小螺栓大事故―微量物证技术在电梯冲顶事故原因鉴定中的应用实例

【摘 要】 某小区电梯发生冲顶事故，造成人员损伤，为查出该事故发生的原因，通过外观检查、扫描电镜分析、力学分析、材料成分析等手段结合现场勘查、电梯使用状况等条件，对事故的成因进行分析与推理，鉴定出电梯冲顶事故的根本原因为曳引机蜗轮化学成分和力学性能不符合相关标准要求。因此，工业生产中的每一个步骤都应该严格按照标准执行，否则可能给社会造成严重的后果。

【关键词】 电梯冲顶 轿厢 螺栓螺帽 曳引机 套筒 蜗轮

1 背景技术

电梯，作为一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱（称为“轿厢”），用于多层建筑乘人或载运货物，被人们广泛地使用。现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置（如限速器、安全钳和缓冲器等）、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。通常采用钢丝绳摩擦传动，钢丝绳绕过曳引轮，两端分别连接轿厢和平衡重（即对重），电动机驱动曳引轮使轿厢升降。

作为特种设备，电梯的安全性备受社会关注。在电梯安全事故中，“电梯冲顶”与“电梯蹲低”是最常见的两大重大安全事故的类型。其中，所谓“电梯冲顶”是指轿厢上行至上端时，无法有效制停而继续冲向井道顶部的现象。与之相对的就是所谓“电梯蹲低”，指电梯下行至底层端战时，无法有效制停而撞向底坑的现象。这两种事故，都会对导致在轿厢中的人员遭受重大人身伤害后果。

在电梯的众多组成部件中，曳引机由于是轿厢最重要的动力传动与制动部件，在电梯的安全运行中起到了至关重要的作用，在电梯事故鉴定中，是需要重点分析研究的部件。所谓曳引机，是指电梯的动力设备，又称电梯主机、绞车。功能是输送与传递动力使电梯运行。它由电动机、制动器、联轴器、减速箱、曳引轮、机架和导向轮及附属盘车手轮等组成。由于曳引机在平时工况条件下，需要长时间承受交变载荷应力影响，所以对曳引机零部件的质量要求较高。

由于目前，国内部分曳引机生产厂商，在零部件的采购、质量控制、可靠性试验等方面与国外发达国家（特别是电梯工业较为发达的日本、德国等）相比，还存在一定差距，由于曳引机中零部件的质量问题导致的电梯事故的情况屡有发生。

针对近期电梯冲顶事故的鉴定需求，我司法鉴定所运用微量物证技术，成功地发现了由于电梯的重要部件――曳引机的曳引轮套筒与减速机蜗轮之间的连接用螺栓螺帽的脱落而最终导致了电梯冲顶事故发生的事故原因。12对螺栓螺帽，看似微不足道的小零件，正是这些小螺栓，导致了电梯冲顶的大事故，千里之堤毁于蚁穴。正是微量物证技术的精密分析，才得以真相大白，还事实一个真相。作为司法鉴定机构，我们也希望这套针对曳引机中曳引轮套筒与减速机蜗轮脱离情况下的电梯冲顶事故原因的鉴定方法，以后能够供广大公检法系统，在处理类似电梯质量问题责任方判定、损失定损等方面提供有力依据。

2 技术方案

关键点：针对在电梯冲顶事故后发现的曳引机的曳引轮套筒与减速机蜗轮之间的连接用螺栓螺帽的脱落这一情况，开展：对蜗轮的外观检测，是否存在屈服沉孔的分析、对螺栓螺帽脱落原因进行螺栓螺纹磨损分析、螺帽装配加工痕迹分析、蜗轮材质理化分析、蜗轮材质力学性能分析、螺栓螺帽脱落力学关系分析以及最终的曳引机的曳引轮套筒与减速机蜗轮分离与电梯冲顶事故因果关系分析，找出电梯冲顶事故的事故原因。

第一步：对减速机蜗轮进行外观检查，是否存在屈服沉孔，判断是否存在蜗轮屈服形变。

第二步：对脱落的12对螺栓螺帽的螺纹磨损程度进行归纳、分组分析，找出螺栓脱落存在的前后顺序规律。

第三步：对螺帽的装配加工痕迹进行扫描电镜显微观察，确认螺栓螺帽装配加工是否存在问题。

第四步：对减速机蜗轮材质理化分析、材质力学性能分析，判断蜗轮是否存在质量问题。

第五步：螺栓螺帽脱落力学关系分析以及最终的曳引机的曳引轮套筒与减速机蜗轮分离与电梯冲顶事故因果关系分析，找出电梯冲顶事故的事故原因。

3 实际案例

以下就是一个真实的案例，山东某市一高层楼盘2012年X月X日发生电梯冲顶事故，导致电梯轿厢内唯一一名乘客严重人身伤害，为了查清事故原因，法院委托进行物证鉴定，我所受理了此鉴定，以下是鉴定过程。

鉴定过程我所司法鉴定人员于2013年XX月XX日和2013年YY月YY日两次至上海XX电梯设备有限公司车间，对涉案曳引机的零部件进行现场勘验和取样。并封样带回我所进行检测。

Step1对涉案曳引机进行了现场勘验，发现减速机蜗轮与曳引轮套筒已完全分离，起到连接这两个部件作用的12对螺栓螺帽全部脱落，这是在电梯冲顶事故后，最明显的异常特征。

对涉案的蜗轮进行外观检查，发现蜗轮表面12个装配螺栓螺帽的装配孔上存在严重的“屈服沉孔”现象（“沉孔”是指将紧固件的头部完全沉入零件而加工的阶梯孔，而“屈服沉孔”是指由于零件屈服形变导致产生的“沉孔”，不是零件加工过程中产生的。），而另外4个没有装配螺栓螺帽的孔表面完好，证明这些“沉孔”原本是没有的，而是在曳引机蜗轮工作中，蜗轮屈服形变和螺栓螺帽紧固的相互作用下产生的。见图1

Step2对涉案螺栓进行外观检查，发现螺栓的螺纹存在明显的磨损痕迹，而且通过对11个螺栓螺纹不同的磨损痕迹进行仔细分类，发现螺栓脱落存在前后顺序规律。（说明：另外1个螺栓、2个螺帽已被当事方取下分析）

其中3个螺纹几乎没有磨损痕迹，定义为1、2、3号螺栓；4个螺纹有轻微磨损痕迹，定义为4、5、6、7号螺栓；2个螺纹有明显磨损痕迹，定义为8、9号螺栓；2个螺纹有严重磨损痕迹，定义为10、11号螺栓。

磨损痕迹分析：最先脱落的是1至3号，脱落时，由于紧固的螺栓螺帽数量较多，剪切应力分散较均匀，应力磨损几乎没有；过了段时间，4至7号脱落，脱落时，由于原本分散在12个螺栓螺帽上的剪切应力，只有9个螺栓螺帽承担，所以产生了一定的超载，剪切应力对4-7号产生了一定的影响，螺栓螺纹出现了轻微磨损；又过了段时间，8与9号脱落，此时分散在12个螺栓螺帽上的剪切应力，只有4个螺栓螺帽承担，所以产生了更大的超载，剪切应力对8与9号产生了明显的影响，螺栓螺纹出现了明显磨损；最后，10号与11号最终脱落，此时分散在12个螺栓螺帽上的剪切应力，只有2个螺栓螺帽承担，特别是最后脱落的11号，所有的剪切应力都施加它身上，螺栓螺纹几乎被磨平。

Step3依据GB/T 17359-2012《微束分析 能谱法定量分析》对涉案10个螺帽进行扫描式电子显微镜观察，发现螺帽的表面存在明显的套筒装配痕迹。表明，螺栓螺帽在曳引机装配时有过锁紧动作，未发现螺栓螺帽装配异常的物证。

Step4依据GB/T 26042-2010《锌及锌合金分析方法 光电发射光谱法》以及GB/T 12689.1-2010《锌及锌合金化学分析方法 第1部分》对由锌基合金材质的蜗轮进行化学成分检测。并依据鉴定材料文件清单中的《蜗轮锌基合金通用技术条件》确认涉案曳引机蜗轮使用的材料为锌基合金ZZnAl27Cu2，其材料化学成分应符合美标ASTM B86-98E1锌及锌-铝合金铸物及压铸标准的要求（如表1）。

结果表明，涉案曳引机减速机蜗轮的锌基合金ZZnAl27Cu2化学成分中，Cu（铜）与Mg（镁）的化学成分结果不符合美标ASTM B86-98E1锌及锌-铝合金铸物及压铸标准要求，存在化学成分质量问题。

依据GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸实验 第1部分：室温拉伸试验方法》的实验方法对蜗轮锌基合金力学性能进行检测，并依据美标ASTM B86-98E1锌及锌-铝合金铸物及压铸标准的要求对锌基合金ZZnAl27Cu2的要求进行判定，结果如表2。

发现涉案蜗轮的“抗拉强度”、“屈服强度”力学性能不符合美标ASTM B86-98E1锌及锌-铝合金铸物及压铸标准的要求，存在力学质量问题。

Step5a螺栓螺帽脱落原因分析：结合蜗轮外观检查中发现的屈服沉孔现象，表明蜗轮屈服形变作用力是朝向螺栓螺帽分离方向施力，而至退型螺栓螺帽的紧固作用力（通过增大压力，增大摩擦力来防止脱落）是朝向螺栓螺帽锁紧方向施力，这两种作用力方向相反，相互作用下，使得螺栓在蜗轮上留下屈服沉孔。同时，螺帽也在蜗轮屈服形变作用力的推动下，逐渐脱离螺栓，直至完全与螺栓分离，分离后螺栓由于没有螺帽的紧固，也从蜗轮装配孔内脱落。见图2

综上所述，螺栓螺帽的脱落原因，主要是由于曳引机的减速机蜗轮锌基合金化学成分及力学性能存在的质量问题，导致蜗轮在工况条件下产生屈服形变，进而产生屈服沉孔，推动螺栓螺帽完全分离。

Step5b螺栓螺帽脱落与电梯冲顶事故之间因果关系分析：涉案的螺栓螺帽是曳引机内部用于连接固定曳引轮套筒和减速机蜗轮的，一共12对。在前述的蜗轮屈服形变产生屈服沉孔的作用下，螺栓螺帽被推离分开，从而脱落。同时，螺栓的外观检查表明，其脱落存在前后顺序规律。先是螺纹几乎没有磨损痕迹的3个螺栓螺帽首先脱落，其后螺纹有轻微磨损痕迹的4个螺栓螺帽脱落，再之后螺纹有明显磨损痕迹的2个螺栓螺帽脱落，最后螺纹严重磨损的2个螺栓螺帽脱落，特别是最后一个螺栓螺帽其螺纹几乎被磨平。（说明：另外1个螺栓、2个螺帽已被当事方取下分析）

在正常工作状态下，蜗杆在电机的带动下，驱动蜗轮；蜗轮通过套筒和曳引轮固定在一起。曳引轮通过钢丝缆绳驱动轿厢。当电机停止工作时，因为蜗轮蜗杆的自锁效应，整个机构会呈现一个静止稳定的状态。当蜗轮和套筒之间的12对连接螺栓全部脱落后，蜗轮和套筒直接转变为可以相互活动的状态，此时套筒和曳引轮这个整体相当于变成一个悬挂轮，不再受蜗轮限制。作用在这个“悬挂轮”上的一边是轿厢加一个人的重量，另一边为对重的重量（一般电梯的对重比空载轿厢重40%～50%的额定载重），对重的重量大于轿厢加一个人的重量。曳引轮在两侧重量差的驱动下，加速旋转，轿厢一侧加速上冲，最终冲顶。

4 鉴定结论

（1）曳引机之止退螺栓、螺帽是在电梯冲顶前脱落；（2）曳引机的蜗轮化学成分、力学性能不符合《蜗轮锌基合金通用技术条件》的要求，易产生屈服沉孔，驱使止退螺栓、螺帽逐渐脱落；（3）全部螺栓、螺帽脱落后导致的曳引轮套筒与减速机蜗轮分离与电梯冲顶之间存在因果关系。