摘要：曳引机制动器是电梯中的重要安全装置，是电梯正常运行、停靠楼层及非正常状态紧急制动的重要安全部件，通过对曳引机制动器拉杆断裂现象的分析，采用宏观分析、化学成分分析、力学性能试验、金相分析、断口扫描电镜等方法，结合理论计算和有限元分析模拟，找到了制动器拉杆断裂失效的原因，提出解决方法，对制动器拉杆安装进行调整，消除拉杆断裂引起的故障，减少了停机损失。
关键词：拉杆；疲劳；接触状态；金相；Workbench
1.引言
曳引机制动器在工地运行中发生失效事故，经拆装发现制动臂装配的拉杆发生断裂，通过宏观观察、金相和显微硬度检测等方法，结合理论计算和有限元分析模拟，确定了45#钢制拉杆螺栓断裂，导致制动器失效。断裂的部位发生在拉杆螺母与拉杆交接处，即拉杆的颈部，经过观察和分析，我们从现场调查、强度理论、零件材质化学成分、工艺性和力学角度进行了分析。
2.现场调查走访
制动器是电梯的重要安全装置，制动器拉杆的断裂又具有突发性，因此在实际运行中存在很大的安全隐患，为此我们进行了深入调查，对实际使用中的制动器使用情况进行了排查，发现如下两个状况：
（1）制动器闸瓦衬磨损
在现场发现有部分电梯制动器闸瓦出现严重磨损，在电梯正常运行的情况下，制动器闸瓦一般不会出现较大的磨损。在现场机器下方，地面上有闸瓦衬磨损的细屑，闸瓦衬垫两侧磨损不均匀，根据现场情况判断，闸瓦出现严重磨损的原因是电梯带闸运行，导致制动器无法打开。
（2）拉杆螺栓和制动臂的安装偏离孔中心
观察螺栓和制动臂其他零件的安装状态，检查拉杆螺母底面和制动臂各个方向的接触状态。测试螺母在制动器动作前后的接触状态是否发生变化，拆下拉杆螺栓，观察螺杆是否有干涉。经检查，发现部分拉杆螺栓，接触状态不佳，出现倾斜及螺母底面部分接触的状况，螺母和制动臂各个方向间隙不一致。接触状态良好的拉杆，通断电两种状态，螺母底面和制动臂接触状态没有改变。
接触面积良好 接触面积少
3.拉杆强度分析
若拉杆强度不足，拉杆在使用一段时间后就会出现断裂，因此进行了拉杆抗拉强度的校核。制动器最大力矩3000N.m，QT500和闸片的的摩擦系数μ取值0.35，45#钢需用抗拉强度[τ]=6×108Pa，安全系数K按动载荷取为2.5，计算如下：
（1）制动轮切向力
T=Mmax/D=3000/0.62=4839N
（2）制动块对制动轮的正压力
N=T/μ=4839/0.35=13826N
（3）制动器拉杆的拉力
F=N×L1/L2=13826×180/535=4651N
（L1=180 L2=535）
（4）拉杆应力
τ=4KF/πd2=4×2.5×4651/（3.14×0.022）=0.37×108Pa＜[τ]
经计算，拉杆的抗拉强度符合要求
4.拉杆Ansys Workbench力学有限元分析
ANSYS是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发的一款有限元分析软件，workbench利用Ansys计算内核，具有装配体自动分析、自动网格划分、快捷的参数优化工具，为设计者提供了极大的便利。
4.1建立模型
拉杆采用45#结构钢，材料属性为弹性模量2.09×1011Pa，泊松比0.269，屈服强度360Mpa，根据工地反馈的拉杆接触状态，将分析模型设为两种接触方式进行建模，并导入ANSYS Workbench进行仿真分析，得到拉杆的应力分析结果，并计算疲劳强度安全系数，从而确定拉杆的安全状况。
按接触状态设置拉杆的两种分析模型如下：
（1）正常接触状态模型（和制动臂全接触）
（2）部分接触状态模型（和制动臂部分接触）
4.2设置边界条件
制动臂A孔处，轴向和径向自由度固定，旋转方向自由度释放
4.3载荷设置
1）拉杆端部设置弹簧，施加弹簧力：刚度 242N/mm，初始预紧力：4651N
2）B孔处设置顶杆开闸力，顶杆受开闸力作用，从静止至移动4.5mm
加载分为为两个载荷步进行
第一载荷步：初始位移0
第二载荷步：在开闸力作用下移动4.5mm
4.4求解并提取结果
分别提取两种模型的分析结果如下：
（1）正常接触状态模型
拉杆螺母根部应力
米塞斯最大应力为45.8Mpa，由45#钢屈服极限360Mpa，计算安全系数：FOS=360/45.8=8>2，因此拉杆静态强度分析满足设计要求。
基于修正古德曼方法，进行疲劳强度计算，求得疲劳强度安全系数为4.1>1.5，正常接粗状态满足疲劳强度要求。
（2）部分接触状态模型
拉杆螺母根部应力
米塞斯最大应力为169Mpa，由45#钢屈服极限360Mpa，计算安全系数：FOS=360/169=2.1>2，因此拉杆静态强度分析满足设计要求
基于修正古德曼由此方法，进行疲劳强度计算，求得疲劳强度安全系数为1.2<1.5，所以部分接触状态不满足疲劳强度要求。部分接触状态受力较为不好，制动器长期往复动作将对拉杆螺栓产生不利影响，电梯长期运行可能导致拉杆产生疲劳断裂的风险。
5.拉杆材质化学成及工艺性分析
将从不同曳引机制动器上拆下的拉杆样品送往检测中心进行分析检验，主要检验项目有：拉杆螺栓头部及颈部区域的锻造变形流线、晶粒度以确认正常锻造，颈部的过渡半径，化学成分，直线度，抗拉强度及硬度。检验结果显示锻造区的晶粒流动良好，结果显示锻造变形流线分布合理，无断流、乱流、回流等现象，如下图
化学和机械性能符合45GB/T 699标准要求，抗拉强度均>800；HB硬度均在240-270之间，
检验样品存在的问题有两个：
（1）拉杆螺栓颈部过渡区半径超出公差范围，可能由于模具磨损引起的，
（2）部分拉杆由直线度问题，有明显弯曲，可能由工艺过程产生，部分拉杆与制动臂接触的面产生了磨损。
根据检验结果，拉杆根颈部半径与图纸不符，而且直线度不好，其中一个拉杆有明显弯曲，由此会产生弯矩作用在拉杆颈部，所以导致拉杆无法和沉孔对中，出现错位，部分接触面受力，制动臂边缘会切割拉杆颈部，导致颈部不正常受力。
6.解决措施
根据以上分析，我们提出以下解决措施
（1）加强拉杆螺栓的制造工艺，严格按照工艺生产，保证拉杆的加工质量，保证过渡圆角尺寸并提高拉杆的表面光洁度。
（2）更新维修保养手册，要求工地检查制动器拉杆螺栓安装状态，保证拉杆安装居中，保证拉杆和制动臂的接触面积；定期检查拉杆的安装情况，适时调整或者更换拉杆；机器维保期间如果发现拉杆螺栓不居中，需要进行调整居中。
经过一段时间调整，逐渐消除了拉杆断裂引起的故障，减少了停机造成的损失。
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论文作者:刘立肖,安云强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/29
标签：拉杆论文; 制动器论文; 螺栓论文; 状态论文; 强度论文; 闸瓦论文; 曳引机论文; 《基层建设》2019年第16期论文;