笔者对某台曳引驱动乘客电梯进行定期检验时发现，该电梯采用的杠杆鼓式制动器顶杆螺栓断裂，导致制动器中与其相对应的一组制动臂无法正常提起或释放，存在较大安全隐患。以下对此案例进行分析并提出改进措施。
1 受检电梯的基本概况
该电梯为曳引驱动乘客电梯，额定速度为2.50m/s，额定载重量为1600kg，制造年月为2016年10月，于2018年10月投入使用。电梯选用的是鼓式双推电磁制动器，额定推力为6000N×2侧。根据《市场监管总局办公厅关于开展电梯鼓式制动器安全隐患专项排查治理的通知》(市监特设函〔2021〕564号)文件的要求，电梯维保人员需按照TSG T5002—2017《电梯维护保养规则》[1]相关规定，对鼓式制动器进行一次拆解保养。
进入检验现场之前，笔者通过对电梯相关使用资料的查验，结合使用单位安全管理人员和现场维护保养人员的口述，得知：该部电梯自2018年投入使用以来，一直严格按照要求进行日常巡查和保养工作，设备运行状况良好，无特殊情况发生；日常维护保养仅更换过一些易损零部件，重要的安全部件从未涉及更换；维保单位于2022年5月对该电梯进行过一次制动器电磁铁拆解保养工作，工作完成后对电梯的安全性能进行确认，结果为合格。
2 检验中发现的问题及存在的风险
该电梯制动器制动臂装配设计图如图1所示，其工作原理如下：当电梯需要运行时，控制系统发出指令，制动器电磁线圈通电使电磁铁迅速磁化吸合，输出额定推力F作用在顶杆螺栓(红线框内)上，带动制动臂克服压缩弹簧的压缩力使制动臂张开，制动闸瓦离开制动轮，此时制动轮的主轴可以自由转动以驱动电梯运行。当电梯需要停止时，控制系统发出指令，制动器电磁线圈断电，电磁铁芯复位，此时无额定推力输出，故制动臂在压缩弹簧的作用下向中心侧靠拢，带动制动闸瓦将制动轮抱紧，使电梯制停或保护在停止状态[2]。
图片
在实际检验中发现，两侧制动臂的抬起和回落存在不同步现象。于是对制动臂及相关部件进一步检查，发现顶杆螺栓已发生断裂，仅在切向外力的轻微触碰下，断裂的部分就脱落下来。断裂发生在螺栓与螺母的配合处。断裂发生后，无论电磁铁芯是否输出额定推力，左侧制动臂始终无法抬起，左侧制动闸瓦将一直贴合在制动轮上(即左侧抱闸无法打开)。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》[3]附件A第2.7项第(4)款要求：“制动器动作灵活，制动时制动闸瓦紧密、均匀地贴合在制动轮上，电梯运行时制动闸瓦与制动轮不发生摩擦，制动闸瓦以及制动轮工作面上没有油污。”据此，判定该项不合格。
本案例中，由于两组制动器的动作不平衡，左侧制动器无法完全张开，出现电梯带闸运行，导致单组制动器严重磨损，存在很大的安全隐患。当螺栓断裂后，该侧制动器的动作彻底失效。制动器是涉及电梯安全的重要装置，必须消除制动器安全隐患，因此需对螺栓断裂的原因进行具体分析，并给出防范螺栓断裂发生的方案。
3 顶杆螺栓断裂原因分析
断裂是指在外力的作用下材料丧失连续性的过程。断口是零件在使用过程中发生断裂后所形成的新表面，它记录了材料在载荷与环境的作用下发生的不可逆变形，以及裂纹萌生、扩展至完全断裂的全过程，是研究断裂失效的主要对象。
3.1 断口形貌特征
本案例中，断裂螺栓的断口宏观形貌如图2所示。断裂发生在螺纹处，断口较为平整，无明显宏观塑性变形，断口上存在较为明显的疲劳源区、裂纹扩展区(光滑区)、瞬时断裂区(粗糙区)。依据断口的这些特征，可判断该顶杆螺栓发生了疲劳断裂。
疲劳破坏的过程一般分为3个阶段。第1阶段：裂纹形成阶段，在电磁铁芯输出的交变应力下，最高应力区金属晶体滑移带滑出出现微观裂纹，由此形成疲劳源区；第2阶段：裂纹扩展阶段，在交变应力作用下，裂纹尖端因应力集中而逐渐扩展，裂纹两面不断研磨形成光滑区；第3阶段：瞬时断裂阶段，随着裂纹不断扩展，截面出现削弱甚至因强度不足而发生突然断裂，形成粗糙的断口区，表现为结晶状[4]。
3.2 相关力学参数分析
根据电梯制造厂家的图纸，该顶杆螺栓按照GB/T5783—2016《六角头螺栓 全螺纹》进行设计，规格为M16×110，性能等级为8.8级，表面进行镀锌处理。由此可知，螺栓的公称直径Φ=16mm，材料的抗拉强度σb=800MPa，屈服极限σs=640MPa。
根据电梯和螺栓相关参数可知，单侧额定推力F=6000N，螺栓M16×110的螺纹段横截面面积
则含螺纹段螺栓的横截面上正应力
由此可知螺栓破坏时，其工作应力(29.9MPa)远低于材料的抗拉强度(800MPa)和屈服极限(640MPa)，该数值与脆性断裂的应力特征表现一致。
3.3 影响因素
综合断口形貌特征和工作应力特点，按断裂性质可判定本案例属于脆性断裂的疲劳断裂。借助原子之间结合力模型[5]，可近似计算脆性材料的理论断裂强度
式中：E —弹性模量，Pa；
γ —晶体的单位表面能，J/m2；
a —平衡位置原子的平均距离，m。
在实际应用中，常发现材料的实际断裂强度σf要比理论计算的断裂强度σm低许多。英国科学家格里菲斯(Griffith)认为实际晶体中原本就存在着微裂纹(表面和内部均包含)，在这些裂纹的前沿会产生应力集中，当局部应力集中达到临界应力时便会造成材料的断裂，从而使材料的断裂强度大大降低。由此给出格里菲斯理论公式[5]如下：
式中：c —裂纹长度，m；
π—圆周率。
由式(2)可知，材料中原来存在的裂纹长度c越大，强度降低越多，实际断裂强度σf越低；并且，当材料内部存在裂纹时，会在裂纹尖端引起较高的应力集中，并由此产生较为复杂的应力状态，从而影响材料的断裂强度。
在本案例中，维修人员曾进行过制动器电磁铁拆解保养工作，在此过程中可能存在拆装、维护保养不规范行为，存在人为因素引起的部件损伤。另外，在重新回装该制动器部件的过程中，可能存在制动器铁芯(柱塞)安装不规范现象，致使顶杆螺栓受力不均，在此后的长时间运行中也会造成螺栓的断裂。
4 防范顶杆螺栓断裂的改进措施
(1)合理选择螺栓的材料，优化螺栓的设计工艺。顶杆螺栓应该严格按照国家标准进行选材和设计，并应保留适当冗余量。在投入使用前，通过外观检查、内部检测及时发现表面损伤和内部微裂纹；必要时采取相关理化分析方法(例如：X射线衍射分析、金相显微镜分析、扫描电镜分析等)探究元素组成、金相组织结构、位错等对部件强度的影响，若发现问题及时予以解决，保证螺栓投入使用后能够满足相应工况的受力需求。同时，考虑到制动器顶杆螺栓装配工艺的需求，可通过采用半螺纹加工工艺、合理增加直径的方法来提高螺栓强度。
(2)增加螺栓适配件的尺寸。螺栓的断裂发生于螺纹根部位置，此处为尺寸突变处，本身就存在较高的应力集中。由断裂发生在螺栓与螺母结合面可知，该处不仅受蠕变和疲劳的作用，还承受着一定的切向应力[6-7]。因此，在螺栓材料及设计工艺不变的情况下，可选择带套筒的螺母加强连接段的强度，这样能够减小螺栓受力长度，使螺栓受力力矩减小，降低断裂发生的可能。
(3)提高电梯日常维护保养综合水平。在电梯零部件失效导致制动失效的问题中，电梯的定期维护保养是发现问题的主要方法之一。因此，要通过定期培训提高维护保养人员的专业技能，避免维护保养人员在装配时过度拧紧螺栓，使螺栓承受更大的预应力；避免螺母与螺栓螺纹啮合不均匀，引起螺栓偏斜；避免同一螺栓的两侧紧固不均匀，导致同一根杆件多处受力不均。此外，日常维护保养中需制定详细的方案计划，及时发现问题，避免连杆螺栓严重磨损或过度疲劳，关注电梯使用和维护保养过程中出现刻痕、划痕等缺陷。同时，要求维保人员严守操作规范，提高维保质量。
5 结语
顶杆螺栓是将制动器电磁铁芯产生的额定推力传输到制动臂上的重要传力部件，其动作的正确与否直接关系到整个制动装置的有效性和可靠性。因此，顶杆螺栓的选材和设计应在遵循国家标准的基础上不断进行优化，以满足特殊工况需求；合理选择适配件种类和尺寸以优化受力结构从而延长其使用寿命；同时在电梯维护保养工作中，需仔细检查，及时排除安全隐患。只有保证整个制动装置有效、可靠的动作，才能使电梯设备安全运行，减少事故的发生。
参考文献
[1] TSG T5002—2017,电梯维护保养规则[S].
[2]韩郡业,冯月贵,王会方,等.电梯制动器智能监测系统的应用研究[J].信息技术与网络安全,2019,38(9):70-74.
[3] 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[S].
[4]毕勤胜,李纪刚.工程力学(下册)[M].北京:北京大学出版社,2008:162-163.
[5]王章忠.材料科学基础[M].北京:机械工业出版社,2005:283-284.
[6]喻超,王炜哲,张军辉,等.超超临界机组高压内缸蠕变强度分析[J].动力工程学报,2014,34(5):365-370.
[7]徐浩,王崴,马跃.螺栓联接蠕变松弛有限元分析[J].机械设计与制造,2013(9):39-41,45.
来源：《中国电梯》杂志
