电梯轿厢发生自由落体式坠落的原因及其保护措施

作者：刘祺， 吴春生（安徽省特种设备检测院） ｜ 《中国电梯》2025年第6期

现代电梯具有较为完善的安全保护系统，制动器、限速器-安全钳联动装置、缓冲器的组合，可保证电梯在异常情况下，轿厢能以允许的速度降落至井道底部并最终停止，从而保护乘客的人身安全。在大多数电梯从业者的观念中，除非人为操作，否则轿厢是不会发生自由落体式坠落的。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

然而，2023年发生的云南省弥勒市“10.18”较大电梯坠落事故打破了这种观念。这起事故表明：在特定条件下，电梯轿厢可能发生自由落体式坠落，最后以超出允许范围的速度撞击缓冲器，由此导致严重的事故。在本文中，笔者基于这起事故，得出电梯轿厢发生自由落体式坠落的两个条件，对电梯轿厢自由落体式坠落进行动力学分析，探究轿厢发生自由落体式坠落的原因，提出应对轿厢发生自由落体式坠落的保护措施。希望引起相关人员的重视，从标准或技术层面消除轿厢自由落体式坠落的风险。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

1 从“10.18”较大电梯坠落事故得出的轿厢发生自由落体式坠落的两个条件

2023年10月18日，云南省红河州弥勒市佛城商都一期发生“10.18”较大电梯坠落事故，造成4人死亡、16人受伤。根据云南省市场监督管理局公布的《云南省红河州弥勒市“10.18”较大电梯坠落事故调查报告》，这起事故的直接原因为：事故电梯从上端站向下行驶过程中，对重反绳轮滚动轴承因疲劳剥落失效，出现卡死或卡紧现象，对重反绳轮把力矩传递到其轴上，使轴两侧止挡板各有一个螺栓剪切断裂，导致止挡板轴向定位失效；6根悬挂钢丝绳从对重反绳轮轴端(轿厢侧)与对重上横梁之间脱出并与对重分离，对重坠落底坑，轿厢失去对重牵引后坠落底坑。轿厢在距离一楼地坎约10m的高度以自由落体的方式加速坠落过程中，限速器下行机械动作失效，未能提拉安全钳，导致安全钳未动作，未能在轿厢下坠时制停轿厢，轿厢坠落底坑。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

这起事故反映了轿厢发生自由落体式坠落的两个条件：1)电梯曳引能力丧失(或电梯制动器完全失效)；2)电梯限速器-安全钳联动装置失效。在这起事故中，悬挂钢丝绳从反绳轮上脱出并与对重分离，对重坠落底坑，轿厢失去对重牵引，导致电梯曳引能力丧失；在轿厢加速坠落过程中，限速器下行机械动作失效导致限速器-安全钳联动装置失效。这种由两种装置同时失效而导致的轿厢自由落体式坠落，可以归结为：轿厢不在最低层站，在下行方向上以大于0的加速度下行，并且在接触缓冲器时的瞬时速度超过轿厢缓冲器的最大允许撞击速度。若发生这种情况，电梯乘客的人身安全将面临极大威胁。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

2 电梯轿厢自由落体式坠落的动力学分析

在这里，笔者仅讨论通过曳引钢丝绳或包覆带驱动的电梯，不讨论直接顶升式液压电梯。对于因悬挂装置完全失效而下落的轿厢，如果限速器-安全钳联动装置失效(包括安全钳动作时，轿厢的速度超过限速器的动作速度)，轿厢将以其初速度(额定下行速度或安全钳完全失效时的下行速度)并以一定的加速度做加速运动，直至撞击缓冲器。在不考虑轿厢的空气阻力、导轨与轿厢之间摩擦力、随行电缆和补偿链的质量变化的前提下，可以将轿厢的运动看作垂直向下的匀加速直线运动。匀加速直线运动方程为：文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

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式中：v1为轿厢末速度，m/s；v0为轿厢初速度，m/s；a为轿厢加速度，m/s2；S为轿厢位移，m。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

以1台额定速度为10.0m/s，提升高度为200.0m的电梯为例进行分析。考虑最极端的状况，即轿厢从顶层以额定速度下行时，以重力加速度g坠落。即轿厢初速度v0=10.0m/s，加速度a=g=10.0m/s2，轿厢位移(约等于轿厢开始坠落的位置相对于底坑地面的高度)S=200.0m。轿厢坠落至井道底端的末速度v1≈64.0m/s。这是一个很大的数值，远远超出额定速度为10.0m/s的电梯设计的安全保护装置允许的速度范围(例如：设计的缓冲器允许的最大撞击速度为12.525m/s)。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

进一步分析可知，在轿厢位移较大的情况下，初速度对末速度的影响较小。如果初速度为0m/s(轿厢从静止状态开始坠落)，则末速度为63.2m/s。与初速度为10.0m/s的情形相比，仅相差0.8m/s。此时，可以认为末速度主要取决于轿厢位移。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

如果将上述过程中的条件改为：初速度为1.0m/s，加速度为5.0m/s2(取0.5g)，轿厢位移为20.0m，则末速度为14.1m/s。这仍然是一个较大的数值。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11045.html

上述分析表明，一旦轿厢发生自由落体式坠落，即使是较小的初速度、加速度和位移，都可以产生较大的末速度，从而导致相关安全保护装置无法有效发挥作用。

3 电梯轿厢发生自由落体式坠落的原因

根据前文的分析结果，轿厢发生自由落体式坠落需要满足两个条件：1)电梯曳引能力丧失(或电梯制动器完全失效)；2)限速器-安全钳联动装置失效。下面基于这两个条件分析电梯轿厢发生自由落体式坠落的原因。

3.1 条件1)、条件2)的形成原因

3.1.1 条件1)的形成原因

1）电梯曳引能力丧失的原因。①悬挂装置失效(即曳引钢丝绳或包覆带同时全部断裂)，主要有以下两个原因：a.在电动机运转时间限制器失效的情况下，对重完全压缩缓冲器，曳引钢丝绳或包覆带与曳引轮长时间摩擦而导致断裂。b.钢丝绳从对重反绳轮轴端与对重上横梁之间脱出并与对重分离，对重坠落底坑，轿厢失去对重牵引。对于曳引比为2:1或4:1的电梯，这种情况等同于曳引钢丝绳或包覆带同时全部断裂。②曳引轮失效，主要原因是曳引轮轴断裂，以及钢丝绳或曳引轮槽过度磨损导致钢丝绳打滑。由于包覆带的材料特性，电梯设计时通常不需要考虑包覆带与曳引轮之间打滑的可能性，但是包覆带发生摩擦断裂的可能性高于钢丝绳。

2)电梯制动器完全失效的原因：①柱塞式电磁铁型式的杠杆鼓式制动器失效，可能的原因是电磁铁未及时拆解保养、松闸顶杆选材不当等引发了制动器卡阻。②制动器制动轮或制动盘因过度磨损或被油污等润滑而导致制动力丧失。③不具备齿面自锁特性的蜗轮蜗杆式曳引机失效，可能的原因是连接减速箱和制动轮的轴的断裂，导致制动器对曳引轮完全失去了制动作用。

3.1.2 条件2)形成的原因

根据GB/T 7588.1—2020《电梯制造与安装安全规范 第1部分：乘客电梯和载货电梯》第0.4.7条的规定，限速器和安全钳作为经过验证的安全部件，其单独失效的可能性不予考虑，仅考虑作为连接部件的限速器绳的断裂或过分伸长的情形。但在实际电梯检验工作中，限速器或安全钳单独失效，或限速器-安全钳联动装置失效的情形并非罕见。其原因较为复杂，包括设计和制造过程中的缺陷，以及安装和维保作业中的疏忽等。典型的情况有：限速器机械部分的卡阻，限速器绳与限速器轮因磨损而导致相对滑移，安全钳楔块的夹持面与导轨之间的间隙过大，安全钳楔块的传动部分(连杆装置)或提拉装置出现机械卡阻等。

3.2 现有电梯标准并未考虑条件1)、条件2)同时出现的可能

在现有电梯标准要求下，条件1)、条件2)两个条件中的任意一个条件单独出现，都不会导致电梯处于严重的危险状态。而对于条件1)、条件2)同时出现导致轿厢发生自由落体式坠落的可能，现有电梯标准并未考虑。笔者认为原因是我国GB 7588电梯标准体系等效采用欧洲EN81电梯标准体系。EN81电梯标准体系作为一个贸易标准，是为了适应欧洲范围内的电梯市场而制定的。在20世纪80年代制定EN81电梯标准体系之前，可查询的由于条件1)、条件2)同时出现导致的电梯轿厢自由落体式坠落事故非常少，因此从工程角度和经济角度考虑都未对条件1)、条件2)同时出现的情况提出要求。然而，在“10.18”较大电梯坠落事故发生之后，笔者认为我国GB 7588电梯标准体系考虑条件1)、条件2)同时出现是有必要的。我国电梯市场竞争激烈，电梯企业普遍追求降本增效，由此导致一些电梯的制造、安装和维保工作是否能够持续地满足GB/T 7588.1—2020前言中假设的“根据良好实践和标准要求制造的机械装置”“由制造单位提供的所有说明已被正确地应用”是有疑问的。因此，笔者建议相关部门今后在修订标准时要考虑在特定条件下电梯轿厢发生自由落体式坠落的可能性，并提出相关保护措施的要求。而在标准修订之前，电梯制造企业也有必要在技术层面采取保护措施。

4 电梯轿厢发生自由落体式坠落的保护措施

如前所述，现有电梯标准并未提出电梯轿厢自由落体式坠落的保护措施。在此，笔者从理论上提出一些针对电梯轿厢自由落体式坠落的保护措施及对应的保护装置，供相关人员参考。

考虑到轿厢自由落体式坠落的情况可能发生在井道的任何位置，因此在设置保护装置时，为了应对轿厢的最大位移，将保护装置设置在井道底部，并针对可能的最大末速度进行相应设计，似乎是一种合理的思路。然而经过计算可知，这种思路是不现实的。如前所述，取初速度为10.0m/s，加速度为10.0m/s2，在轿厢加速下行过程中，轿厢的位移为200.0m，通过式(1)可计算出轿厢末速度为64.0m/s。假设人体在匀减速过程中能够持续承受2.5g的减速度(即25.0m/s2)，则在保护装置动作后，减速过程中轿厢位移S=v12/(2a)≈81.9m。这个计算结果表明：在井道底部设置的保护装置若按此减速度设计，则电梯的底坑需要有81.9m的深度，这在工程上显然是不现实的。因此笔者认为，应当采取多种保护措施的组合，在轿厢开始自由落体式坠落至接触缓冲器前，依次或共同进行制动保护，以获得综合保护效果。

下面，笔者介绍几种可能的保护措施，而如何将这些保护措施有效地组合，则需要更多的理论分析和工程实践。

1)冗余的限速器-安全钳联动保护装置，即分两组设置的、相互独立的限速器-安全钳联动装置。这种保护措施是基于两套限速器-安全钳联动装置同时发生失效的可能性远低于一套，即通过冗余度降低失效概率。这种保护措施不会导致电梯制造成本的大幅提高，但无法在悬挂系统的所有钢丝绳、提拉安全钳的钢丝绳均被切断的情况下(例如电梯所在建筑遭受飞行器撞击)发挥作用。

2)在井道最下部设置变截面导轨。采用截面积按一定规律逐渐增大的导轨，在轿厢自由落体接近地面时，通过迫使安全钳和轿厢底梁变形的方式吸收能量，实现对轿厢内人员的保护。这种保护措施的优点在于结构简单，不需要其他部件的配合；缺点是需要非常大的加速度和较大的底坑深度。如果不考虑乘客腿部和脊椎受到的伤害，仅要求保证乘客存活，则允许采用较大的加速度。例如：在前述计算中，取加速度a=10g=100.0m/s2，则轿厢位移S=v12/(2a)≈20.5m。20.5m的底坑深度在工程上是可以实现的，但其造价及后续维护成本高昂。并且10g的加速度对人体的伤害是巨大的，仅能保证乘客的存活。因此这种保护措施不能作为单一保护措施应用。

3)在轿厢上设置涡流制动装置。利用永磁体与导体的相对运动产生的反力对轿厢进行制动。此类制动装置一般用于某些过山车及跳楼机等大型游乐设施的辅助制动，类似的装置(使用电磁铁)也应用于列车的辅助制动上。其制动较为平缓，但制动距离长，仅适用于辅助制动。

4)在轿厢上设置磁力驱动的安全钳。这种保护装置是利用安全钳上的永磁体机构代替限速器，提拉安全钳的力来自导轨内感生磁场与永磁体的相互作用。而感生磁场是与导轨内的感应电流正相关的，因而与永磁体和导轨的相对速度正相关。这种保护装置的有效性不依赖于限速器。但是，永磁体的失磁会导致该保护装置失效，因此同样需要与其他保护措施相结合，共同发挥作用。

5 结语

现有电梯标准并未针对电梯曳引能力丧失(或电梯制动器完全失效)、限速器-安全钳联动装置失效同时出现而导致轿厢自由落体式坠落提出保护措施。然而，真实发生的事故却提示这种情况确实存在。电梯的每项保护措施都不可能实现百分之百的保护，但应当尽可能地降低其失效的可能性，或者通过合理的配置降低单个部件失效对电梯整体安全性能的影响。吸取各种事故的教训，并积极探讨和采取相应的保护措施，预防类似事故的再次发生，是每一个电梯安全工作者的职责。