原文刊登于《中國電梯》雜志2020年第22期
  作者：張 鵬，李 吉，胡 暉，金瑞卿/上海交通大學機械與動力工程學院
  摘要：在本質安全概念下，以由電梯制動器引起的典型電梯故障或事故實例為基礎，詳細分析現有電梯制動器產品在設計上和使用時可能存在的風險和安全隱患問題。力圖將本質安全的思想和基本方法同傳統制動器的設計和使用結合在一起，提出相應的風險降低措施，以提高現有制動器產品的安全性和可靠性。
  關鍵詞：電梯；制動器；風險分析；本質安全
  電梯制動器是電梯重要的安全裝置。若電梯制動器的部件出現問題，將會導致制動器整體失效，對乘客的生命安全構成威脅。
  隨著永磁同步曳引機的廣泛使用，電梯制動器也同時被作為轎廂上行超速保護裝置和轎廂意外移動保護裝置的制停部件使用。目前市面上應用最廣泛的是常閉型電磁制動器，主要由電氣和機械部件組成，結構復雜且存在多種失效風險。許多引起嚴重人員傷害或財產損失的電梯事故都與制動器的失效有關。因此，制動器自身的安全性和可靠性是保證電梯系統安全運行的最重要因素之一。目前一些相關企業和科研機構已經認識到這個問題，開始進行相關研究并取得了一些有益的成果 。
  在本文中，筆者通過對典型電梯故障或事故的分析，在本質安全的概念下探討現有制動器的設計風險和使用風險，并提出相應的風險降低措施，為提高現有制動器產品的安全性和可靠性，減少相關電梯事故的發生，提供理論方法和實踐上的參考和借鑒。
  1 本質安全概念及其在電梯制動器中的應用
  電梯事故的發生遵循多米諾骨牌原理 (domnio sequence)，即：危險狀態(人的因素、電梯系統故障)→發生事故→造成損失(人員傷害、財產損失、環境破壞等)，最終形成事故鏈。事故按照從左到右順序發生，一個影響一個，如果中間某一因素不發生，則最終不會發生。因此，阻止事故發生的最有效的途徑就是在 “危險狀態”出現之后能夠采取有效的“手段”，使設備停止運行或恢復初始/安全狀態，這樣就不會再造成后續可能的損失。而按照實施的主體來分類，這種有效的“手段”又可分為“手動操作”和“自動操作”兩類。其中，前者屬于“傳統安全”的范疇，即將監測發現的“危險狀態”通過聲、光、電等途徑通 知相關責任人員，并由專業人員手動處理，將設備停止運行或恢復初始/安全狀態。而后者屬于“本質安全”的范疇，即無需操作人員的干預，當系統監測到 “危險狀態”后，或通過設計階段的經驗積累預測出即將發生“危險狀態”時，設備自動停止運行或恢復初始/安全狀態，然后再通過聲、光、電等途徑通知相關責任人員。
  在宏觀上，本質安全就是通過追求企業生產流程中人、物、系統、制度等諸要素的安全、可靠、和諧和統一，使各種危害因素始終處于受控制狀態，進而逐步趨近本質型、恒久型安全目標。具體說來，本質安全是指通過設計等手段使設備或系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故的功能。本質安全具體包括：(1)失誤—安全功能(誤操作不會導致事故發生或自動阻止誤操作)；(2)故障—安全功能(設備、工藝發生故障時還能暫時正常工作或自動轉變安全狀態)。
  作為一種擔負極為重要的安全功能的電梯安全保護系統，電梯制動器的設計和使用，應該貫徹本質安 全的理念 (見圖1)。在制動器的設計階段，應針對其使用特點和使用環境進行全面分析，并綜合考慮安裝、維護和拆除等多種因素，盡可能減小設計風險，盡量少留后續的安全隱患；在制動器的使用階段，應對能夠反映其主要性能特征和運動特征的物理參數(如溫度、電壓、電流、力、電磁特性、物理間隙等)實施有效的監控，同時明確非期望狀態或危險狀態的界定或閾值，要做到危險狀態的及時診斷，并通過與控制系統的聯動實現對于危險狀態的及時控制。電梯制動器本質安全的最終目的，是實現一種包括控制系統(部分)和制動器在內的風險自可控的內生態系統，即通過設計盡可能減少后續風險，并在使用過程中對自身的所有危險狀態進行有效的監控，將所有可能的危險消化在制動器相關系統之內，不會使危險擴大到電梯系統，就更不會引起傷害事故或財產損失。
  但是，由于種種原因，目前市面上絕大多數的電梯制動器產品，都沒有遵循本質安全的設計理念，就造成現有制動器存在種種設計風險和使用風險，給電梯系統帶來不可忽視的安全隱患。
  2 現有制動器的設計風險分析
  在本質安全概念下，電梯制動器在設計時應充分考慮后期的各種風險。然而市面上現有的一些制動器， 由于設計或制造時考慮不周或相關技術人員的經驗不足，而造成了后續的缺陷和風險。
  2.1 制動器部件的操作性差引起的風險
  在制動器設計階段太追求功能性，忽略了部件本身的可操作性，為后期的安裝和調試帶來了極大的麻煩和風險。
  2011年9月，大連某小區發生電梯轎廂意外移動事故，電梯在開門情況下突發意外上行，造成乘客在邁入轎廂時被擠壓身亡。經調查，事故的原因為制動器閘瓦間隙調整不當，導致制動器產生機械部件卡阻，制動瓦不能壓實制動輪(兩者之間有間隙)，制動器制動力矩缺失。
  造成上述事故的直接原因是制動器關鍵零部件調節不當而影響制動力矩。造成制動器關鍵零部件調節不當很重要的原因是現在許多電梯制動器的調節非常繁瑣(有些甚至無法進行現場調節 )。在目前非原廠維保情況普遍存在的情況下，維保工人對所維保制動器的原理和構造不一定能清楚了解或擁有豐富的相關調節經驗。其次，一些曳引機和制動器生產企業不重視制動器的使用和維護，相關說明書內容簡略粗糙，沒有辦法指導現場操作。還有一些企業雖然提供了公開的制動器使用維護說明書，但內容要么晦澀難懂、要么極為復雜繁瑣。這就造成維保工人在現場對制動器進行維護和調節時，往往依賴自己的經驗和實際條件， 隨意、野蠻維護的現象頻發。
  因此，在電梯制動器設計階段，在滿足其基本功能需求的基礎之上，還要考慮部件本身的可操作性和可維護性，并結合人員素質、使用環境等方面的要求， 充分考慮到安裝和調試過程中可能引發的問題。
  2.2 制動器關鍵部件設計不當引起的風險
  當相關設計工程師經驗不足或考慮不周時，常常會出現一些先天不足或自帶風險的電梯制動器產品。比如：某些制動器使用普通長螺栓桿作為柱塞水平運動和制動臂旋轉運動的傳遞部件。在這種結構中，螺桿的受力并不是完全沿其軸向的，還會受到橫向的剪切力的影響。當螺桿尾部的懸臂部分過長時，隨著制動器的長時間使用，螺桿尾部與制動臂接觸的根部在壓-剪復合應力作用下，容易疲勞開裂。近年來這種現象已經在電梯使用現場被多次發現，如圖2 所示。
  某些制動器存在磁場設計不合理問題，磁場不能充分利用，有漏磁現象。電磁制動器的磁場設計需要非常深厚的專業背景和技術經歷，目前相當多的制動 器設計人員缺乏相關的理論基礎，沒有能力進行復雜 制動器磁場的設計，許多情況下僅僅是抄襲國外現成的經驗。這就造成某些制動器電-磁轉換效率不高、磁場發散且不穩定。長此下去，可能造成電磁力變弱或外殼磁化(柱塞鐵芯運動阻力增大)，并最終影響制動能力。
  2.3 制動器重要部件選材不當引起的風險
  目前國內制動器產品除了設計水平不高之外，一些企業還為了節約成本，在重要部件的選材上動腦筋， 偷工減料，導致風險的發生。
  2012年9月上海市松江區發生一起由于制動器卡阻造成轎廂沖頂的事故，其主要原因是制動器松閘桿采用了容易被磁化的廉價材料，磁化的松閘桿在線圈電磁力的作用下出現了不應有的旋轉運動，而這種旋轉運動一方面造成了松閘桿磨損，另一方面可能阻礙了制動器鐵芯的運動。如果最初制造廠家選用不會被磁化的銅制松閘桿，就不會出現這種風險。
  另外，通過拆解一些發生卡阻的制動器，發現相當多的制動器中的非金屬緩沖墊都受到了不同程度的損傷，嚴重的甚至完全破碎。這些緩沖墊的碎片，也是造成制動器柱塞卡阻的重要原因。因此，緩沖墊材質的選擇就顯得非常重要，應當引起企業的重視。
  3 現有制動器的使用風險分析
  電梯制動器由于設計因素引入的風險屬于產品的先天不足，制動器的后天使用條件相對較為惡略，可靠性要求非常高。在本質安全概念下，電梯制動器在使用時應充分考慮各種風險，并對所有可能反映這些風險特征的物理參數(包括電氣參數和機械參數)進行監測，一旦發現危險狀態可能發生的苗頭，應立即通知電梯控制系統，及時停梯。
  3.1 電氣環節引起的風險
  3.1.1 電氣元件損壞
  某在用電梯在正常運行時其制動器的制動閘瓦與制動輪的間隙幾乎為零，有明顯的摩擦現象。通過空載轎廂上行制動試驗，發現該電梯制動器的制動能力嚴重不足。檢查該制動器的控制線路，發現其中的續流二極管被擊穿，致使續流電阻與制動器線圈并聯。續流電阻起分流作用，制動線圈雖通電但得電不充分， 產生的電磁力減小，制動器閘瓦張開不完全，致使制動器在電梯正常運行時不能有效開閘，制動器閘瓦與制動輪磨損嚴重。
  電梯系統中與制動器緊密關聯的電氣元件并不多， 而且制動器發生性能退化后，一般也不會首先考慮到電氣元件的問題，其風險更加隱秘。
  3.1.2 吸合和釋放電壓異常
  吸合和釋放電壓是電梯制動器的重要性能指標，GB/T 24478-2009《電梯曳引機》第4.2.2.3條規定， 制動器電磁鐵的最低吸合電壓和最高釋放電壓應分別低于額定電壓的80%和55%。某電梯制動器最低吸合電壓和最高釋放電壓都符合標準要求，但數值都偏低。遠低于設計值的維持電壓，可能是制動器電磁線圈損壞或殼體被磁化的表現，在這種情況下，制動器發生誤動作或釋放延遲的風險增大。
  3.1.3 殼體被磁化
  如果在電梯使用現場發現其制動器鐵質外殼表面吸附了很多金屬碎屑，并且經過一段時間之后還不能自行脫落，說明制動器殼體本身在線圈通電時被磁化， 且線圈失電后，殼體本身的磁力不能很快消失，產生剩磁現象。
  這種現象的危害在于：(1)線圈產生的磁場向外擴散，在同樣的電能輸入下轉化為柱塞鐵芯和端蓋的磁吸力變小，松閘力變小；(2)殼體磁化后，有可能使殼體底部與鐵芯另外一端產生吸力，使松閘力進一步變小；(3)線圈失電后，如果鐵芯、端蓋或殼體不能快速消磁，則鐵芯與端蓋之間依然保持有吸力，將造成鐵芯復位阻力增大。
  3.2 機械環節引起的風險
  電梯制動器主要由機械部件組成，并且制動力的實施效果也是通過一系列力和位移在不同機構之間的傳遞中實現的，因此制動器機械環節中的使用風險很多。
  3.2.1 制動器柱塞的機械延遲
  某電梯制動器釋放過程的響應時間滿足GB/T 24478-2009第4.2.2.3條的規定，即制動器制動響應時間不應大于0.5s。但是，如果制動器釋放響應時間過長，則可能產生的風險是：不能及時抱閘，緊急制停時尤其危險。同時，現有相關標準中并沒有給出有關吸合過程響應時間的要求，但如果該值遠超過設計值的話，則有可能造成曳引機的短時帶閘運行，加速制動器閘瓦/塊的磨損。
  3.2.2 制動器柱塞的機械卡阻
  當制動器柱塞的機械運動發生嚴重的延遲時，就很可能引起機械卡阻。吸合過程的卡阻可能造成曳引機帶閘運行，同時加速制動器閘瓦/塊的磨損；釋放過程的卡阻可能造成制動力不足甚至失效。
  3.2.3 制動器兩邊機械動作不同步
  現在的制動器機械動作部件大都為兩組設置，即左右各有一個柱塞。當其中的一個柱塞動作發生延遲時，就造成了制動器兩邊機械動作不同步。此時，在 制動器動作時，可以明顯地聽到兩聲“啪嗒”聲。
  吸合過程的不同步可能造成曳引機帶閘運行，同時加速制動器單側閘瓦/塊的磨損；釋放過程的不同步可能造成制動力不足，同時加速制動器單側閘瓦/塊的磨損。
  3.2.4 間隙調節不當
  制動閘瓦/塊與制動輪/盤工作面之間的間隙直 接影響到制動力矩的作用效果。間隙過大，噪聲較大， 制動力可能不足；間隙過小，易發生帶閘運行，摩擦過大。因此，間隙的調整應嚴格按照相關技術要求， 絕對不能隨意調節。
  某事故現場，某品牌永磁同步曳引機內部磁鋼片大面積脫落。經檢查，該曳引機為外轉子結構，外轉子內部貼磁鋼片，外部作為制動輪。為了降低噪聲， 維保人員將制動鼓與制動輪的間隙調節得過小，曳引機常常處于帶閘運行狀態，造成外轉子過熱，磁鋼片膠水失效，磁鋼片脫落。
  3.2.5 制動界面受到污染
  電梯制動器產生的制動力矩，直接來源于制動閘瓦/塊與制動輪/盤工作面之間的界面摩擦。在正壓力一定的情況下，摩擦系數的變化會對制動力矩產生顯著的影響。而現有大多數電梯制動器的制動輪/盤工作面都是暴露在外的，在相關維保操作不當時，極易受到污染。
  2013年5月15日深圳某大廈乘客被電梯夾死的事故的直接原因，就是因為違規使用潤滑油所致，導致制動界面污染。
  3.2.6 其它
  傳統鼓式制動器機械結構復雜，傳動部件很多， 任何一個環節出現問題，都有可能對其制動能力造成影響。
  某臺電梯發生了傷人事故，在對電梯曳引機進行外觀檢查時發現該臺電梯制動器制動臂的一個銷軸脫出，電梯制動失靈。
  4 本質安全概念下電梯制動器減低風險的措施
  針對由于制動器缺陷而引起的電梯事故頻發的問題，在持續提高制動器相關產品的質量的基礎之上，應在制動器的設計和使用環節引入新的安全理念，進一步提高制動器整體的安全性和可靠性。
  4.1 制動器設計風險的降低措施
  4.1.1 全生命周期設計
  生命周期設計又稱生態設計，它是從產品性能、環境保護、經濟可行性的角度，考慮產品開發全生命周期，包括產品設計，原材料的提取，產品的制造、包裝、銷售、安裝、使用、維護，以及用后的回收與處置全過程。即在電梯制動器的設計階段，將制動器從設計到報廢處置的整個生命周期內所有可能涉及的風險因素都預先考慮清楚并提前制定相應的解決方案。
  4.1.2 考慮人類工效學
  人類工效學是根據人的心理、生理和身體結構等因素，研究人、機械、環境相互間的合理關系，以保證人們安全、健康、舒適地工作，并取得滿意的工作效果的機械工程分支學科。人類工效學還強調人有產生錯誤行為的可能性，良好的人-機-環境系統有助于減少操作人員失誤的客觀因素，并有利于預防和減少由于主觀因素或社會性因素造成的失誤。
  在電梯制動器設計方面，考慮人類工效學可以使制動器的安裝、調節和維保等工作更加人性化，減少由于相關人員的素質差異而引起的調節不當或誤操作。
  4.1.3 免維護或少維護設計
  在電梯制動器設計和制造時，將一些內部結構和參數完全固定，而外殼采用一次性永久封裝的方式。制動器在安裝使用時，只需通過預留的接口元件與電梯相關系統對接。調節部件少而簡單，使用現場無需也無法打開外殼對制動器進行維護。貫徹免維護或少維護設計理念的制動器產品，可以減少環境因素對于制動器的影響，也避免了由于維保人員的素質因素而可能產生的維保不足或野蠻維保問題。
  4.1.4 部件和整機的可靠性測試
  可靠性試驗是提早發現制動器設計缺陷和選材缺陷的重要手段。GB/T 24478-2009要求制動器應組裝在曳引機上，在電機處于靜止的狀態下，進行周期不小于5s的、連續不間斷的、不少于200萬次的動作試驗。試驗過程中不應進行任何維護，試驗結束后，其吸合和釋放電壓、制動響應時間等性能指標仍能滿足標準要求。TSG T7007-2016《電梯型式試驗規則》也要求，型式試驗樣梯 ( 曳引或強制驅動 ) 要進行6萬次的連續運行試驗。
  制動器相關企業除應該滿足標準要求之外，還應針對重要部件進行更加嚴格的可靠性測試，以保證在各種使用環境下，制動器都能保持足夠的可靠性。
  4.2 制動器使用風險的降低措施
  4.2.1 使用冗余部件
  冗余指重復配置系統的一些部件，當系統發生故障時，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作， 由此減少系統的故障時間。現行電梯標準要求制動器的電氣和機械部件都要滿足兩組配置，就是貫徹了冗 余的思想。
  4.2.2 增加內部監測的項目和參數
  絕大多數的電梯制動器安全性能失效(即制動力不足或完全喪失)是一個漸進的過程，在發生足以引起電梯事故的嚴重失效之前，制動器可能早已經處于一種超過設計預期的非正常的工作狀態，特別是某些特征物理參數，如：溫度、電壓、電流、力、電磁特性、物理間隙等，可能已經超標。如能對這些物理特征參數實施有效的監測，同時明確非期望狀態或危險狀態的界定或閾值，做到危險狀態的及時診斷，就能實現風險的掌控，降低傷害事故發生的概率。
  4.3 制動器風險降低的外部措施
  除增強電梯制動器自身的安全性和可靠性之外， 降低由于制動器的缺陷而引發的電梯故障或事故風險的另一種可能的途徑是增加外部的輔助保護環節，如封星、附加制動器等。不過這已經不屬于制動器本質安全的范疇。
  5 結語

  綜上所述，制動器在電梯系統中的重要地位和多功能的用途，決定了制動器本身的安全性和可靠性是整個電梯系統安全性和可靠性的核心指標之一。目前頻發的電梯事故，也從某種程度上反映了現有制動器在設計和使用當中存在種種不足。為降低制動器系統的相關風險，減少由于制動器因素而引發的電梯事故或故障，在制動器的設計和使用環節引入新的安全理念是非常必要的。本文中以現場檢測或事故實例引出的風險分析為依據，力圖將本質安全的思想和基本理論同傳統電梯制動器的設計和使用結合在一起，希望能起到拋磚引玉的作用，推動制動器相關生產單位進一步提升電梯制動器產品的設計和制造水平，為社會提供更加安全和可靠的電梯制動器產品。

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