电梯制动器顶杆螺栓失效分析

何 健 郭在焱

（广州特种机电设备检测研究院 广州 510180）

电梯是机电一体化的固定式升降设备，其机械部分的核心是曳引系统。曳引系统负责输出与传递动力，从而驱动电梯运行，现在使用最广泛的是曳引驱动。电梯必须有制动系统，而且应具有机电式制动器。机—电式制动器在电梯正常工作时，主要保证在停站电机断电后，保持轿厢的静止状态。在非正常的情况下，则要吸收轿厢运动的动能，使轿厢制停[1]。常见的制动器有卧式电磁制动器和立式电磁制动器（典型的立式电磁制动器示意图如图1所示）。制动器在不通电时，由于制动弹簧的压力，将制动瓦和制动器紧紧地压在制动轮上。轿厢要运行时，电磁铁通电，铁芯吸拢，通过传动机构克服弹簧的力将制动臂张开，使制动器与制动轮脱开，制动器释放[1]。一般来讲，新安装的电梯，其制动器的结构参数为定值，安装的尺寸间隙符合规范，能满足电梯制动的要求。但是，随着电梯投入运行，制动器作为基础安全部件长期频繁动作，则制动器可能会出现制动力不足或拖抱闸运行等情况。

顶杆螺栓是调整制动器的重要部件，此部件的工作位置和状态事关电梯的安全运行。以图1为例，制动器顶杆螺栓的动作过程为：当电梯从静止启动时，电磁铁通电吸合并通过转臂11顶开制动臂9上的顶杆螺栓10，同时制动臂9压缩制动弹簧1，在电梯下一次停站之前，转臂11一直顶着顶杆螺栓10。当电梯制停时，电磁铁释放，制动臂9因受到制动弹簧1的回复力弹回抱闸状态，同时顶杆螺栓10紧跟着转臂11回到初始位置，此后制动弹簧1对制动臂9以及顶杆螺栓10保持压力。以上整个过程随着电梯启停而循环往复。一般认为，类似螺栓这种紧固件，由于其重要性早已得到重视，极少会出现问题。然而，笔者在现场检验中发现，制动器上顶杆螺栓失效的情况并不少见，这些情况给电梯安全运行带来了严重的风险隐患。

图1 立式电磁制动

1 现场风险隐患

TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》中附件A的2.7项规定：制动器动作灵活，制动时制动闸瓦（制动钳）紧密、均匀地贴合在制动轮（制动盘）上，电梯运行时制动闸瓦（制动钳）与制动轮（制动盘）不发生摩擦，制动闸瓦（制动钳）以及制动轮（制动盘）工作面上没有油污。能够通过操纵手动松闸装置松开制动器，并且需要以一个持续力保持其松开状态。

GB 7588—2003要求：当轿厢载有125%额定载荷并以额定速度向下运行时，操作制动器应能使曳引机停止运转。在上述情况下，轿厢的减速度不应超过安全钳动作或轿厢撞击缓冲器所产生的减速度。所有参与向制动轮或盘施加制动力的制动器机械部件应分两组装设。如果一组部件不起作用，应仍有足够的制动力使载有额定载荷以额定速度下行的轿厢减速下行[2]。此外，两组制动线圈和电气装置相互独立，上行制动试验应符合要求。

笔者在抽查某型号高层电梯的过程中，发现其制动器顶杆螺栓断裂失效（见图2）。该电梯已投入运行多年，乘梯时轿厢运行状况良好。顶杆螺栓的断裂，从外观上看，很难被及时发现。但在电梯运行时，由于顶杆螺栓未能使制动臂张开，明显可见制动闸瓦与制动轮一直在高速摩擦；实施手动紧急救援操作时，无法通过操纵手动松闸装置松开制动器。类似顶杆螺栓断裂这样的安全隐患，若非仔细观察、操作验证，不可能发现其内部连接情况，更无法及时对其进行更换修理。

图2 顶杆螺栓断裂

顶杆螺栓的断裂导致电磁铁吸合时传动机构（转臂）无法准确顶开制动臂，严重影响了制动器的功能完整性。若是制动器单边顶杆螺栓失效，会造成电梯运行时制动器一边制动臂制动，另一边制动臂打开，拖抱闸运行，使闸瓦过热严重损坏制动器，最终导致制动器整体失效，造成严重事故；在应急救援中，若制动器顶杆螺栓失效，会导致手动松抱闸功能失效，进而造成救援困难，甚至人员伤亡。

2 原因分析

2.1 断口宏观分析和材料成分

以某台制动器顶杆螺栓断裂的电梯为例进行研究。经过查阅资料及现场观察发现：该电梯已投入使用7年以上，额定载重量825kg，额定速度1.75m/s，17层17站，主机为无齿轮永磁同步曳引主机，制动器为立式电磁制动器。该制动器出现单边顶杆螺栓断裂脱落。由断裂螺栓的现场图片（见图3）可看出，顶杆螺栓没有伸长或弯曲，断面总体平整略有曲面，断口边缘几乎没有塑性变形特征，初步判定为脆性断裂。

经核查，该顶杆螺栓的材质是40Cr，属于中碳合金钢，螺栓表面已做防锈处理。螺栓的热处理一般采用调质处理，即淬火加高温回火。淬火的目的是在钢中获得高强度的马氏体，以提高钢的力学性能。回火的目的是：1）降低或消除残余内应力，防止工件变形或开裂；2）减少或消除残余奥氏体，稳定工件尺寸；3）调整工件的组织和性能，使工件满足使用要求。热处理调质是为了使螺栓达到规定的抗拉强度值和屈强比，保证螺栓的综合力学性能。高强度螺栓热处理后的质量缺陷主要是脱碳、变形超差、硬度不足、开裂和裂纹。要保证质量，必须对淬火和回火的温度及时间进行精确控制。当出现抗拉强度不足时，应重点检查温度的控制和冷却[3]。由于螺栓断面呈现比较明显的脆断特征，反映出其脆性大，而螺栓的材质有据可查，品质比较有保证，则出现脆断问题最有可能是因为不恰当的热处理工艺。笔者认为，该螺栓在同一批次的生产制造过程中，可能是在批量热处理阶段，回火不及时或不到位，使螺栓的塑性和韧性得不到提升，与此同时，螺栓的硬度和脆性还是很大，将其直接应用就有了开裂的风险。

图3 顶杆螺栓断口情况

2.2 力学性能分析

该顶杆螺栓（M16）属于紧固件，因其受力有预拉力和连接载荷，为高强度螺栓。按性能等级应达到8.8级。8.8级的螺栓，即公称抗拉强度达800MPa级，屈服强度达640MPa级。

所谓强度，是金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。根据材料力学，材料的抗压、抗拉、抗剪强度的计算通式为：

式中：

f——材料强度，MPa；

F——材料破坏时的最大载荷，N；

A——试件的受力面积，mm2。

在制动臂上装配顶杆螺栓时，螺栓螺纹端部位置由紧固螺母固定，且设定了一个预紧力。预紧力可以提高联接刚度、紧密性和防松能力。假定顶杆螺栓为拉伸断裂，螺栓断裂部位（危险断面直径为小径，取d1=14.5mm）的横截面积A为165.0mm2，f取800MPa，则拉断载荷力F=f A=132kN。可见，直接拉断顶杆螺栓需要100kN级别的力。

2.3 受力情况分析

因制动器电磁铁吸合时间很短（小于0.05s），吸合行程小，故可将转臂对螺栓及制动臂的短暂作用力视为定值FN，同时也将弹簧对制动臂的作用力视为定值Ft，此二者均简化为水平方向的力。

在抱闸松开的短暂过程中，制动臂迅速压缩弹簧，弹簧长度从x2变为x1，即外力对弹簧做功，根据力学原理[4]，弹簧的弹性势能发生变化：

计算出k=50.8（N/mm）。

经现场实测，制动器释放时，压缩弹簧长度x2=140m m，制动器吸合时，压缩弹簧长度x1=137m m，计算出弹性势能变化U=211047.4N·mm。弹簧压缩行程s=x2− x1=3mm，根据能量转化，制动臂作用于压缩弹簧的平均作用力

本文中提到的电梯制动器，其顶杆螺栓位于制动弹簧正上方，顶杆螺栓与制动弹簧之间的垂直距离h=50mm。制动臂打开瞬间简化受力分析如图4所示。Ft为制动弹簧作用于制动臂的力，根据作用力与反作用力的关系，Ft=F1=7kN；FN为转臂对顶杆螺栓的作用力；i为弹簧至螺栓部分的杠杆比，即

图4 制动臂打开瞬间简化受力分析

式中0.95是考虑杠杆连接处的摩擦损耗而采取的系数。现场测量制动轮参数得H=500mm，由上式计算，FN=6kN，即FN＜＜F=132kN，这表明在电磁铁吸合、抱闸打开的过程中，顶杆螺栓受到的作用力远小于螺栓破断载荷力。

顶杆螺栓工作时受到沿轴线方向的外载荷的作用。紧固螺母和制动臂在预紧力的作用下相互压紧，依靠结合面产生的摩擦力来抗衡外载荷，从而避免产生相对移动。预紧力由扭矩扳手调定，经验证明：适当选用较大的预紧力对螺纹联接的可靠性以及联接件的疲劳强度都是有利的。但预紧过度会导致螺栓承受较大的拉应力，预紧不足则起不到防松作用。对于一般的螺栓联接，计算预紧力可用公式：QP≤0.6δS·A。δS为螺栓材料的屈服极限，取640 MPa；A为螺栓危险剖面的面积，A=165mm2，经计算得预紧力QP≤63360N。由于顶杆螺栓承受的是动载荷，预紧力应更大些[5]。

本文中所提到的永磁同步电梯，其制动器的基本工作过程是：当电梯从静止启动时，制动器由失电转为通电，电磁铁吸合并通过转臂顶开制动臂上的顶杆螺栓，同时制动臂压缩制动弹簧，在电梯下一次停站之前，转臂对顶杆螺栓有一个持续压力，而制动弹簧一直保持较强压缩状态。

可将抱闸打开顶杆螺栓受力过程分为两个阶段，即受到转臂的一次轴向冲击力F冲和恒定轴向力F恒。考虑到转臂从静止到启动是在极短时间内完成的，为了简化分析，认为F冲在数值上等于FN。现分为以下两种情况进行分析：

1）若顶杆螺栓在制动臂上安装紧密，则在制动臂打开瞬间，螺栓仅受到水平作用力F冲，F冲对螺栓的寿命影响最大，因为脆性断裂失效往往是因为冲击。在不定期的频率较高的F冲下，螺栓杆长期受到轴向的循环拉应力，即使这一拉应力并不大（即使加上预紧力也远小于螺栓拉伸强度），却可能最终使螺栓发生疲劳断裂。

2）顶杆螺栓和制动臂之间是螺纹连接。螺纹连接具有自锁性，此外螺母及螺栓头部的支撑面上的摩擦力也有防松作用，故螺栓拧紧后一般不会松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，以及在高温或温度变化较大时，螺纹钢之间的摩擦力会瞬时减小或消失，在此情况下螺纹联接就可能产生松动。正是由于受到循环作用的瞬时力，顶杆螺栓在长期使用过程中难免有所松动或出现预紧力损失，这导致在螺母紧固处，极易产生附加应力。附加应力的方向、大小都不定，但附加应力与轴向的循环拉应力共同作用于螺栓杆和螺母的联接段。长此以往，螺母和螺栓杆联接处就很容易产生微裂纹，反复作用下微裂纹进一步扩展，最终导致螺栓发生疲劳断裂。

观察现场拆卸下的断裂螺栓，以及紧固螺母在螺栓杆上的相对位置（见图5）。经测量，紧固螺母与断裂面的轴向距离约为3～4mm（断裂面并非一个平面)。因此，笔者认为以上1）和2）的情况可能同时存在，顶杆螺栓的最终断裂是各个方向的力长期共同作用的结果。

图5 紧固螺母在螺栓杆上的相对位置

2.4 使用环境分析

脆性断裂又分疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等。该电梯日常运行启停频繁，驱动主机的制动器每天都要经历上千次的松闸和抱闸，顶杆螺栓长时间反复受到同一作用力，显然，这是容易发生疲劳断裂的使用环境。

制动弹簧是提供制动力的主要部件，失电时，制动弹簧提供制动臂压紧制动闸瓦的力；通电时，制动弹簧被进一步压缩而产生更大的弹力。而在每次从失电转换到通电的短暂过程中，顶杆螺栓都要受到来自转臂的一次轴向冲击。但这一轴向冲力远小于螺栓破断所需的载荷力F，不至于使螺栓杆断裂。因此可以肯定，螺栓还受到了附加应力。

在顶杆螺栓的使用过程中，如果装配不当、对中不好、过紧或过松都会产生附加应力或振动。在电梯运行周期内，若顶杆螺栓有松动或轴线未对中，螺栓就会承受一定的径向力并产生应力集中。而应力集中部位往往是疲劳断裂的裂纹来源，因此螺栓在交变应力的作用下，即使在较低应力下也很可能发生疲劳断裂。

3 应对的措施

3.1 优化结构设计改善顶杆螺栓的受力情况

除了选用效果优异的螺纹防松方式之外，笔者提出一种动态固定螺栓头的设计（如图6所示）。在螺栓正确装配的前提下，在转臂上正对螺栓头的位置，设计一个深度为dc的结构圆槽，其直径刚够容下螺栓头，如此可使顶杆螺栓在往复运动时轴线动态对中，从而减少螺栓联接部位的应力集中。

图6 螺栓头动态固定示意图

3.2 加强制造质量管控

对于顶杆螺栓这类结构紧固件应根据其强度和韧度要求，制订合理的热处理工艺，加强各工序间的检验，规范生产操作过程[3]。部件为外购时，应在应用装配前对其综合性能进行抽样检测，比如物理、化学性能检测和无损探伤检测。

3.3 加强风险排查

电磁制动器的工作环境比较复杂，需要人工定期进行维修调整，特别是对制动器在使用过程中闸瓦的磨损、制动弹簧的疲劳、电压的大幅波动等偶发故障需及时发现和预防。使用过程中维护不当也是部件失效的原因。零部件的装配和调整，应按照规范的程序和标准。比如，调定合适的预紧力，电磁力和制动力矩应及时调整，压缩弹簧的调整螺母与锁紧螺母应定期紧固，平时要确保松闸装置的可靠性。

4 结束语

电梯制动器上的顶杆螺栓普遍采用高强度螺栓，其强度是足够的，之所以出现脆断的情况，主要是因为受到交变载荷应力和偶发性的应力集中，而这两者都与预紧力有关。关于制动器连接螺栓的选型和预紧，GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》未有明确要求，而GB/T 24478—2009《电梯曳引机》[6]仅要求曳引机上所有紧固件应有足够的锁紧力，不得松动。故建议GB 7588—2003增加相关条款，针对制动器上的紧固件或紧固力提出要求。TSG T5002—2017《电梯维护保养规则》[7]表A-1中提出，半月保养需要确认制动器各销轴部位动作灵活，其他附件也未明确提到检查螺栓预紧力，维保人员还需进一步检查螺栓连接的情况。

制动系统是电梯的基础安全保护系统，制动力是电梯安全运行的基本保障。某些电梯出现了顶杆螺栓断裂的安全隐患，如不及时整改，可能导致制动力不足或失效，乃至电梯下坠的安全事故。本文对顶杆螺栓断裂的原因进行了理论分析，指出主要是由于螺栓联接处应力集中引起的疲劳脆断，同时，不恰当的制造工艺也是一部分原因。提出了针对顶杆螺栓断裂失效的应对措施。建议通过优化结构设计，提高制造和装配质量来解决上述问题。