学术研究报告：基于热-结构耦合的电梯块式制动器紧急制动特性分析与疲劳寿命预测
第一作者及机构
本研究由Haijian Wang（第一作者，来自广西电子科技大学制造系统与先进制造技术广西重点实验室及沈阳特种设备检验研究院）、Congcong Lu（广西电子科技大学）、Fei Xie和Lin Liu（沈阳特种设备检验研究院）合作完成，发表于《Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering》2022年44卷第441期。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于机械工程中的制动系统安全领域，聚焦电梯块式制动器（elevator block brake）在紧急制动过程中的热-结构耦合特性及疲劳寿命预测。电梯制动器是保障电梯安全运行的第一道防线，但其制动性能因结构限制难以直接测试。近年来，中国电梯事故频发，多数与制动性能下降有关（如热裂纹、疲劳失效）。因此，作者提出一种基于热-结构直接耦合（thermal-structural coupling）的新方法，以模拟制动过程中的瞬态温度场、应力场变化，并预测制动轮的疲劳寿命。
理论基础
研究基于能量守恒定律（law of energy conservation）、热传导微分方程（differential equation of heat conduction）及Manson-Coffin疲劳方程，结合有限元分析（finite element analysis, FEA）模拟制动过程中的多物理场耦合效应。
研究流程与方法
模型构建与简化
- 使用SolidWorks 2020建立电梯块式制动器的三维模型，包括制动轮和双制动蹄（brake shoe），结构参数如表1所示（如制动轮直径0.6 m，制动压力1.7 MPa）。
- 模型导入ANSYS Workbench 2020进行预处理，采用多区域网格划分法（multi-region meshing）生成六面体单元，制动轮和制动蹄的网格节点数分别为13,524和2,355。
边界条件与载荷设置
- 初始环境温度设为22°C，制动轮施加初始角速度（对应电梯额定速度1.5⁄2.0/2.5 m/s）。
- 摩擦系数设为0.38，接触类型为摩擦接触（frictional contact），热流分配系数（heat flow distribution coefficient）计算表明制动轮吸收90%的摩擦热。
热-结构耦合仿真
- 采用直接耦合法（direct coupling method）模拟紧急制动全过程，同时考虑温度场对热变形的影响及热变形对温度场的反馈作用。
- 分析三种速度工况下的瞬态温度场和应力场，提取径向和轴向节点的温度-时间曲线与应力-时间曲线。
疲劳寿命预测
- 基于Manson-Coffin方程，利用HT250材料的疲劳特性参数（如疲劳强度因子σ′f=241 MPa）计算应变幅值，预测制动轮的热疲劳寿命。
主要结果
温度场分布
- 制动轮表面温度呈锯齿状变化，峰值温度分别为234.6°C（1.5 m/s）、233.58°C（2.0 m/s）和258.76°C（2.5 m/s）。
- 径向节点温差达200°C以上，因摩擦面直接受热流冲击，而内部节点仅通过热传导受热。
应力场分析
- 最大等效应力（equivalent stress）超过HT250材料的屈服极限（215 MPa），导致塑性变形。
- 应力峰值滞后于温度峰值（如2.5 m/s工况下温度峰值在2.09 s，应力峰值在2.17 s），因热应力需等待热传导完成。
疲劳寿命
- 制动压力1.7 MPa时，制动轮在三种速度下的疲劳寿命分别为147次、142次和99次，表明高速工况下寿命显著降低。
结论与价值
科学价值
- 揭示了电梯紧急制动中热-结构耦合的复杂相互作用机制，验证了直接耦合法的准确性。
- 提出的疲劳寿命预测模型为制动轮的设计优化提供了量化依据。
应用价值
- 结果可为电梯制动器的维护周期制定（如高速电梯需更频繁更换制动轮）及结构参数优化（如材料选择、接触压力分布）提供指导。
研究亮点
- 方法创新
- 首次将直接耦合法应用于电梯制动器仿真，克服了传统单向耦合（unidirectional coupling）忽略应力场对温度场影响的局限性。
- 关键发现
- 制动轮寿命与额定速度呈负相关，2.5 m/s工况下寿命仅为99次，这一结论对高层电梯安全性设计尤为重要。
其他有价值内容
- 研究指出，未来需结合实时制动压力监测进一步提升仿真精度，并通过台架试验（bench test）验证结果。
- 作者团队获得广西自然科学基金（2021JJB160134）和广西重点研发计划（2021AB04008）的资助。
（全文约2000字）