缺陷的仿真分析

3.1 電梯單臂制動(dòng)

對(duì)于電梯制動(dòng)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)[9]還要求“當(dāng)一組制動(dòng)部件不起作用時(shí)，應(yīng)仍有足夠制動(dòng)力使載有額定載荷以額定速度下行的轎廂減速下行”。根據(jù)該條要求，將有限元模型里其中一側(cè)的制動(dòng)部件及其載荷刪除，其他條件不變，模擬單臂制動(dòng)的工況，并再次進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電梯單臂制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的仿真分析結(jié)果

從圖4中可知，該電梯在單臂制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力矩在前期并不穩(wěn)定。等待閘瓦抱緊后穩(wěn)定在約3300N·m，大于在滿載工況下產(chǎn)生的力矩為1200N·m，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 電梯制動(dòng)彈簧長度異常

根據(jù)制動(dòng)彈簧的工作原理，在彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)一定的情況下，彈簧壓縮量與彈簧力成正比。雖然彈簧長度縮短時(shí)制動(dòng)力矩將會(huì)增大，但是長期的壓縮將會(huì)加快彈簧及其相關(guān)零部件的老化及磨損；彈簧長度過分伸長時(shí)又會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力降低。因此對(duì)于該電梯制動(dòng)彈簧的長度，廠家出廠時(shí)要求其范圍在7~8cm。為了分析彈簧過分伸長時(shí)對(duì)制動(dòng)力矩的影響，對(duì)彈簧長度在極限位置8cm以及再伸長10%（8．8cm）的情況進(jìn)行仿真分析。通過倔強(qiáng)系數(shù)得到彈簧長度為8cm及8．8cm時(shí)制動(dòng)力，然后再調(diào)整有限元模型中對(duì)彈簧施加的制動(dòng)力來模擬彈簧過分伸長，其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 電梯制動(dòng)彈簧長度在極限位置8cm時(shí)制動(dòng)力矩的仿真分析結(jié)果

圖6 電梯制動(dòng)彈簧長度超過極限位置10%（8.8cm）時(shí)制動(dòng)力矩的仿真分析結(jié)果

從圖5和圖6中可以看到，彈簧長度在極限位置8cm時(shí)制動(dòng)力矩為5470N·m，在超過極限位置10%（8．8cm）時(shí)制動(dòng)力矩為3910N·m。彈簧長度伸長量超過極限位置之后，制動(dòng)力矩下降很快，風(fēng)險(xiǎn)迅速增加，因此彈簧必須在要求的范圍內(nèi)。

3.3 電梯制動(dòng)閘瓦磨損

在電梯制動(dòng)閘瓦在長期工作中，可能存在磨損的情況，如邊角處的磨損及劃痕等。在磨損后，閘瓦和制動(dòng)輪的接觸面積將會(huì)減小，制動(dòng)力矩將會(huì)降低。為了分析閘瓦磨損對(duì)制動(dòng)力矩的影響，通過對(duì)有限元模型進(jìn)行調(diào)整，對(duì)制動(dòng)閘瓦模型刪減10%及20%，其他條件不變，模擬閘瓦磨損10%和20%時(shí)，制動(dòng)力矩的變化情況。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 電梯制動(dòng)閘瓦磨損10%時(shí)制動(dòng)力矩的仿真分析結(jié)果

圖8 電梯制動(dòng)閘瓦磨損20%時(shí)制動(dòng)力矩的仿真分析結(jié)果

從圖7和圖8中可以看到，電梯制動(dòng)閘瓦磨損10%時(shí)制動(dòng)力矩為5080N·m，制動(dòng)閘瓦磨損20%時(shí)制動(dòng)力矩為4060N·m，閘瓦磨損不大時(shí)制動(dòng)力矩有一定降低，磨損較大時(shí)制動(dòng)力矩減少較多，存在風(fēng)險(xiǎn)。

4 電梯制動(dòng)器檢驗(yàn)關(guān)注點(diǎn)的分析探討

為了方便分析探討電梯制動(dòng)器檢驗(yàn)相關(guān)問題，本文提出一個(gè)新的概念：電梯制動(dòng)安全系數(shù)，由字母n表示，其計(jì)算公式為：

其中：n——電梯制動(dòng)安全系數(shù)；

M——電梯制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩；

m——電梯所產(chǎn)生的力矩。

結(jié)合電梯檢驗(yàn)的相關(guān)要求，以及本文的仿真分析以及式（2），將所有分析結(jié)果及其制動(dòng)安全系數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，列入表1中。

表1 電梯制動(dòng)器仿真結(jié)果匯總

表1中的內(nèi)容可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討：

1）電梯滿載時(shí)，制動(dòng)安全系數(shù)達(dá)到5．17，若考慮平衡系數(shù)等因素的影響，該系數(shù)將會(huì)更高。因此，正常情況下能夠滿足使用要求。該系數(shù)由本文所用的有限元模型計(jì)算得出，與本文選用的電梯結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，僅能代表該電梯的結(jié)果。對(duì)于不同品牌、不同結(jié)構(gòu)的電梯，制動(dòng)安全系數(shù)皆不相同。通過該有限元模型計(jì)算，可以開展不同結(jié)構(gòu)電梯的制動(dòng)安全系數(shù)的比較和評(píng)價(jià)。

2）目前電梯檢規(guī)中要求滿5年的電梯均要進(jìn)行125%載荷下行制動(dòng)試驗(yàn)。從仿真結(jié)果來看，在制動(dòng)器正常情況下125%載荷下行制動(dòng)時(shí)制動(dòng)安全系數(shù)為3．65，另外，考慮維護(hù)保養(yǎng)、自然磨損等因素，實(shí)際的安全系數(shù)將可能進(jìn)一步的降低。因此，采用該試驗(yàn)來驗(yàn)證使用一定年限的電梯制動(dòng)性能是十分必要的。

3）125%載荷試驗(yàn)需要耗費(fèi)一定的物力和人力。因此，通過采用其他簡便方法來驗(yàn)證電梯的制動(dòng)性能對(duì)開展這項(xiàng)工作具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)仿真分析結(jié)果，電梯空載上行時(shí)單臂制動(dòng)的制動(dòng)安全系數(shù)為4．13，較125%載荷下行制動(dòng)試驗(yàn)的制動(dòng)安全系數(shù)略高，可以近似的考察制動(dòng)能力。同時(shí)電梯空載上行時(shí)單臂制動(dòng)試驗(yàn)還能單獨(dú)考察各制動(dòng)臂的制動(dòng)性能，因此可以考慮由該試驗(yàn)代替125%載荷下行制動(dòng)試驗(yàn)。

4）制動(dòng)彈簧在伸長達(dá)到極限位置時(shí)，制動(dòng)安全系數(shù)由5．17下降至4．56，下降幅度不大，在正常使用時(shí)能夠接受；但若超過10%，制動(dòng)安全系數(shù)快速下降至3．26，比125%載荷下行制動(dòng)時(shí)更低，容易造成安全隱患。因此制動(dòng)彈簧的長度非常重要，在檢驗(yàn)過程中應(yīng)引起足夠重視，確保彈簧長度在廠家要求的范圍以內(nèi)。

5）制動(dòng)閘瓦磨損10%時(shí)，制動(dòng)安全系數(shù)由5．17下降至4．23，和電梯空載上行時(shí)單臂制動(dòng)的制動(dòng)安全系數(shù)相當(dāng)，若長期使用將存在安全隱患；制動(dòng)閘瓦磨損20%時(shí)，制動(dòng)安全系數(shù)為3．38，比125%載荷下行制動(dòng)時(shí)更低，容易造成安全隱患。因此在檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)閘瓦的磨損量情況進(jìn)行關(guān)注，磨損量較大應(yīng)及時(shí)更換。

6）對(duì)于制動(dòng)輪上有油污、閘瓦材質(zhì)發(fā)生變化等其他制動(dòng)器缺陷未進(jìn)行仿真分析和探討，是因?yàn)檫@類缺陷會(huì)明顯的嚴(yán)重降低制動(dòng)力矩，同時(shí)，也無法精確地進(jìn)行模擬仿真。但是在實(shí)際檢驗(yàn)過程中應(yīng)仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)類似問題應(yīng)立即整改。

5 總結(jié)

1）根據(jù)永磁同步曳引機(jī)的圖紙，建立了電梯制動(dòng)器的有限元模型以及制動(dòng)力矩的仿真分析方法，并完成電梯制動(dòng)器制動(dòng)力矩的仿真分析。

2）根據(jù)電梯制動(dòng)器檢驗(yàn)中存在的各種缺陷，對(duì)5種不同情況下電梯制動(dòng)器制動(dòng)力矩進(jìn)行了仿真分析。

3）引入新的概念：電梯制動(dòng)安全系數(shù)，并根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了分析探討，得到了6條結(jié)論，為檢驗(yàn)方法和檢規(guī)的修訂，以及檢驗(yàn)和維保人員對(duì)電梯制動(dòng)器性能的判斷提供了參考。