本文刊登于《中国电梯》杂志2024年第9期
作者：金琪安 / 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院
电梯的安全性需求始终伴随着电梯技术的发展。对于电梯安全性的关注，贯穿在电梯设计、制造、安装、维修、检验、使用等各个环节当中。无论技术如何发展，追求电梯设备的本质安全是一个永恒的主题。笔者作为从事电梯行业多年的专业人士，在本文中针对国内曳引式电梯主要部件的本质安全现状进行分析，并在此基础上对其安全性提升提出一些改善建议。
本质安全是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。电梯的本质安全取决于整机的设计与制造质量，其中主要配套部件质量是关键因素。限于文章篇幅，笔者仅对电梯主要部件本质安全现状和改善进行探讨。
当前新装电梯的曳引机大部分是永磁无齿轮曳引机，因其简化了传动链，电动机与曳引轮同轴驱动，避免了传动链失效的危险。无齿轮曳引机在相对明显的技术优势下也带来了对制动力矩需求显著加大的结果。必须注意，永磁无齿轮曳引机运行安全性的关键因素之一就是制动力矩。
在商业竞争的驱动下，专业化生产的曳引机成为降本的主要对象。由于电动机质量对于电梯运行安全性的影响远小于制动器，在此主要分析制动器的问题。GB/T 24478—2009《电梯曳引机》规定：曳引机的额定制动力矩应按GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》第12.4.2.1条与曳引机用户商定，或为额定转矩折算到制动轮(或盘)上的力矩的2.5倍。由于与曳引机用户商定额定制动力矩将降低曳引机的通用性，曳引机生产厂家普遍将制动力矩设定为额定转矩折算到制动轮(或盘)上的力矩的2.5倍。但一些曳引机生产厂家试图以较小的“制停载有额定载重量以额定速度下行的轿厢减速下行所需的转矩”替代较大的“曳引机的额定输出转矩”，并向全国电梯标准化技术委员会请求了标准解释。
现在生产的永磁无齿轮曳引机的制动器，体积甚至小于有齿轮曳引机的制动器。永磁无齿轮曳引机没有机械减速传动环节，其对曳引轮轴的直接制动所需的制动力矩远大于有齿轮传动曳引机。在曳引机额定制动力矩定义明确的情况下，某些生产厂家转向了细节设计。例如：针对曳引机型式试验普遍采用新机静态测试的现状，采用降低电动开闸力的设计，以高压激励松闸、降压维持的方式减少线圈发热；降低制动轮表面粗糙度和额定转矩实际倍率等。由于制动弹簧设计压力几乎没有减小的余地，降低电动开闸力带来的后果是制动器在长期使用后开闸机构动作阻力如稍有增加就可能导致曳引机带闸运行。由于拆卸维修曳引机制动器工作量大，维保人员有时采用减小制动弹簧压力的方式简单处理，由此造成制动力减小的安全隐患，事实上还发生过严重的事故。曳引机长期使用后制动力下降也是在制动器设计中必须考虑的因素，降低制动轮表面粗糙度和额定转矩倍率会直接造成制动器安全冗余下降，导致不能满足电梯制造规范的要求。事实上，绝大多数曳引机在保用期结束前后的实际制动转矩均不能满足2.5倍的额定转矩值要求，这使得制动器的安全裕度大大下降，而电梯制造规范的要求是在整个使用期间均需满足2.5倍的额定转矩值。
曳引机的安全性还与设计寿命密切相关。某些曳引机生产厂家的合同保用期已经从十多年前的7年左右降低为现在的2年左右，以曳引机出厂日期为起始点的保用期已经接近整机保用期的下限。缩短保用期使得曳引机各个零部件的设计寿命也随之下降，易引发安全事故。
电梯安全部件的专业化生产已经非常普遍。激烈的商业竞争使得安全部件的型式迅速向低成本、小型化发展，这使得安全部件的本质安全性有所下降。
安全钳作为防止电梯坠落和下行超速的主要安全部件，使用寿命一直以来备受关注。专业人士早在2004年第15卷第16期《中国电梯》杂志上便以《安全钳试验的安全性评价》一文对安全钳空载、满载试验对安全钳的寿命影响作出了分析[1]。安全钳型式试验时，其试验报告中的关键元件——制动楔块均只使用3次，这说明在第4次使用中极有可能不能满足设计要求。在实际使用中，现场安装验收的理论满载试验不会少于电梯厂家和第三方机构检验的2次。按照电梯安全设计的基本要求，安全钳动作后，必须保证至少1次有效保护功能。如果安全钳楔块设计损耗仅有3次有效寿命，则在现场安装后只能进行1次满载试验；在使用中如果发生安全钳动作，则必须更换安全钳楔块。比较遗憾的是，现在笔者尚未见到哪个电梯厂家在使用维护说明书中对此作出相关警示，但事实上某些由安全钳失效导致的事故已带来了警示：安全钳的使用寿命和动作次数是有限的，即使暂时不能大幅度提高安全钳寿命，安全钳生产厂家和电梯整机生产厂家也必须对用户有明确的技术要求和警示。
目前国内安全钳配置正向着固定U形板簧——单楔块的简单结构发展，由此带来了安全问题。单楔块安全钳无浮动钳座时的要求与传统安全钳在导轨的两侧运行间隙上不同，安全钳动作时将迫使轿厢导靴发生水平位移并受到较大的侧向力；而楔块与导轨必须保持足够的运行间隙弥补轿厢晃动时的导靴间隙，以防止安全钳误动作。但在轿厢导靴靴衬设计弹性及间隙较小的情况下，接近安全钳钳体的导靴弹性和固定力就成为新装电梯安全钳试验的考验对象。由安全钳试验造成的导靴座松动，甚至是导靴座开裂都可能给后续的电梯运行安全带来无法预测的危险。
价廉物美的聚氨酯发泡缓冲器相比弹簧缓冲器更有利于企业降本。但因高分子材料的内在品质不易检测使其质量难以把控；有些生产厂家在生产中掺入回用料以降低成本也成为难以监控的“顽疾”。在电梯制造规范和检验规则中，一贯要求缓冲器在试验后应保持其完整性。但是针对聚氨酯发泡缓冲器的某些型式试验，仅采用轻载测试来验证试验后的完整性，使得试验结果脱离实际。在电梯蹾底、冲顶事故中发生缓冲器开裂、严重变形的案例比比皆是，严重削弱了电梯的安全性。新版电梯型式试验规则中要求明示该类缓冲器的使用寿命，但仅是对危险现状的些许弥补。尤其现行电梯制造规范的推荐性使其难有作为，只能等待检验规则和新版型式试验规则要求的执行效果。
目前大量采用的限速器产品的型式结构如图1所示。该类限速器存在的问题是动作后联动开关可以独立复位，而不是必须等待机械机构复位后才能复位，本质上是不符合电梯制造规范规定的。
GB/T 10058—2023《电梯技术条件》第4.6.3条规定：“限速器应能至少承受3次模拟自由落体试验，试验后应无损坏。”笔者认为该条规定要求偏低。作为电梯下坠和超速时驱动安全钳的关键部件，理应在电梯设计寿命内出现的各种自由落体下坠或超速危险中保证安全钳可靠动作。由于限速器动作受力主要取决于安全钳的提拉力和减速度值，自由落体条件下机械限速器必将由于重力加速度而在达到整定速度前动作，而安全钳实际提拉力和减速度也将随着提拉机构状况、制动总质量和导轨状态等实际关联状态的不同而不同。试验条件并不能完整体现实际动作时的最不利条件的受力，因此GB/T 10058—2023该条规定对限速器动作的可靠性要求偏低。
层门机电联锁的安全重要性是电梯行业的共识。早先GB 7588—1987《电梯制造与安装安全规范》便规定：门扇间直接或间接机械连接的装置，都应看作是门锁装置的组成部分，因而必须进行型式试验。但是在数十年的贯彻标准实践中，除少数大品牌电梯采用了中分门对扣式层门锁或每个门设置独立的层门锁可免去门扇间直接或间接机械连接装置的型式试验外，中小电梯品牌普遍有意或无意地忽视了该项安全要求，致使一些中分门电梯存在层门安全隐患。TSG T7007—2022《电梯型式试验规则》的颁布实施，有望结束这方面存在的疏漏。
分析电梯故障和事故可知，电梯门防护系统的安全性和可靠性在很大程度上决定了电梯的安全性和可靠性。在电梯制造规范未规定电梯需进行层门软摆锤冲击试验之前，因层门的整体强度过小发生了多起人员误入井道的伤亡事故。在电梯制造规范提高了层门强度和刚度要求并实施软摆锤冲击试验后，层门的安全防护性得到提升，减少了事故伤亡。但是其中还存在局限性：目前我国电梯制造规范对层门门板强度和保持装置安全性能的要求远低于北美地区电梯安全标准。北美地区电梯安全标准ASME A17.1—2019《电梯和自动扶梯安全规范》中的2500 N静力作用要求和独立冗余保持装置要求，在安全性验证中尚不能抵御电动轮椅的冲击，而当前我国的电梯制造规范安全防护性能更差。
层门软摆锤冲击试验具体的实施要求也将影响层门的实际安全防护性能。现在实施的某些层门型式试验，并未能依据层门具体结构和实际使用中可能出现的最不利条件考虑试验方法，且在实施中还多有不同的技术偏差；对于不同层门的材料和工艺变化带来的结构强度和刚度变化，也未能予以全面细致的考虑。这些在一定程度上降低了某些类型层门的实际防护能力。
对于层门下部安全保持装置的认识，还是延续了GB 7588—2003第7号解释单中“应急导向装置”的思路，仅考虑到导向件的有限磨损，未能充分考虑到下部导向件固定松脱、锈蚀等风险。而ASME A17.1—2019则明确要求层门保持装置在正常情况下不受力，以使其在关键时刻充分发挥安全防护功能。
采用小直径曳引轮的永磁无齿轮曳引机的广泛使用，不仅使2:1的曳引比盛行，还迫使曳引绳直径减小，数量增加。多绳2:1的曳引比的扰动不确定性使得轿厢运行的稳定性下降。除此之外，曳引机厂家将曳引轮直径设计为电梯制造规范要求的下限，最大限度地降低了曳引机体积与制造成本，但是其本质是将一部分成本转嫁到整机厂家。按照电梯制造规范中基本折弯工作寿命要求以及曳引绳的安全系数计算公式，曳引轮下限直径的设计使曳引绳的设计安全系数的下限普遍提高到16倍以上，这导致曳引绳总质量大幅上升，也使得补偿装置的质量需求同步增加。由此不仅耗用了大量的钢丝绳与补偿装置资源，还在中高速电梯运行中加大了不易抑制的随机扰动，严重影响了运行的安全稳定性。
曳引机驱动力矩的减小还进一步促使曳引比为4:1的曳引系统设计开始流行，8～10根曳引绳的载货电梯曳引设计日益增多。该类设计的主要问题在于曳引绳线速度成倍增加，减小了摩擦系数设计许用值，使得曳引条件设计更为困难。曳引轮槽形角β随之加大的后果是将曳引绳安全系数需求推高至20倍左右。这极大影响了曳引绳的有效寿命，3～5年更换一次曳引绳似乎已逐渐成为常规操作。相关测试和统计案例表明，电梯制造规范对曳引钢丝绳安全系数的要求偏重，这适用于柔韧性较好的钢丝绳；对于强度大而柔韧性较差的钢丝绳，其实际使用寿命在接近下限的小直径曳引轮条件下将远小于预计设计寿命。
纵观电梯钢丝绳的技术标准进化，发现其未能重点关注电梯曳引绳的关键技术需求。其中关系到电梯曳引绳运行稳定性的主要技术指标如直径偏差、圆度偏差均未有明显的优化。而电梯钢丝绳作为承力传动件，其外形的均匀性直接关系到电梯运行的稳定性。在曳引轮半圆或V形切口槽的情况下，很小的圆柱面偏差均可在曳引轮槽内产生明显的线速度变化，从而对钢丝绳动态张力产生严重影响。相关测试显示，一些多次绕绳倍率的电梯在大多数载荷状态下，曳引钢丝绳运行动态张力差普遍高达10%以上，且在曳引轮及钢丝绳头不同侧张力差变化明显。笔者认为电梯钢丝绳技术标准还有很大的提升空间。
电梯导向系统在电梯运行中的导向功能对导轨的强度要求不高，因此使得现在电梯设计时普遍将其作为降本增效的一个着力点。但电梯导轨及其支撑是安全钳动作的关键受力支撑件，这一功能在某些设计中正被有意或无意地忽视。
电梯制造规范一贯要求电梯设计不仅要保护人员安全，还需保护轿厢内的装载物、电梯的零部件、安装电梯的建筑、紧邻电梯的区域的安全。这要求在电梯发生故障时，以及安全钳动作时，不能出现危害电梯安全运行的部件损伤。
随着电梯导轨设计应力越来越接近于许用应力，导轨的设计计算问题逐步凸显。1)由于目前大部分导轨设计计算对轿厢重心和载荷中心相对导轨的相互偏离值均未能准确确认，使得电梯制造规范要求的安全钳动作时载荷最小偏离值的最不利设计条件不能得到充分满足，造成导轨的实际工作状态有可能处于设计允许值范围之外。2)因导轨支架的安装间距不易控制而产生的实际上的偏差，也将增加导轨实际应力的超差。在大载重载货电梯的导轨支架设计中，许用挠度的控制普遍存在问题，导致载货电梯安全钳满载试验就时有发生导轨及支架变形的事故。3)现在的安全钳满载试验并未达到设计最不利工况的偏载条件。由此可见，现有导向系统设计状况堪忧。
作为安全钳动作的关键受力支撑件，导轨工作面在磨损后必然降低安全钳的工作性能，因此应该依据试验数据规定安全钳动作对应作用面的最小导轨尺寸。相关检测显示，使用10年以上的导轨工作面最大磨损可超过0.1 mm，且在全长上分布差异较大。对于不同设计型式的安全钳，应有对应导轨磨损的相关测试，以期充分保障电梯长期运行中的安全性能。
为实现对重在质量、形态上的持久稳定和有足够大的比重等性能要求，黑色金属铸件对重块在电梯历史上已经沿用了上百年。但在金属对重块的使用历史中，因采用成本低廉但机械性能较差的铸铁材料制作对重块，多次发生过因受冲击使对重块断裂、脱落后冲击轿厢致人死伤的案例。由此提示对重块的强度和完整性问题在设计中应该得到重视。
在电梯高速发展的大批量生产背景下，降低对重块的生产成本成为电梯生产厂商的选择。混合材料复合对重块主要是将高比重的矿石或废金属混合混凝土材料填入金属薄板壳体内固化而成。低廉的成本使其逐渐被大多数电梯生产厂家采用。但是混合材料复合对重块的高比重填充料采用的主要是廉价的铁矿石或废金属材料，在电梯长期的运行中，难以避免铁质填料的氧化。在不能满足空气密封条件的情况下，铁质填料较大的表面积将加速氧化过程。铁氧化后的体积将膨胀至原体积的2～6倍，从而导致对重块变形开裂，同时加速氧化过程，甚至会使对重架严重变形。Fe2O3的疏松形态还会吸收空气中大量的水分，增加对重块的重量。这些变化都将对电梯的安全运行造成严重的威胁。在2008年第19卷第7期《中国电梯》杂志《浅析非纯金属材料对重块的问题》一文中，作者已经指出了这些问题[2]。
在采用小比重材料的复合对重块后，对重块在对重架内的叠放高度较大。对重块的形状累积偏差的影响增加，对重块自重的压力对最下层对重块的强度形成严酷的考验。复合对重块自身形状的偏差，极易使对重架内下层对重块受到压力时变形甚至开裂。当最底部对重块的对重框支撑面积较小时，局部的高压强也将导致该对重块碎裂。在上部固定对重块的技术措施不合理时，局部的高压强和附加紧固力也将导致对重块碎裂。各种裂缝均可使复合对重块的防氧化措施效果下降、失效；在电梯井道的大高度狭窄空间内，对重块碎裂脱落的后果带来的安全风险极为严重。
由于电梯需要长期使用，使得复合对重块的适用环境及使用寿命不容忽视。相对于金属对重块可与电梯设备等使用寿命，复合对重块由于设计、工艺、生产环节的差异，其技术性能不尽一致，使用寿命难以预测。因此必须要求由复合对重块生产厂家提供完善的安装、使用维护说明。这样可使电梯设计人员依据其技术性能合理设计对重装置，改进固定方式，完善安装工艺要求；并针对复合对重块的适用环境和寿命标准，对复合对重块的更换周期在电梯维护使用说明书中予以明示，指导电梯维保人员维护、检查，及时发现复合对重块的缺陷，及时更换受损对重块。我国地域辽阔，环境类型多样，复合对重块的使用寿命还将随着使用环境的不同而变化，因此笔者认为有必要针对电梯使用地点的环境类型，制定复合对重块在不同环境适用的标准寿命，便于维保人员及时维保检查。
近二三十年来，驱动控制系统取得了迅速发展，性能不断完善。面对驱动控制系统高速发展的局面，还应清醒地看到其中的问题与短板。当前，驱动控制系统的短板主要在软件和硬件两个方面。
电梯驱动控制技术正向着全无触点驱动控制发展，控制软件的安全性日益凸显。由于电梯供应链形成的历史原因，专业的驱动控制系统供应商的产品大多迎合大批量的产品，对于电梯专用控制系统软件，特别是高速电梯群组控制系统软件的开发兴趣不大，致使电梯专用的先进模块化设计控制软件缺乏，拖累了电梯的智能化技术发展。在应用功能软件设计中，设计人员只注重追求实现多方面功能的要求，在诸多方面忽视了安全性问题。如在驱动和制动器控制电路的双套冗余控制环节，某些设计为了强调主控电气装置和辅助保护控制电气装置的动作时序，将时序控制设计为顺序控制，这样直接破坏了双套冗余控制的安全性，并由此在电梯保用期内就造成了严重事故。在运用全无触点驱动控制时，设计人员必须关注到GB/T 12668.502—2013《调速电气传动系统 第5-2部分：安全要求功能》第4.2.2.2条的规定，即：安全转矩取消(STO)功能的适用场合对应于保护性不可控停止，且还需电源隔离措施防止电击。因此，该类控制的安全性将严重依赖完善的软件设计。
在电梯控制系统的硬件配置方面，应该重点关注制动器控制电气装置。由于电梯制动器绝大部分采用直流驱动，其电感性大电流的有触点通断难度远大于交流电路，故目前仅有少数产品将制动器冗余控制的控制器设计在整流环节前的交流电路部分。长期以来，电梯制动器的控制在直流通断回路中广泛采用价格较为便宜的交流接触器或交流和直流两用继电器。分析该类控制电路的元件设计可知，其实际控制的直流性质和容量完全不适用交流接触器，也超过了交流和直流两用继电器铭牌上的规定值，其中设计为冗余控制的辅助控制电气装置问题更大。因控制电气装置的设计问题带来的控制触点烧蚀和粘连问题，得益于电梯制造规范要求的制动器的双套冗余控制及监测，直接造成事故的案例还不多。但其中的安全隐患显而易见，而且由此造成的伤害事故也极为严重。同样，一些制动器控制电路的电气安全防护设计也处于较低水平，多数设计还未完全满足GB/T 5226.1—2019《机械电气安全机械电气设备 第1部分：通用技术条件》的安全标准要求。
任何设备的零部件均只能在设计寿命内保证安全使用是基本常识，设计寿命可以是年限或是使用总次数。电梯作为建筑通用设备，理应有明确的整机和主要部件设计寿命，并且对用户明示。但是电梯使用说明书中大多仅有少量常规磨损件的维保更换要求。建筑通用设备的设计寿命理应与建筑物寿命相匹配，应以减小更换次数的较长寿命为设计基点。
目前电梯制造业的现状是电梯整机和主要部件设计寿命普遍呈现下降趋势，致使安全问题频发，笔者认为必须加大维护检查力度。对此，制造厂家首先应明确说明产品的设计寿命并给出明确的检查和更换标准，便于维保人员检查维护和及时更换。
未来电梯行业的技术进步任重而道远，有待业内同行共同努力改进电梯安全性能，实现电梯本质安全。
来源：《中国电梯》杂志
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