電梯制動(dòng)器安全性能探討

引言

隨著科技的進(jìn)步,人們出門代步的工具越來越多,包括飛機(jī)、高鐵、汽車,還有日常上下樓的電梯。代步工具安全可靠的制動(dòng)是享受舒適便利的保障,近年來,由于某品牌電梯沖頂事故的發(fā)生,全國各地都開展了電梯鼓式制動(dòng)器安全隱患排查治理。制動(dòng)器失效帶來的人身傷亡和輿情值得整個(gè)行業(yè)反思,本文就針對新制造標(biāo)準(zhǔn)下電梯制動(dòng)器的安全性能進(jìn)行探討。

1制動(dòng)器常見失效模式

常見電梯制動(dòng)器按制動(dòng)面分類有盤式制動(dòng)器(圖1(a))、錐形制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器,鼓式制動(dòng)器又分為杠桿鼓式制動(dòng)器和直壓鼓式制動(dòng)器(圖1(b))。杠桿鼓式制動(dòng)器(圖2)主要由電磁鐵、制動(dòng)襯、制動(dòng)臂、制動(dòng)彈簧、制動(dòng)器提起與釋放檢測裝置、調(diào)節(jié)螺母、鎖緊螺母等組成。

制動(dòng)器常見失效模式一般分為機(jī)械原因和電氣原因。

(1)機(jī)械原因有制動(dòng)器卡阻、制動(dòng)力不足拖閘、閘瓦脫落、制動(dòng)輪表面油污、制動(dòng)鐵芯生銹、制動(dòng)鐵芯有

圖1 直壓鼓式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器

臺階、抱閘間隙不當(dāng)、抱閘行程過小、銷軸脫落、彈簧失效等。

電氣原因有接觸器觸點(diǎn)粘連,接觸器觸點(diǎn)接觸不良,接觸器不獨(dú)立,線圈欠電壓,抱閘控制板缺陷或故障,抱閘線圈誤動(dòng)作(剩磁感應(yīng)電流)等。

2電梯制動(dòng)器新舊制造標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

2022年7月1日,《電梯制造與安裝安全規(guī)范第1部分:乘客電梯和載貨電梯》(GB/T7588.1一2020)開始實(shí)施,替代GB7588一2003。關(guān)于機(jī)電式制動(dòng)器,GB/T7588.1一2020(以下簡稱GB7588.1)相對于GB7588一2003主要有以下五個(gè)方面內(nèi)容的改進(jìn):

(1)制動(dòng)襯塊應(yīng)有磨損后更換的警示信息。

(2)過載和(或)過流保護(hù)裝置(如有時(shí))動(dòng)作時(shí),應(yīng)同時(shí)切斷驅(qū)動(dòng)主機(jī)供電。

(3)在電動(dòng)機(jī)通電之前,制動(dòng)器不能通電。

(4)松閘可通過機(jī)械或電氣裝置進(jìn)行。電氣松閘應(yīng)有足夠容量將轎廂移動(dòng)到層站,手動(dòng)松閘不應(yīng)導(dǎo)致制動(dòng)功能失效。應(yīng)能從井道外獨(dú)立地測試每個(gè)制動(dòng)組。

(5)自監(jiān)測應(yīng)監(jiān)測制動(dòng)器的正確提起(或釋放)或驗(yàn)證其制動(dòng)力,如果檢測到失效,應(yīng)防止電梯的下一次正常啟動(dòng)。制動(dòng)器正確提起和釋放的過程如圖3、圖4所示。

3制動(dòng)器作為相關(guān)保護(hù)裝置核心部件的制造標(biāo)準(zhǔn)要求

永磁同步電梯的制動(dòng)器通常還作為轎廂上行超速保護(hù)裝置(AC0p)的減速部件和轎廂意外移動(dòng)保護(hù)裝置(UCMp)的制停部件。GB7588.1明確了制動(dòng)器內(nèi)部

圖3制動(dòng)器正確提起過程

圖4制動(dòng)器正確釋放過程

冗余的概念,即符合5.9.2.2.2規(guī)定的制動(dòng)器認(rèn)為是存在內(nèi)部冗余。減速(或制停)部件存在內(nèi)部冗余且自監(jiān)測正常工作,相當(dāng)于明確符合標(biāo)準(zhǔn)的無齒輪曳引機(jī)冗余制動(dòng)器無須另外配置獨(dú)立的AC0p和UCMp。如表1所示,GB7588.1明確了作為AC0p和UCMp的制動(dòng)器自監(jiān)測的具體要求,并提出了作為AC0p和UCMp的制動(dòng)器配套其他制動(dòng)裝置(電氣制動(dòng))的概念。

4制動(dòng)器的殘余風(fēng)險(xiǎn)分析

GB7588.1關(guān)于制動(dòng)器的理論框架是科學(xué)和正確的,結(jié)合事故案例,增加了許多制動(dòng)器的新要求,降低了制動(dòng)器的風(fēng)險(xiǎn)。但即使實(shí)施了GB7588.1,制動(dòng)器仍有殘余風(fēng)險(xiǎn)。

4.1制動(dòng)器的溫升問題

電梯高頻率運(yùn)行時(shí)電機(jī)升溫傳導(dǎo)至制動(dòng)盤,制動(dòng)盤和制動(dòng)閘瓦過熱膨脹產(chǎn)生摩擦(或制動(dòng)器過熱電阻增加,電磁力下降閘瓦擦碰制動(dòng)盤),導(dǎo)致閘瓦炭化或變薄,造成制動(dòng)力下降?！峨娞菪褪皆囼?yàn)規(guī)則》(TMGT7007一2016)規(guī)定:制動(dòng)器安裝在驅(qū)動(dòng)主機(jī)或能完全模擬實(shí)際工作狀態(tài)的試驗(yàn)工裝上,進(jìn)行周期為(5土1)s

的連續(xù)不間斷動(dòng)作試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)通電持續(xù)率取40%和電梯驅(qū)動(dòng)主機(jī)通電持續(xù)率的較大值。但試驗(yàn)時(shí)通電持續(xù)率取40%無法覆蓋正常電梯的使用工況。

4.2兩組制動(dòng)部件不完全獨(dú)立

GB7588.1規(guī)定了所有參與向制動(dòng)輪(盤)施加制動(dòng)力的制動(dòng)器機(jī)械部件(鐵芯被視為機(jī)械部件,而電磁線圈則不是)至少分兩組裝設(shè)。然而杠桿鼓式制動(dòng)器機(jī)械部分雖然按標(biāo)準(zhǔn)分兩組裝設(shè),但電磁鐵動(dòng)鐵芯還是通過同一個(gè)電磁線圈和松閘頂桿打開制動(dòng)器。不完全獨(dú)立的兩組制動(dòng)部件同時(shí)失效的概率高于兩組制動(dòng)部件完全獨(dú)立的制動(dòng)器。

4.3制動(dòng)力不足的風(fēng)險(xiǎn)

GB7588.1規(guī)定了電梯125%Q制動(dòng)能力和單邊100%Q制動(dòng)能力,Q為電梯的額定載重量。但這也說明三個(gè)問題:

(1)標(biāo)準(zhǔn)對制動(dòng)能力的設(shè)定沒有裕量,尤其是考慮到轎廂可能超載的情況。

(2)在產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命中,存在著制動(dòng)力過度下降的風(fēng)險(xiǎn)。從圖5可以看出,I區(qū)處于磨合期,在較短的時(shí)間內(nèi),制動(dòng)力矩上升達(dá)到設(shè)定值:I區(qū)在較長周期內(nèi),制動(dòng)力矩穩(wěn)定波動(dòng):Ⅲ區(qū)經(jīng)長期使用后制動(dòng)彈簧疲勞、閘瓦磨損,制動(dòng)力矩出現(xiàn)明顯的逐漸下降。

(3)檢規(guī)對在用電梯制動(dòng)能力的檢驗(yàn)要求基本是合理的,但目前沒有進(jìn)行最危險(xiǎn)的單邊100%Q制動(dòng)能力試驗(yàn)。

4.4制動(dòng)器自監(jiān)測的風(fēng)險(xiǎn)

針對GB7588.1對于制動(dòng)器自監(jiān)測的要求,筆者存在以下幾點(diǎn)疑問:

(1)a、b、c方案是否為并列和彼此可替代的關(guān)系?

(2)制動(dòng)力自監(jiān)測和開關(guān)監(jiān)測是否可以彼此替代?

(3)開關(guān)監(jiān)測中的正確提起驗(yàn)證和釋放驗(yàn)證是否可以彼此替代?

(4)制動(dòng)力自監(jiān)測周期為什么是24h,經(jīng)過監(jiān)測后是否能保證未來24h制動(dòng)器的安全?

(5)制動(dòng)力監(jiān)測的閾值是多少?

(6)根據(jù)b和c,制造單位對制動(dòng)力自監(jiān)測設(shè)計(jì)值是否有約束?

制動(dòng)器制動(dòng)力監(jiān)測存在的風(fēng)險(xiǎn):制動(dòng)力的衰減是緩慢的,例如彈簧的自然退化、閘瓦的自然磨損、零部件磨損或配合公差的自然變化。但制動(dòng)力監(jiān)測沒有考慮制動(dòng)力突然衰減或消失的風(fēng)險(xiǎn),例如表2列舉的事件,GB7588.1所規(guī)定的制動(dòng)力24h監(jiān)測是存在盲區(qū)的。

制動(dòng)器開關(guān)監(jiān)測存在的風(fēng)險(xiǎn):制動(dòng)器不能打開和不能關(guān)閉的失效風(fēng)險(xiǎn)模式是完全不同的,兩者對應(yīng)不同的故障類型,無替代關(guān)系。不能打開即帶閘運(yùn)行,不能關(guān)閉即制動(dòng)力突然消失或下降。但目前多數(shù)電梯廠家普遍采用打開監(jiān)測,卻不對更重要的關(guān)閉進(jìn)行監(jiān)測。如圖3、圖4所示,制動(dòng)器的正確提起和釋放過程是分三個(gè)階段的,監(jiān)測開關(guān)的動(dòng)作行程和使用過程中的抖動(dòng)都可能造成錯(cuò)誤的監(jiān)測。

5制動(dòng)器殘余風(fēng)險(xiǎn)下的策略

對于制動(dòng)器溫升的問題,曳引機(jī)制造標(biāo)準(zhǔn)[4]和電梯型式試驗(yàn)規(guī)則并不是沒有考慮。在設(shè)計(jì)規(guī)定的工作制、負(fù)載持續(xù)率、啟(制)動(dòng)次數(shù)的運(yùn)行條件下,無減速裝置主機(jī)的電動(dòng)機(jī)線圈應(yīng)當(dāng)符合:電動(dòng)機(jī)定子繞組和制動(dòng)器線圈在采用B級或者F級絕緣時(shí),溫升分別不超過80K或105K。但試驗(yàn)時(shí)通電持續(xù)率取400未能覆蓋制動(dòng)器的使用工況,參照《公共建筑電梯性能和選型配置要求》(DB4403/T7一2019)[5]通電持續(xù)率取60%是可以借鑒的。

對于制動(dòng)器兩組制動(dòng)部件不完全獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn),可以擴(kuò)大必須分組裝設(shè)機(jī)械部件的范圍,大膽淘汰傳統(tǒng)鼓式制動(dòng)器,應(yīng)從制動(dòng)器附屬部件、制動(dòng)器相鄰部件、環(huán)境因素和人為因素四個(gè)方面盡量避免一次偶然事件影響兩組制動(dòng)部件的可能。

對于制動(dòng)器GB7588.1的總體指導(dǎo)思想可以總結(jié)為三點(diǎn):性能足夠、結(jié)構(gòu)冗余、自監(jiān)測。但支撐制動(dòng)器安全的三大支柱都出現(xiàn)了殘余風(fēng)險(xiǎn),而這些風(fēng)險(xiǎn)分散在設(shè)計(jì)、制造、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中,將來應(yīng)有其他某種保護(hù)裝置來保護(hù)失效的制動(dòng)器。

GB7588.1全文不止一次提到電氣制動(dòng),也就是驅(qū)動(dòng)主機(jī)封星。雖然封星技術(shù)的應(yīng)用不能降低制動(dòng)器失效的概率,但可作為制動(dòng)器失效后的一項(xiàng)保護(hù)措施,進(jìn)一步提升電梯的安全性能。

封星技術(shù)是通過短接永磁同步曳引機(jī)的三相繞組,也就是星形的接線方式,利用電機(jī)的原理,停止或限制轎廂的非正常移動(dòng),從而防止事故發(fā)生。當(dāng)然,也有和傳統(tǒng)封星技術(shù)不同的封星方式,例如對電機(jī)供電,使電機(jī)產(chǎn)生相反的電磁轉(zhuǎn)矩。封星可分硬封星和軟封星,硬封星是利用接觸器短接實(shí)現(xiàn)封星,軟封星是利用IGBT模塊短接實(shí)現(xiàn)封星。如表3所示,硬封星和軟封星各具特點(diǎn)和優(yōu)劣勢。目前已有電梯廠家做到軟硬封星相結(jié)合,通過雙重保障,更加有效地降低乘客受到傷害和電梯損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

6結(jié)語

相對于舊標(biāo)準(zhǔn),新標(biāo)準(zhǔn)的全面實(shí)施無疑進(jìn)一步提升了電梯制動(dòng)器的安全性能。消除制動(dòng)器的殘余風(fēng)險(xiǎn)是現(xiàn)階段的努力方向,"安全"制動(dòng)器則是整個(gè)行業(yè)的愿景。本著電梯乘客生命至上的原則,一方面要站在電梯的整體高度上真正把握風(fēng)險(xiǎn),創(chuàng)新思維,進(jìn)一步改善制動(dòng)器的安全措施:另一方面要站在電梯的整體維度上提高維保能力和檢驗(yàn)質(zhì)量,恪守職業(yè)良知,全力保障在用電梯的制動(dòng)器安全。