高速电梯安全钳摩擦制动过程热力耦合问题的研究

The safety gear is one of the most important devices of a high-speed elevator. The function of safety gear is to brake the over-speed elevator car and maintain it stationary on the guide rails. Friction braking of high-speed elevator safety gear is a very complex interaction which includes thermal and mechanical behaviors. However, scientific cognition of friction braking of high-speed elevator safety gear is incomplete, such that the classical friction law is still widely employed even though the phenomenological law is not very accurate. Based on the thermo-mechanical friction theory, this project is committed to provide a systematic study on the elastic-plastic contact, adhesive wear and friction heating involved in high-speed elevator safety gear. Firstly, a fully coupled thermo-mechanical model will be developed to investigate the transient sliding contact between safety gear and guide rail. Secondly, the friction force and the temperature increase during emergency braking of a safety gear will be calculated and experimentally measured. And hereafter, the calibrated thermo-mechanical model will be utilized to simulate the braking performance of ultrahigh speed elevator safety gear. This research is supposed to bring us some fundamental understanding on the thermo-mechanical behavior of friction braking which is benefit to high-speed elevators development in China.

高速电梯安全钳是防止轿厢坠落的最后一道屏障，其重要性不言而喻。高速电梯安全钳依靠制动钳块与导轨之间的摩擦力将超速行驶的轿厢制动。制动过程中，材料弹塑性变形、表面磨损、摩擦温升等力学和热学行为交互影响，是复杂的热力耦合问题。只有先对高速电梯安全钳摩擦制动过程中的热学和力学问题进行准确地认识和掌握，才能对高速电梯安全钳的摩擦制动性能进行正确的设计和调控。然而，高速电梯安全钳摩擦制动过程热力耦合问题的理论研究目前还非常欠缺。本项目拟通过发展新的热力耦合模型，采用数值分析与安全钳跌落制停试验相结合的方法，研究高速电梯安全钳的摩擦制动行为。本项目的研究不仅有助于深入理解热力耦合摩擦现象，同时，通过对高速电梯安全钳紧急制动过程的热学、力学关键特征进行模拟分析和归纳总结，还可以为高速电梯安全钳的设计和检验提供技术支撑。

随着现代化城市的高速发展，高层建筑不断涌现，高层电梯的使用也越来越广泛。按照传统分类方法，额定速度超过2m/s的电梯即被称为高速电梯。但实际上，由于电梯技术水平的不断进步，以及越来越多摩天高楼对高速电梯的旺盛需求，电梯的设计速度和实际运行速度在不断升高。随着速度的提升，电梯的安全性越来越受到重视。在所有技术性措施中，安全钳是保障电梯安全运行的最关键核心部件，它的功能是防止轿厢坠落。高速电梯安全钳制动过程中，轿厢及载重的机械能主要被钳块-导轨之间的摩擦所消耗；由于高速摩擦会产生大量的热，因此高速电梯安全钳制动过程的热力耦合问题具有重要研究意义。.. 本项目旨在发展新的热力耦合摩擦模型，采用数值分析与安全钳跌落制停试验对照的方法，研究高速电梯安全钳的摩擦制动行为。首先，我们发展了基于接触界面剪切塑性流动的热力耦合摩擦模型，并开发了摩擦子程序。然后，我们将热力耦合摩擦模型运用于电梯安全钳摩擦制动过程的数值研究，并将分析结果与安全钳跌落制停试验的结果进行了比对。最后，我们基于损伤力学和内聚力单元模型分别考虑制动材料的断裂损伤和基体-夹杂界面剥落问题，对安全钳制停过程中钳块摩擦材料的粘着磨损行为进行了分析。.. 研究发现，基于热力耦合摩擦模型可以对渐进式安全钳的制动过程进行动态仿真，可得到制停距离、轿厢速度、减速度、摩擦制动力和摩擦因数等重要结果，可预测摩擦制动过程的温度；与测试结果比较，模拟结果能够较好地反映实际情况。另外，我们开发的基于裂纹扩展分析的粘着磨损数值研究方法能够考虑夹杂随机分布的情况，能够揭示摩擦制动材料的磨损机理。.. 本项目研究结果不仅有助于深刻认识和理解热力耦合摩擦现象、充实粘着摩擦和粘着磨损理论的知识体系，还能为高速电梯安全钳的仿真设计和检验提供技术支撑。另外，我们期望新建立的热力耦合摩擦模型也能为其他摩擦制动器件(譬如轨道车辆的闸瓦制动和盘形制动)的理论分析提供一些参考。