CN101318603B - 电梯用紧急制动装置 - Google Patents

Abstract

提供一种在制动构件的滑动面出现高温时也能够防止制动构件发生断裂，并且具有高可靠性的电梯用紧急制动装置。该电梯用紧急制动装置在电梯发生了异常时，通过按压制动构件(5)并使其在导轨(2)上滑动而使其产生制动力，该电梯用紧急制动装置具备：由铸铁材料制成的制动构件(5)，其具有多个在大致垂直于导轨(2)的方向上形成的沟槽(3)，以及凸齿，其形成在沟槽(3)之间，构成制动构件(5)的滑动面，沟槽深度为3mm以上且在凸齿宽度的1.7倍以下。

Description

电梯用紧急制动装置

技术领域

本发明涉及一种电梯用紧急制动装置，该电梯用紧急制动装置尤其适用于在电梯速度达到规定速度以上时动作。

背景技术

电梯有义务设置在电梯轿厢的下降速度达到一定速度以上时以适当的减速度使电梯轿厢停止的安全装置，即紧急制动装置。

在紧急制动装置所使用的制动构件中，在被弹性物体包围的内侧配置有2个梯形的摩擦材料，当电梯轿厢的速度达到了规定速度以上时，通过2个制动构件按压设置在升降通道墙壁上的电梯用导轨，并且利用由弹性物体的弹性变形而产生的力来产生制动力。一直以来，制动构件大多由具有适度摩擦系数和耐磨损性的铸铁材料制成。

作为使用铸铁材料制成的紧急制动装置，例如在专利文献1的日本国专利特开2006-131384号公报中所公开的那样，在紧急制动装置的制动构件的在导轨上滑动的滑动面上设置有多个沟槽。在紧急制动装置进行紧急制动时，该等沟槽将因制动构件与导轨之间的摩擦滑动而产生的磨耗粉末从滑动面排出至外部，以确保滑动面的摩擦系数，并防止因磨耗粉末和碎片等嵌入导轨中而导致制动构件发生异常磨损。

此外，作为其它的紧急制动装置，例如在专利文献2的日本国专利特开2000-191252号公报中所公开的那样，为了在制动构件与导轨之间产生了大的摩擦热的情况下仍然能够得到稳定的摩擦力，将具有优异耐热性的陶瓷制摩擦材料分割成多块后埋设在制动构件主体中。

专利文献1特开2006-131384号公报

专利文献2特开2000-191252号公报

随着建筑物不断向高层化发展，电梯的规格也在向高速化和大容量化的方向发展，作为电梯的紧急制动装置，要求在制动时，在因制动构件与导轨之间产生摩擦热而形成高温环境的情况下仍然能够得到稳定的摩擦力。

在使用铸铁制成的已知的紧急制动装置中，随着向高速化和大容量化发展，滑动面的受热量加大，其结果，可能会出现因作用在滑动面附近的热应力，使得制动构件从应力所集中的沟槽底部开始出现断裂的情况。

此外，在制动构件中使用具有优异耐热性能的陶瓷摩擦材料时，虽然能够确保摩擦材料的强度，但由于陶瓷材料的成本十分昂贵，与铸铁材料相比成本在10倍以上，并且陶瓷摩擦材料与制动构件之间的固定结构也比较复杂，因此会导致装置的总体成本上升。并且，由于陶瓷属于脆性材料，为了确保规定的质量，与铸铁材料相比，需要进行更为严格的工序管理，并且在进行机械加工和安装时必须非常小心。

发明内容

本发明是为了解决上述已知技术中所存在的问题而作出的，为此，本发明的目的在于提供一种电梯用紧急制动装置，该电梯用紧急制动装置的工序管理简单，加工和安装作业方便，能够抑制装置成本上升，并且具有很高的可靠性，在制动构件的滑动面出现高温时也能够防止发生断裂，在紧急时能够切实地使电梯轿厢停止。

为了实现上述目的，在本发明的电梯用紧急制动装置中，当电梯发生了异常时，通过按压制动构件并使其在导轨上滑动而使其产生制动力，由此使电梯轿厢停止，该电梯用紧急制动装置具备：由具有相当于FCD400的强度的铸铁材料制成的所述制动构件，该制动构件具有多个在大致垂直于所述导轨的方向上形成的沟槽，所述沟槽大致为半圆形状或者U字形状；以及凸齿，其以凸出形状形成在所述沟槽之间，构成所述制动构件的滑动面，所述沟槽深度为3mm以上且在所述凸齿宽度的1.7倍以下。

发明效果

根据本发明，由于采用了铸铁材料制成的制动构件，并且在制动构件中形成了沟槽深度为3mm以上且为凸齿宽度的1.7倍以下的沟槽，所以能够使得作用在沟槽底部的热应力不会超过制动构件材料的屈服点，并且沟槽底部的弯曲应力也不会超过抗拉强度。因此，在使用铸铁材料的情况下，仍然能够在制动构件的滑动面的温度超过1000℃的高温环境下防止断裂出现，在紧急时能够切实地使电梯轿厢停止，因此具有很高的可靠性。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式中的制动构件的立体图。

图2是表示根据本发明一实施方式中的紧急制动装置的主视图。

图3是表示图2的紧急制动装置的局部立体图。

图4是表示一实施方式中的制动构件厚度方向的距离与温度分布之间关系的曲线图。

图5是表示一实施方式中的制动构件部分受热范围的侧视截面图。

图6是表示一实施方式中的作用在制动构件上的应变与应力线之间关系的曲线图。

图7是表示一实施方式中的制动构件的计算模型的立体图。

图8是表示一实施方式中的制动构件的滑动部分上的凸齿的侧视截面图。

图9是表示一实施方式中的制动构件的面压与摩擦系数之间关系的曲线图。

图10是表示其它实施方式中的制动构件的侧视图。

符号说明

1滑动面

2导轨

3沟槽

4紧急制动装置

5制动构件

6弹性体

8引导板

10引导构件

L受热厚度

h，h1，h2，h3凸齿宽度

具体实施方式

以下参照附图对电梯用紧急制动装置进行说明。

图2是紧急制动装置的纵向截面图，紧急制动装置4具有夹着导轨2形成左右对称的结构。并且，紧急制动装置4具有截面形状被形成为梯形的一对制动构件5，制动构件5的上端侧为短边，下端侧为长边。

一对制动构件5大致平行设置，其与导轨2保持微小的间距，使得能够对导轨2进行挟持。制动构件5的背面为上方变窄的楔形的平滑倾斜面。

此外，为了使制动构件5移动到规定位置，在引导构件10上设置有引导制动构件移动的引导板8。引导构件10的内侧为与制动构件5的倾斜面平行的倾斜面，外侧为垂直面，垂直面被弹性体6夹在中间。引导构件10的外周部分由弹性体6包围，该弹性体6被形成为U字形状，其与导轨2相对的一侧呈开放状。制动构件5以及引导板8、引导构件10、弹性体6被容纳在框体9内，制动构件5的一端与使紧急制动装置启动的未图示的驱动装置的提起棒连接。

图3表示紧急制动装置动作时的状态。多个引导滚轮11被按压在制动构件5的倾斜面上。引导滚轮11被保持为能够在引导构件10上旋转，在引导滚轮11的作用下，制动构件能够朝上方顺畅地移动。

引导构件10具有与制动构件5的倾斜面平行的倾斜面，由于引导构件10的背面侧为垂直面，所以引导构件10的垂直面被弹性体6夹在中间。因此，在紧急制动装置动作时，制动构件5相对于引导构件10被提升，而使引导构件10展开。因引导构件10展开而产生的反作用力作用在制动构件5上，制动构件5朝互相间的距离缩小的方向移动，并且夹住导轨2。

图1是制动构件的立体示意图。制动构件5由四方柱形状的铸铁材料制成，其在导轨上滑动的滑动面1的中央部分为平坦面，而其上端部和下端部具有朝着各自的端部向离开导轨的方向倾斜的倾斜面12、13。

在滑动面1上设置有沟槽3，该沟槽3用来捕获在制动中产生的磨耗粉末并将其朝着滑动面1的外部排出，以防止因磨耗粉末和碎片等嵌入导轨中而发生异常磨损。在与所述导轨大致垂直的方向上形成有多个沟槽3，该等沟槽3大致形成为半圆形状或者U字形状，从而使得加工更为方便，并且能够缓和应力在沟槽底部集中的情况。

优选对沟槽深度x进行设定，使得作用在沟槽3底部的应力变得尽可能地少。此外，滑动面1被形成为具有多个凸齿的结构，凸齿的凸齿宽度h按照沟槽深度x进行设定。

以下对紧急制动装置的动作进行说明。在未图示的电梯轿厢的移动速度达到了超过额定速度的设定速度时，设置在最高楼层的未图示的速度传感装置动作，并由未图示的提起棒提起制动构件5，使得制动构件5夹住设置在电梯轿厢两侧的升降通道墙壁上的导轨2。并且，在制动构件5的作用下，U字形状的弹性体6展开产生弹性变形，通过导轨2与制动构件5之间的切削或胶合而产生摩擦力，从而使电梯轿厢停止。

由于紧急制动装置中的弹性体的规格需要根据使用该弹性体的电梯的额定速度和负载质量、即由该紧急制动装置承担的制动能量来决定，所以，随着制动能量的增大，必然需要相应地增大弹性体和制动构件的大小。此外，制动能量越大，则制动构件的滑动面的温度也越高，从而会产生更大的热负载。其结果，因设置在滑动面上的沟槽的底部位置的不同，而可能导致应力集中在沟槽上，而使得制动构件从沟槽底部开始发生断裂。

图4表示安装在制动开始速度为650m/min，落下时质量为25ton的电梯上的紧急制动装置的制动构件温度特性，图中的曲线表示制动刚停止时的制动构件厚度方向距离与温度之间的关系。

本计算是从滑动面进入了一定量的相当于制动能量的热量时的一维热传导计算的计算结果。本计算的条件如下：作为制动构件使用了8根滑动面积为6×10^-3m²的由铸铁制成的制动构件(在紧急制动装置中排成上下2组)，紧急停止动作时的平均减速度为规格范围的上限值9.8m/s²，所产生的热量以1/2的比率分别分配给了导轨和制动构件。在图4中，记号○表示在以与上述条件相同的条件进行的制动实验中所获得的制动构件侧面温度的实测值，图中的计算值和实测值大致相等。

如图4所示，虽然滑动面的温度超过了约1150℃这一铸铁的熔点温度(图中17所示的值)，但是所受的热在制动构件的厚度方向上所到达的范围18从滑动面起算大约为10×10^-3m(10mm)，由此可知只是滑动面的附近受到了热。

此外，如果以虚线20近似表示其温度特性19时，则相对于制动构件厚度方向距离x(m)的温度T(℃)由公式3表示。

T＝T_max(1-x/L)        (公式3)

在此，T_max表示铸铁的熔点温度(1150℃)，L表示受热厚度(在制动构件厚度方向上波及的范围)，其值为10×10^-3m(10mm)。

在各种电梯中，在滑动面温度会超过熔点温度的那样的规格中，虽然滑动面的温度上升，但热所波及的范围L基本上没有发生变化。由于实际上熔点温度为极限值，所以滑动面温度的温度分布成为以公式3近似得到的温度分布。

以下对电梯的规格条件与制动构件表面温度达到熔点温度1150℃之间的关系进行说明。

紧急制动时的减速度为9.8m/S²时所发生的制动能量E(J)由公式4所示。此外，制动中制动构件所受到的热能量Q(J)由公式5所示。

E＝mV²        (公式4)

Q＝CT         (公式5)

在此，m表示落下时质量(kg)，V表示制动开始速度(m/s)，C表示制动构件的热容量(J/K)、T表示制动构件温度(℃)。

假定制动能量E的1/2作为制动构件温度T被进行了热分配，则E/2＝Q，假定在n根制动构件中产生了热能量Q，则Q成为对制动构件厚度方向距离x从0到L为止进行积分后而得到的值，该值为nC(T_maxL)/2，根据公式4以及公式5，T_max由公式6得出。

Tmax＝mV²/nCL        (公式6)

在此，n表示制动构件的数量。此外，如果c表示制动构件的比热(J/kgK)，υ表示制动构件的密度(kg/m³)，A表示制动构件的滑动面面积(m²)，则C＝cυA。

将铸铁的物性值c＝546(J/kgK)、υ＝7.2×103(kg/m³)以及受热长度L＝10mm代入6式后，制动构件表面温度超过熔点温度1150℃的电梯的规格条件，即为成为T_max≥1150℃的条件由公式7表示。

mV²/An≥4.5×10⁷(J/m²)      (公式7)

但是，由于铸铁材料在滑动中会产生磨损，而难以在1000m/min等级的电梯中使用，所以铸铁材料实际上优选在速度为1000m/min以下的电梯中使用。

以下根据作用于安装在满足上述公式7的电梯上的紧急制动装置的制动构件的热应力和弯曲应力对设置在滑动面上的沟槽的深度以及滑动面的凸齿的凸齿宽度进行适当的设定。

图5表示导轨和滑动中的制动构件的侧视图。由于制动构件中央的平坦的滑动面通过弹性体被按压在导轨2上进行滑动，所以产生了摩擦热，其温度因此而上升。另一方面，制动构件的上端部和下端部具有向离开导轨的方向倾斜的倾斜面，由于该等倾斜面不与制动构件发生滑动接触，所以其温度几乎不会上升。

如图4所示，在制动构件的厚度方向上，受热部分的受热厚度L从制动面起算大约为10mm左右。因此，楔形部分的厚度在梯形的上端部也有必要设定在20mm以上。所以，受热部分23仅限于图5所示的由上端部22、受热厚度L的部分以及下端部24包围的滑动面附近。其结果，在受热部分23周围的コ字形的部分几乎不产生热膨胀，而使受热部分受到了限定。

图6表示应变和应力的曲线图，如果因制动构件的受热部分23发生热膨胀而产生的压缩应力超过屈服点27而达到了塑性区域28，则在冷却后(落下停止后)会产生拉伸应力σ₁作用(虚线箭头所表示的过程)。此时，如果在受热部分内设置有沟槽部分，则拉伸应力将集中在沟槽底部，当该应力超过了制动构件材料的抗拉强度后，可能从沟槽底部开始出现断裂。因此，有必要避免使拉伸应力作用在制动构件上，为此，优选将受热膨胀时的拉伸应力的作用范围控制在弹性区域27(实线箭头所表示的过程)的范围内。

以下针对受热区域求出制动构件厚度方向的热应力分布。图7表示在垂直方向上对制动构件的受热范围进行细分时的计算模型。

制动构件在没有受到限制的状态下受热时的伸长量λ如λ＝αΔTk所示。在此，α表示线膨胀系数，ΔT表示上升温度，k表示制动构件热膨胀前的长度。

由于只是从滑动面受热，所以伸长量如虚线所示，高温侧的滑动面侧的伸长量较大，而厚度方向x的低温侧的伸长量较小。并且，由于在上下方向上受到了限制，所以在相邻要素的限制力的影响下，在厚度方向的整个区域收敛为规定的伸长量。此时所产生的限制力P(N)，作为制动构件温度T由公式8表示。

P＝Eb{αT_max(1-x/L)k-δ}Δx/k        (公式8)

E表示拉伸弹性模量(MPa)，α表示线膨胀系数(1/K)，T_max表示铸铁的熔点温度(1150℃)，L表示受热厚度10mm，k表示制动构件热膨胀前的长度(m)，δ表示伸长量(m)，Δx表示制动构件厚度方向的要素长度(m)，b表示制动构件的宽度(m)。

总限制力P_total表示对公式6进行从滑动面到受热厚度L为止的积分所得的值，该值表示内力的总和，因此P_total＝0。为此，制动构件热膨胀后的长度δ由公式9表示。

δ＝αT_maxk/2            (公式9)

将公式9代入公式8后，限制力P如公式10所示。

P＝EbαT_max(1/2-x/L)Δx        (公式10)

由于所产生的应力σ(MPa)等于P/Δxb，所以由公式11表示。

σ＝EαT_max(1/2-x/L)            (公式11)

为了将制动构件的热膨胀控制在弹性领域的范围内，有必要满足沟槽底部的位置即沟槽深度x处产生的应力σ＜制动构件材料的屈服点σa这一关系，所以，可以按式12那样进行设定。

x＞(1-2σa/EαT_max)/200        (公式12)

以下对沟槽深度的上限值进行说明。

图8是制动构件的滑动部分的凸齿结构(以下称为“凸齿”)的侧视截面图。在进行紧急停止制动时，箭头F所示方向的摩擦力作用在凸齿29的滑动面。因此，最大的弯曲应力σ2作用在凸齿底部30上。将沟槽深度的上限值设定为满足弯曲应力σ2＜制动构件抗拉强度σ_B这一条件。

在图8中，在凸齿底部30产生的弯曲应力σ2如公式13所示。

σ2＝6μ_maxNx/bh²            (公式13)

μ_max表示作用在导轨与制动构件之间的最大摩擦系数，N表示作用在每根凸齿上的弹性体反作用力(N)，x表示沟槽深度(m)，b表示制动构件幅度(m)，h表示凸齿宽度(m)。为此，为了满足σ2＜σ_B，优选使沟槽深度x满足公式14。

x＜σ_Bbh²/6μ_maxN        (公式14)

此外，可以将用于确保9.8(m/s²)这一平均减速度的每根制动构件的弹性体反作用力N(N)设定成满足公式15。

N＝2mg/nμ_avr            (公式15)

m表示落下时质量(kg)，g表示重力加速度(m/s²)，n表示制动构件数量，μ_avr表示作用在导轨与制动构件之间的平均摩擦系数。

此外，当将每个制动构件的齿数设定为e时，则制动构件的面压Np(MPa)＝N/ebh，可以在变换后，使沟槽深度x(m)满足公式16。

x＜σ_Bh/6μ_maxNp         (公式16)

图9表示由实验得到的制动构件的面压Np与摩擦系数之间的变化关系。面压Np是相对于制动构件抗拉强度σ_B(MPa)的相对值，摩擦系数表示的是将抗拉强度σ_B的1/10以下的摩擦系数作为标准值1.0而变换为相对值后的值。如图9所示，当面压Np/抗拉强度σ_B超过1/4(图中31所示位置)时，摩擦系数急剧下降。

根据以上所述，面压Np的上限值优选设定为抗拉强度σ_B的约1/4。据此对公式16进行变换，沟槽深度x如公式17所示只要在2h/3μ_max以下便可。

x＜2h/3μ_max             (公式17)

综上所述，如果在电梯的规格中，mV²/nA的值为4.52×10⁷(J/m²)以上时，紧急制动装置的制动构件采用铸铁材料制成，并且使设置在与导轨进行滑动的滑动面上的沟槽的沟槽深度x大于(1-2σa/EαT_max)/200且小于2h/3μ_max，也就是说，通过将沟槽深度x设定在满足以下公式的范围内，就能够确保可以经受住热应力和弯曲应力的强度。

(1-2σa/EαT_max)/200＜x＜2h/3μ_max            (公式18)

并且，在选择了具有相当于FCD400的强度的铸铁材料时，假定屈服点σa＝250(MPa)，拉伸弹性模量E＝1.6×10⁵(MPa)，线膨胀系数α＝1×10^-5(1/k)，铸铁的熔点温度T_max＝1150(℃)，最大摩擦系数μ_max＝0.4时，则沟槽深度x为3mm以上且在凸齿宽度的1.7倍以下。

此外，优选将滑动面的凸齿宽度设定为h＝5×10^-3(m)，此时，沟槽深度x可以根据公式18设定为比3×10^-3m大且比8×10^-3m小(3mm＜x＜8mm)。

此外，为了便于排出切削粉末，以及使沟槽底部的应力集中得到缓和，优选沟槽的宽度较宽。并且，增加沟槽的数量也能起到方便切削粉末排出的效果。

图10表示制动构件的形状的一例，图中，在导轨上滑动的滑动面中靠近前端的凸齿宽度比后续的凸齿宽度宽(凸齿宽度h1＞凸齿宽度h2，凸齿宽度h1＞凸齿宽度h3)。如此，由于前端凸齿(图的下方)始终在导轨的新生面上滑动，所以其所承受的摩擦力最大，由于能够将受到最大摩擦力的部分设定得较宽而能确保实际的滑动面积，所以不需要增大制动构件的尺寸便能够设置更多的沟槽数。因此，使得切削粉末的排出变得更为方便，能够防止因磨耗粉末和碎片等嵌入导轨而产生异常磨损。此外，通过将各个沟槽的沟槽深度设定为统一深度，则可使加工变得更为容易，并且能够防止沟槽底部产生龟裂。

Claims (6)

1.一种电梯用紧急制动装置，其在电梯发生了异常时，通过按压制动构件并使其在导轨上滑动而使其产生制动力，由此使电梯轿厢停止，该电梯用紧急制动装置的特征在于具备：

由具有相当于FCD400的强度的铸铁材料制成的所述制动构件，该制动构件具有多个沿大致垂直于所述导轨的方向形成的沟槽，所述沟槽大致为半圆形状或者U字形状；以及

凸齿，其以凸出形状形成在所述沟槽之间，构成所述制动构件的滑动面，

所述沟槽深度为3mm以上且在所述凸齿宽度的1.7倍以下。

2.一种电梯用紧急制动装置，其在电梯发生了异常时，通过按压制动构件并使其在导轨上滑动而使其产生制动力，由此使电梯轿厢停止，该电梯用紧急制动装置的特征在于具备：

由铸铁材料制成的所述制动构件，该制动构件具有多个沿大致垂直于所述导轨的方向形成的沟槽，所述沟槽大致为半圆形状或者U字形状；以及

凸齿，其以凸出形状形成在所述沟槽之间，构成所述制动构件的滑动面，

将所述电梯的质量设定为m(kg)，将制动开始速度设定为V(m/s)，将制动构件的数量设定为n，将滑动面的面积设定为A(m²)时，满足mV²/nA≥4.5×10⁷(J/m²)的关系，所述沟槽深度x在(1-2σa/EαT_max)/200以上且在2h/3μ_max以下，电梯的速度为1000m/min以下，其中：

σa：制动构件材料的屈服点(MPa)

E：制动构件材料的拉伸弹性模量(MPa)

α：制动构件材料的线膨胀系数(1/K)

T_max：制动构件材料的熔点温度(℃)

h：凸齿宽度(m)

μ_max：在导轨与制动构件的滑动面之间产生的最大摩擦系数。

3.如权利要求1或者2所述的电梯用紧急制动装置，其特征在于，所述沟槽的沟槽深度x在3mm以上且在8mm以下。

4.如权利要求1或者2所述的电梯用紧急制动装置，其特征在于，各个所述沟槽的沟槽深度相同。

5.如权利要求1或者2所述的电梯用紧急制动装置，其特征在于，所述滑动面的上端部以及下端部被形成为分别朝着各自的端部向离开导轨的方向倾斜。

6.如权利要求1或者2所述的电梯用紧急制动装置，其特征在于，所述制动构件的前端侧的所述凸齿宽度比后续侧的所述凸齿宽度宽。

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