电梯制动器安全性能探讨

引言

随着科技的进步,人们出门代步的工具越来越多,包括飞机、高铁、汽车,还有日常上下楼的电梯。代步工具安全可靠的制动是享受舒适便利的保障,近年来,由于某品牌电梯冲顶事故的发生,全国各地都开展了电梯鼓式制动器安全隐患排查治理。制动器失效带来的人身伤亡和舆情值得整个行业反思,本文就针对新制造标准下电梯制动器的安全性能进行探讨。

1制动器常见失效模式

常见电梯制动器按制动面分类有盘式制动器(图1(a))、锥形制动器和鼓式制动器,鼓式制动器又分为杠杆鼓式制动器和直压鼓式制动器(图1(b))。杠杆鼓式制动器(图2)主要由电磁铁、制动衬、制动臂、制动弹簧、制动器提起与释放检测装置、调节螺母、锁紧螺母等组成。

制动器常见失效模式一般分为机械原因和电气原因。

(1)机械原因有制动器卡阻、制动力不足拖闸、闸瓦脱落、制动轮表面油污、制动铁芯生锈、制动铁芯有

图1 直压鼓式制动器和盘式制动器

台阶、抱闸间隙不当、抱闸行程过小、销轴脱落、弹簧失效等。

电气原因有接触器触点粘连,接触器触点接触不良,接触器不独立,线圈欠电压,抱闸控制板缺陷或故障,抱闸线圈误动作(剩磁感应电流)等。

2电梯制动器新旧制造标准的改进

2022年7月1日,《电梯制造与安装安全规范第1部分:乘客电梯和载货电梯》(GB/T7588.1一2020)开始实施,替代GB7588一2003。关于机电式制动器,GB/T7588.1一2020(以下简称GB7588.1)相对于GB7588一2003主要有以下五个方面内容的改进:

(1)制动衬块应有磨损后更换的警示信息。

(2)过载和(或)过流保护装置(如有时)动作时,应同时切断驱动主机供电。

(3)在电动机通电之前,制动器不能通电。

(4)松闸可通过机械或电气装置进行。电气松闸应有足够容量将轿厢移动到层站,手动松闸不应导致制动功能失效。应能从井道外独立地测试每个制动组。

(5)自监测应监测制动器的正确提起(或释放)或验证其制动力,如果检测到失效,应防止电梯的下一次正常启动。制动器正确提起和释放的过程如图3、图4所示。

3制动器作为相关保护装置核心部件的制造标准要求

永磁同步电梯的制动器通常还作为轿厢上行超速保护装置(AC0p)的减速部件和轿厢意外移动保护装置(UCMp)的制停部件。GB7588.1明确了制动器内部

图3制动器正确提起过程

图4制动器正确释放过程

冗余的概念,即符合5.9.2.2.2规定的制动器认为是存在内部冗余。减速(或制停)部件存在内部冗余且自监测正常工作,相当于明确符合标准的无齿轮曳引机冗余制动器无须另外配置独立的AC0p和UCMp。如表1所示,GB7588.1明确了作为AC0p和UCMp的制动器自监测的具体要求,并提出了作为AC0p和UCMp的制动器配套其他制动装置(电气制动)的概念。

4制动器的残余风险分析

GB7588.1关于制动器的理论框架是科学和正确的,结合事故案例,增加了许多制动器的新要求,降低了制动器的风险。但即使实施了GB7588.1,制动器仍有残余风险。

4.1制动器的温升问题

电梯高频率运行时电机升温传导至制动盘,制动盘和制动闸瓦过热膨胀产生摩擦(或制动器过热电阻增加,电磁力下降闸瓦擦碰制动盘),导致闸瓦炭化或变薄,造成制动力下降。《电梯型式试验规则》(TMGT7007一2016)规定:制动器安装在驱动主机或能完全模拟实际工作状态的试验工装上,进行周期为(5土1)s

的连续不间断动作试验,试验时通电持续率取40%和电梯驱动主机通电持续率的较大值。但试验时通电持续率取40%无法覆盖正常电梯的使用工况。

4.2两组制动部件不完全独立

GB7588.1规定了所有参与向制动轮(盘)施加制动力的制动器机械部件(铁芯被视为机械部件,而电磁线圈则不是)至少分两组装设。然而杠杆鼓式制动器机械部分虽然按标准分两组装设,但电磁铁动铁芯还是通过同一个电磁线圈和松闸顶杆打开制动器。不完全独立的两组制动部件同时失效的概率高于两组制动部件完全独立的制动器。

4.3制动力不足的风险

GB7588.1规定了电梯125%Q制动能力和单边100%Q制动能力,Q为电梯的额定载重量。但这也说明三个问题:

(1)标准对制动能力的设定没有裕量,尤其是考虑到轿厢可能超载的情况。

(2)在产品的整个使用寿命中,存在着制动力过度下降的风险。从图5可以看出,I区处于磨合期,在较短的时间内,制动力矩上升达到设定值:I区在较长周期内,制动力矩稳定波动:Ⅲ区经长期使用后制动弹簧疲劳、闸瓦磨损,制动力矩出现明显的逐渐下降。

(3)检规对在用电梯制动能力的检验要求基本是合理的,但目前没有进行最危险的单边100%Q制动能力试验。

4.4制动器自监测的风险

针对GB7588.1对于制动器自监测的要求,笔者存在以下几点疑问:

(1)a、b、c方案是否为并列和彼此可替代的关系?

(2)制动力自监测和开关监测是否可以彼此替代?

(3)开关监测中的正确提起验证和释放验证是否可以彼此替代?

(4)制动力自监测周期为什么是24h,经过监测后是否能保证未来24h制动器的安全?

(5)制动力监测的阈值是多少?

(6)根据b和c,制造单位对制动力自监测设计值是否有约束?

制动器制动力监测存在的风险:制动力的衰减是缓慢的,例如弹簧的自然退化、闸瓦的自然磨损、零部件磨损或配合公差的自然变化。但制动力监测没有考虑制动力突然衰减或消失的风险,例如表2列举的事件,GB7588.1所规定的制动力24h监测是存在盲区的。

制动器开关监测存在的风险:制动器不能打开和不能关闭的失效风险模式是完全不同的,两者对应不同的故障类型,无替代关系。不能打开即带闸运行,不能关闭即制动力突然消失或下降。但目前多数电梯厂家普遍采用打开监测,却不对更重要的关闭进行监测。如图3、图4所示,制动器的正确提起和释放过程是分三个阶段的,监测开关的动作行程和使用过程中的抖动都可能造成错误的监测。

5制动器残余风险下的策略

对于制动器温升的问题,曳引机制造标准[4]和电梯型式试验规则并不是没有考虑。在设计规定的工作制、负载持续率、启(制)动次数的运行条件下,无减速装置主机的电动机线圈应当符合:电动机定子绕组和制动器线圈在采用B级或者F级绝缘时,温升分别不超过80K或105K。但试验时通电持续率取400未能覆盖制动器的使用工况,参照《公共建筑电梯性能和选型配置要求》(DB4403/T7一2019)[5]通电持续率取60%是可以借鉴的。

对于制动器两组制动部件不完全独立风险,可以扩大必须分组装设机械部件的范围,大胆淘汰传统鼓式制动器,应从制动器附属部件、制动器相邻部件、环境因素和人为因素四个方面尽量避免一次偶然事件影响两组制动部件的可能。

对于制动器GB7588.1的总体指导思想可以总结为三点:性能足够、结构冗余、自监测。但支撑制动器安全的三大支柱都出现了残余风险,而这些风险分散在设计、制造、使用的各个环节中,将来应有其他某种保护装置来保护失效的制动器。

GB7588.1全文不止一次提到电气制动,也就是驱动主机封星。虽然封星技术的应用不能降低制动器失效的概率,但可作为制动器失效后的一项保护措施,进一步提升电梯的安全性能。

封星技术是通过短接永磁同步曳引机的三相绕组,也就是星形的接线方式,利用电机的原理,停止或限制轿厢的非正常移动,从而防止事故发生。当然,也有和传统封星技术不同的封星方式,例如对电机供电,使电机产生相反的电磁转矩。封星可分硬封星和软封星,硬封星是利用接触器短接实现封星,软封星是利用IGBT模块短接实现封星。如表3所示,硬封星和软封星各具特点和优劣势。目前已有电梯厂家做到软硬封星相结合,通过双重保障,更加有效地降低乘客受到伤害和电梯损坏的风险。

6结语

相对于旧标准,新标准的全面实施无疑进一步提升了电梯制动器的安全性能。消除制动器的残余风险是现阶段的努力方向,"安全"制动器则是整个行业的愿景。本着电梯乘客生命至上的原则,一方面要站在电梯的整体高度上真正把握风险,创新思维,进一步改善制动器的安全措施:另一方面要站在电梯的整体维度上提高维保能力和检验质量,恪守职业良知,全力保障在用电梯的制动器安全。