電梯制動(dòng)器安全性能監(jiān)測(cè)方法綜述*

周葉平，秦智軍，汪有韜，陳星斌，毛錦榮

（江西省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，南昌 330096）

0 引言

隨著城市化的快速發(fā)展，工業(yè)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，以及人們對(duì)美好生活的不斷追求，電梯數(shù)量急劇增加，其安全運(yùn)行直接關(guān)系著廣大人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。電梯每天24 h 運(yùn)作，制動(dòng)器工作頻次高，且每到平層1次均需要?jiǎng)幼?次，而像酒店、醫(yī)院、學(xué)校等人口較密集的場(chǎng)所，乘客電梯制動(dòng)器動(dòng)作頻次高達(dá)240 次/h。制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)諸多制動(dòng)效能變差和疲勞失效等問(wèn)題，制動(dòng)器因此也成為電梯安全系統(tǒng)故障的高發(fā)區(qū)，電梯的每次安全運(yùn)行都與重要安全部件制動(dòng)系統(tǒng)（制動(dòng)器）的可靠動(dòng)作密不可分。電梯的安全運(yùn)行離不開(kāi)制動(dòng)器，無(wú)論是在正常情況下的制停平層，還是在故障情況下的緊急制停，都需要制動(dòng)器有效配合，否則將會(huì)導(dǎo)致開(kāi)門溜車（人員剪切事故）、轎廂沖頂（人員擠壓事故）、轎廂蹲頂（人員撞擊）等重大安全事故，近年來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致的事故如表1所示。

表1 電梯制動(dòng)器故障事故

制動(dòng)系統(tǒng)（制動(dòng)器）的安全可靠與穩(wěn)定動(dòng)作，對(duì)電梯的安全運(yùn)行影響巨大。電梯制動(dòng)器的安全檢查從出廠檢測(cè)、法定檢驗(yàn)、日常維保貫穿整個(gè)生命周期。出廠檢測(cè)由生產(chǎn)單位或型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)室通過(guò)專用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)制動(dòng)器性能進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器的安裝使用前的狀態(tài)檢測(cè)。法定檢驗(yàn)包括監(jiān)督檢驗(yàn)和每年的定期檢測(cè)，檢驗(yàn)規(guī)程對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)（制動(dòng)器）的檢驗(yàn)項(xiàng)目，以定性檢查為主，主要檢驗(yàn)項(xiàng)目分為2大類：一類是部件外觀檢查，包括①制動(dòng)器動(dòng)作性靈活；②制動(dòng)閘瓦是否能緊密、均勻地貼合在制動(dòng)輪上，運(yùn)行時(shí)是否發(fā)生摩擦；③制動(dòng)閘瓦以及制動(dòng)輪工作面的有無(wú)油污。另一類是滿載（或125%載荷）工況下的制動(dòng)試驗(yàn)。以上2類檢驗(yàn)項(xiàng)目，均只能實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)（制動(dòng)器）的定性檢查，均不能有效地表征出檢驗(yàn)時(shí)制動(dòng)器的安全可靠狀況。

當(dāng)前TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》第2號(hào)修改單附件A中“制動(dòng)”一詞出現(xiàn)了43頻次，可見(jiàn)國(guó)家相關(guān)職能部門對(duì)電梯制動(dòng)性能的重視程度。鑒于電梯檢驗(yàn)和保養(yǎng)維護(hù)過(guò)程中只能定性對(duì)電梯制動(dòng)性能進(jìn)行檢查和維護(hù)，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)電梯制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)進(jìn)行了深入地研究，研究的焦點(diǎn)有制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量、制動(dòng)輪與閘瓦間隙的測(cè)量、閘瓦磨損量測(cè)量、制動(dòng)力矩測(cè)量、制動(dòng)距離測(cè)量、制動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、制動(dòng)器溫度測(cè)量、制動(dòng)器電機(jī)電流及噪聲監(jiān)測(cè)等[1]方面。本文針對(duì)上述9個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的綜述，一定程度上為電梯制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)研究工作提供技術(shù)基礎(chǔ)支撐。

1 電梯制動(dòng)器本體直接監(jiān)測(cè)量

當(dāng)前曳引驅(qū)動(dòng)電梯中（額定速度小于3.0 m/s），70%電梯采用鼓式制動(dòng)和塊式制動(dòng)器，因塊式制動(dòng)器本質(zhì)上是鼓式制動(dòng)器的變形，其工作原理類似，比起鼓式制動(dòng)，塊式制動(dòng)省去的制動(dòng)臂，縮短了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間[2]。本文以鼓式制動(dòng)器為例介紹其工作原理，鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，工作原理：制動(dòng)器電磁線圈1得電產(chǎn)生電磁吸力，鐵芯吸合頂桿2向兩邊頂出，迫使制動(dòng)臂5克服制動(dòng)彈簧3的壓力繞銷軸張開(kāi)，致使制動(dòng)輪4與制動(dòng)瓦6分離，從而實(shí)現(xiàn)曳引輪的旋轉(zhuǎn)，完成制動(dòng)器的釋放過(guò)程。當(dāng)制動(dòng)器電磁線圈1失電電磁力消失，頂桿2朝磁力器縮回，制動(dòng)臂5在制動(dòng)彈簧3的壓力下繞銷軸閉合，致使制動(dòng)輪4與制動(dòng)瓦6緊密貼合實(shí)現(xiàn)抱閘，完成制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程。從工作原理上可見(jiàn)制動(dòng)器的制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量、制動(dòng)力矩、制動(dòng)距離、制動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)器溫度、制動(dòng)器電機(jī)電流及噪聲均可表征電梯制動(dòng)器安全性能。

圖1 鼓式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

1.1 制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間監(jiān)測(cè)

GB/T24478-2009《電梯曳引機(jī)》中規(guī)定制動(dòng)器制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間是制動(dòng)器斷電到制動(dòng)力矩達(dá)到額定值的時(shí)間，且規(guī)定制動(dòng)器制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間不得大于0.5 s。通常采用秒表測(cè)試電梯制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間，但是存在測(cè)量精度不高的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者鄭祥盤等[3]研究了采用波形存儲(chǔ)記錄儀測(cè)試曳引式電梯制動(dòng)裝置的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的方法，通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)試曳引機(jī)施加給制動(dòng)裝置的制動(dòng)力矩，采用波形存儲(chǔ)記錄儀檢測(cè)制動(dòng)裝置執(zhí)行斷電信號(hào)到力矩傳感器達(dá)到額定制動(dòng)力矩信號(hào)時(shí)間差的方法實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的記錄。提高了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量精度，消除了常用秒表測(cè)試方法中人為測(cè)量誤差。

1.2 制動(dòng)輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量監(jiān)測(cè)

TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》、GB7588-2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》及其他電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未出現(xiàn)對(duì)制動(dòng)輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是制動(dòng)輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量均影響制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。韓郡業(yè)等[4]采用2個(gè)相差180°的位移傳感器置于制動(dòng)導(dǎo)靴側(cè)面，通過(guò)與閘瓦未磨損時(shí)閘瓦閉合與開(kāi)啟狀態(tài)的距離比較計(jì)算得出了制動(dòng)輪與閘瓦間隙、閘瓦磨損量。同時(shí)提出了一種制動(dòng)距離測(cè)量的方法，將旋轉(zhuǎn)編碼器與制動(dòng)輪安裝同一軸上，當(dāng)電梯開(kāi)始制動(dòng)時(shí)采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)角度θ，通過(guò)式（1）計(jì)算得出制動(dòng)距離，為制動(dòng)距離的測(cè)量提供了高精確度測(cè)量方法。

式中：R為曳引輪半徑；i1為減速箱減速比；i2為曳引比。

1.3 制動(dòng)力矩測(cè)量

電梯制動(dòng)情況有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種工況，2種工況對(duì)制動(dòng)力的要求各不相同。靜態(tài)工況下要求制動(dòng)瓦必須將制動(dòng)輪(盤)抱死，不允許存在絲毫滑動(dòng)；動(dòng)態(tài)工況即緊急制停工況，要求制動(dòng)瓦將制動(dòng)輪(盤)抱住但不能抱死，兩者之間必須發(fā)生滑動(dòng)，通過(guò)滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力使所有運(yùn)動(dòng)零部件全部停止運(yùn)動(dòng)。因此，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩既不能過(guò)小也不能過(guò)大，如過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)工況制動(dòng)輪與瓦之間產(chǎn)生滑動(dòng)，發(fā)生溜車現(xiàn)象；如過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致緊急制停工況制停減速度超過(guò)允許值，對(duì)電梯內(nèi)乘客造成人身安全傷害，因此制動(dòng)力矩顯得尤為重要。路俊秀[5]等對(duì)制動(dòng)力矩的計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的研究；但是如何實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)試制動(dòng)力矩的方法很少有人進(jìn)行研究，趙海寧[6]等提出了一種砝碼法測(cè)試靜態(tài)制動(dòng)力矩的方法，方法是通過(guò)將杠桿一端固定在曳引機(jī)中心，另一端逐級(jí)增加砝碼，單側(cè)抱閘松開(kāi)，杠桿所在側(cè)抱閘有效，添加砝碼直致制動(dòng)輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，通過(guò)砝碼的重量計(jì)算得出靜態(tài)制動(dòng)力矩值。通過(guò)該方法確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)制動(dòng)力矩的測(cè)試，但是測(cè)試過(guò)程繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)試，如何準(zhǔn)確、便捷、智能地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力矩的測(cè)試將是今后長(zhǎng)期的研究方向。

2 制動(dòng)器本體間接監(jiān)測(cè)量

制動(dòng)器本體間接監(jiān)測(cè)包括制動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)器溫升、制動(dòng)器電機(jī)電流及噪聲的監(jiān)測(cè)，因這些因素對(duì)制動(dòng)器安全性能的影響缺乏有力數(shù)據(jù)支撐，在相關(guān)法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)上均未對(duì)其有詳細(xì)的規(guī)定，只在GB/T24478-2009《電梯曳引機(jī)》中對(duì)制動(dòng)器噪聲進(jìn)行了規(guī)定。

2.1 制動(dòng)器振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)摩擦學(xué)理論可知制動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)的原因是由于制動(dòng)盤和摩擦片之間相互摩擦導(dǎo)致，影響其制動(dòng)振動(dòng)的因素復(fù)雜，主要是摩擦副材料參數(shù)及其匹配，剛度及質(zhì)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)也是重要因素之一。摩擦副的接觸穩(wěn)定性是造成高頻振動(dòng)的主要原因，電梯檢驗(yàn)過(guò)程中時(shí)有發(fā)生電梯制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中發(fā)出高頻振動(dòng)，即抱閘過(guò)程中發(fā)出刺耳的尖叫聲，表明該電梯制動(dòng)器已處于不穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài)，存在較大的安全隱患。然而國(guó)內(nèi)電梯相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)未見(jiàn)明確規(guī)定要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究也鮮有報(bào)道。

2.2 制動(dòng)器溫升監(jiān)測(cè)

制動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量會(huì)引起制動(dòng)器的制動(dòng)力矩降低，升高的制動(dòng)器溫度又會(huì)反過(guò)來(lái)引起制動(dòng)盤的內(nèi)應(yīng)力和疲勞損傷，因此曵引式電梯制動(dòng)器的溫升引起了學(xué)者的關(guān)注，涌現(xiàn)出了預(yù)埋熱電偶法、紅外測(cè)溫技術(shù)、嵌入熱電偶法、溫度記憶螺釘法、薄膜熱電偶法等[7]測(cè)溫技術(shù)在電梯制動(dòng)器領(lǐng)域的應(yīng)用。但是結(jié)合電梯制動(dòng)過(guò)程的特殊性以及各種測(cè)溫技術(shù)的局限性，均未得到廣泛的應(yīng)用。紅外測(cè)溫不破壞制動(dòng)本體以及測(cè)量靈活等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)提高測(cè)溫材料發(fā)射率受環(huán)境影響的波動(dòng)和精度，紅外測(cè)溫技術(shù)有望成為曵引式電梯制動(dòng)溫升測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

同時(shí)隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)曵引式電梯制動(dòng)熱機(jī)耦合過(guò)程進(jìn)行分析，獲得制動(dòng)過(guò)程中閘瓦的響應(yīng)行為，以期獲悉運(yùn)行過(guò)程中閘瓦不均勻的受力時(shí)，溫升如何影響閘瓦接觸面積、摩擦因數(shù)、制動(dòng)力大小等。鄧?yán)赱8]通過(guò)對(duì)某抱閘式電梯制動(dòng)器進(jìn)行了有限元分析，計(jì)算了制動(dòng)時(shí)閘瓦與制動(dòng)輪間的受力以及摩擦生熱的熱機(jī)耦合過(guò)程。

2.3 制動(dòng)器電機(jī)電流及噪聲監(jiān)測(cè)

當(dāng)曵引式電梯制動(dòng)器發(fā)生帶閘運(yùn)行時(shí)，曵引電機(jī)勢(shì)必發(fā)生電流的激增，通過(guò)對(duì)曵引電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶閘運(yùn)行的故障和隱患，電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)技術(shù)在一些電梯公司及制動(dòng)器制造廠已成熟應(yīng)用。

GB/T24478-2009《電梯曳引機(jī)》中對(duì)制動(dòng)噪聲的要求是：曵引式電梯制動(dòng)噪聲不得大于80 dB；實(shí)施制動(dòng)噪聲的監(jiān)測(cè)容易實(shí)現(xiàn)，周前飛[9]通過(guò)取10 倍實(shí)測(cè)聲壓的平方值與基準(zhǔn)聲壓的平方之比的常用對(duì)數(shù)(基準(zhǔn)聲壓級(jí)為20 μPa)作為噪聲值，將3個(gè)噪聲傳感器對(duì)稱均勻放在距制動(dòng)輪外邊緣0.5 m的地方，測(cè)量制動(dòng)器開(kāi)閘、抱閘過(guò)程中的噪聲，取噪聲測(cè)量值的最大值作為最終結(jié)果的方法實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)噪聲的監(jiān)測(cè)預(yù)警，但是如何準(zhǔn)確地確定臨界值則缺乏相關(guān)理論研究支撐。針對(duì)不同的服役環(huán)境制動(dòng)噪聲閥值如何自調(diào)整有待進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)曵引式電梯制動(dòng)器安全性能監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀，從制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量、制動(dòng)輪與閘瓦間隙的測(cè)量、閘瓦磨損量測(cè)量、制動(dòng)力矩測(cè)量、制動(dòng)距離測(cè)量、制動(dòng)器的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、制動(dòng)器溫度測(cè)量、制動(dòng)器電機(jī)電流及噪聲監(jiān)測(cè)方面進(jìn)行了綜述。探討了各監(jiān)測(cè)量的研究現(xiàn)狀和展望，對(duì)電梯制動(dòng)器安全性能監(jiān)測(cè)的研究具有一定的參考意義。