(浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310012)
摘要：电梯是涉及人身安全的特种设备，主要用于各种各样的场合,如楼房、船舱、航站楼等。目前，我国的电梯保有量、年产量、年增长已经高居世界第一，年均增长量达到近20%，电梯产业已成为我国传统制造业不可或缺的部分。随着电梯数量的逐渐增加，电梯事故也越来越多。作为核心部件的制动器失效引起的事故造成了很大的财产损失和人员伤亡，因此必须从设计阶段保证电梯制动系统的可靠性。本文在此基础上主要研究乘客电梯块式制动器故障模式及其热疲劳寿命的相关内容，仅供参考。
关键词：乘客电梯；块式制动器；故障模式；热疲劳寿命
1块式制动器基本结构
乘客电梯块式制动器主要由电磁线圈、传感部分、手动调整装置、制动弹簧、制动静板、衔铁、舌板、闸瓦和导向螺栓等组成。乘客电梯块式制动器各部分间的连接关系如下：（1）制动弹簧一端安装在制动静板上的弹簧安置孔中，制动弹簧的另一端安装在制动动板上的弹簧安置孔中，提供用于抱闸的制动力；（2）制动静板固定在机架上，电磁线圈安装于制动静板的安置槽内，线圈通电提供松闸动力；（3）制动闸瓦通过螺栓固定在制动动板上，制动时与制动轮接触产生摩擦力，通过摩擦力制动。
2乘客电梯块式制动器故障模式分析
乘客电梯块式制动器在经过长时间工作后，制动轮和闸瓦易磨损且制动轮产生疲劳裂纹易导致制动失效，电气元件老化易导致制动器动作不灵敏而影响制动效果，故需对制动器的性能进行检验，确定制动器的主要故障模式。一般来说，电梯制动器的故障模式主要体现为抱闸失效和松闸失效，以下做具体分析。
2.1抱闸故障原因分析
电梯块式制动器出现抱闸失效情况有多种原因，如：机械机构故障及电路故障，具体分析如下：（1）制动器不抱闸主要包括：电磁线圈剩磁过大，导致电磁力不能及时消失；衔铁有卡阻，导向螺栓安装角度偏差过大或者导向孔有杂质；周围的环境灰尘过多或者湿度很大。（2）制动力矩不足：制动弹簧出现疲劳失效或刚度系数发生变化；制动器工作间隙长期未调整导致工作间隙过大；开闸电压不足导致闸瓦磨损过大；紧急制动时闸瓦制动轮剧烈接触，磨损过大；制动衬料上有油污掉落。
2.2松闸故障原因分析
电梯块式制动器松闸失效可以分为：松闸动作慢和不松闸。根据电梯松闸的具体过程，主要原因分析如下：松闸动作慢；制动器缺相，电源电压不稳定造成指令信号紊乱；制动器导向构件有卡阻；制动器带闸运行；制动弹簧力过大，导致制动力矩过大；松闸电压过低，电磁铁缺磁，导致电磁力小于制动力；制动器工作间隙过小，导致衔铁行程过小。
3乘客电梯块式制动器热疲劳寿命分析
3.1疲劳破坏基本特征
块式制动器在紧急制动过程中，某点或某些点受到扰动的应力，每次紧急制动都会形成疲劳损伤累积。在足够多循环扰动下，制动器闸瓦或者制动轮接触表面会形成裂纹或完全断裂，即发生局部的、永久的结构变化发展过程，称为块式制动器疲劳。疲劳破坏的种类很多，根据载荷类型不同可以分为：因温度变化导致应力发生变化的热疲劳损坏；因部件受到循环交变应力导致疲劳破坏；因部件所在环境受到腐蚀而产生的疲劳破坏等。
3.2疲劳寿命分析方法
疲劳损伤理论认为材料处于高于其疲劳极限的情况下会发生疲劳损坏，而这个损坏的过程可以积累，等随着循环次数的增加疲劳损伤值达到材料的疲劳的临界值时材料会发生破坏。制动器在紧急制动工况下，闸瓦和摩擦片接触区域应力很大，在经过多次制动后，制动轮或闸瓦出现裂纹，导致疲劳失效。目前，疲劳损伤理论主要包括以下三种：（1）性疲劳累积损伤理论。线性疲劳累积损伤理论假定材料的疲劳损伤是线性累加的，此时只要已知材料的S-N曲线即可求出零部件受到复杂载荷作用时的疲劳寿命。（2）非线性疲劳累积损伤理论。非线性疲劳累积损伤理论认为零部件表面多处均可能出现损伤，且零部件所受应力水平决定了损伤源的数目。（3）双线性疲劳累积损伤理论。对疲劳损伤过程中存在的裂纹的形成和裂纹的扩展这两个阶段采用两条直线分别表示。该理论把裂纹的形成寿命和裂纹的扩展寿命用材料总寿命来表示，再对这两阶段分别采用线性疲劳累积损伤理论进行计算。根据乘客电梯制动器的结构形式，采取线性疲劳累积损伤理论，利用名义应变法来预测块式制动热器疲劳寿命。
3.3制动轮三向应力分布
由于制动器在紧急制动工、反复高温和应力循环作用下，材料的强度逐渐减弱，易导致制动轮和制动闸瓦萌生裂纹，导致制动性能下降或制动失效。在紧急制动工况下，大量摩擦热短时间内流入制动轮和制动闸瓦。制动器由于热膨胀会发生塑性变形，冷却阶段在线弹性应变范围内的区域恢复，而发生塑性变形的区域则会产生拉应力。因此，在计算制动器寿命之前，先分析制动轮三向应力分布情况。结合制动轮不同时刻轮面三向应力变化图可知：制动轮与闸瓦接触区域主要受压应力的作用，制动轮周向应力和轴向应力明显大于径向应力。当闸瓦离开接触区域后，应力由压应力变为拉应力，但拉应力幅值比起之前压应力的幅值仍较小，主要由周向和轴向应力致使制动轮疲劳失效。当制动刚开始时，周向受到的压应力迅速增大，同时该区域也是高温区域，周向应力大于径向应力；在制动过程中，制动轮处于残余拉应力和热压应力循环作用，且随着制动次数的增加制动轮表面会产生低周疲劳。
3.4基于Mason-Coffin的热疲劳寿命分析
依据块式制动器在Abaqus中得到的热机耦合仿真结果，获取应力应变的分布规律。结合制动轮材料的疲劳寿命性能曲线，应用疲劳分析理论可以计算出制动轮的热疲劳寿命分布。其中，图1为经典的热疲劳寿命分析流程图。根据制动器的热机耦合仿真分析结果提取危险部位100组数据，计算一次紧急制动过程中制动轮的热疲劳损伤，并通过线性疲劳损伤累积假说计算制动轮的热疲劳寿命。
4结束语
本文以乘客电梯块式制动器为研究对象，对电梯块式制动器进行静动态特性分析、故障模式分析、热机耦合仿真分析以及热疲劳寿命计算，取得的成果如下：根据块式制动器制动轮三向应力的分布特性，确定制动轮外表面危险部位最大应力部位，即易发生热疲劳失效的部位；结合热疲劳分析基本理论并采用Manson-Coffin预测了制动轮在紧急制动下的热疲劳寿命。
参考文献:
[1]张路路.贝叶斯网络系统可靠性分析及故障诊断方法研究[D].山东建筑大学,2015:13-23.
[2]顾菲.乘客电梯中分式层门系统机械故障机理及可靠性分析[D].浙江理工大学,2018:24-37.
[3]夏军,任金宝.地铁车门故障模式的可靠性评估[J].机械制造与自动化,2014(05):185-188.
[4]刘萍,程晓卿,秦勇,等.基于模糊故障树的塞拉门系统可靠性分析:2013年我国智能自动化会议,扬州[C],2013(44):313-314.
论文作者:邵鑫,邵光杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/21
标签：制动器论文; 疲劳论文; 应力论文; 闸瓦论文; 乘客电梯论文; 损伤论文; 寿命论文; 《电力设备》2019年第10期论文;