王家瑋，吳英豪，辛宏彬

(陜西省特種設(shè)備質(zhì)量安全監(jiān)督檢測(cè)中心，陜西 西安 710048)

電梯曳引鋼絲繩的質(zhì)量控制

王家瑋，吳英豪，辛宏彬

(陜西省特種設(shè)備質(zhì)量安全監(jiān)督檢測(cè)中心，陜西 西安 710048)

分析了電梯曳引鋼絲繩的受力和磨損機(jī)制，并通過對(duì)鋼絲繩的冶煉、軋制、熱處理以及使用過程等環(huán)節(jié)的工藝控制進(jìn)行研究，從而增加了鋼絲繩壽命，保障電梯安全。

曳引鋼絲繩；磨損；質(zhì)量；電梯

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市中的高樓大廈越來越多，電梯作為高層的交通工具，其需求日益增長(zhǎng)。我國(guó)電梯行業(yè)雖起步較晚，但發(fā)展迅猛，截至目前我國(guó)已成為世界第一電梯制造國(guó)和新梯年增加量第一的國(guó)家，然而諸多品牌和技術(shù)的良莠不齊導(dǎo)致電梯安全問題相伴而生，通過統(tǒng)計(jì)在用電梯的使用情況以及事故調(diào)查，由曳引鋼絲繩造成的安全隱患與事故是最為危險(xiǎn)和致命的。由于電梯轎廂是通過電梯曳引鋼絲繩與曳引輪摩擦所產(chǎn)生的曳引力來驅(qū)動(dòng)，鋼絲繩一旦出現(xiàn)磨損、斷絲、斷股等情況，電梯的安全就得不到保障，更換鋼絲繩又會(huì)造成人力和財(cái)力的浪費(fèi)，因此研究曳引鋼絲繩的質(zhì)量控制顯得尤為重要。

1 曳引鋼絲繩的磨損機(jī)制分析

電梯檢規(guī)中對(duì)鋼絲繩有如下規(guī)定：出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，懸掛鋼絲繩應(yīng)當(dāng)報(bào)廢：①出現(xiàn)籠狀畸變、繩芯擠出、扭結(jié)、部分壓扁、彎折；②斷絲分散出現(xiàn)在整條鋼絲繩，任何一個(gè)捻距內(nèi)單股的斷絲數(shù)大于4根，或者斷絲集中在鋼絲繩某一部位或一股，一個(gè)捻距內(nèi)斷絲總數(shù)大于12根(對(duì)于股數(shù)為6的鋼絲繩)或者大于16根(對(duì)于股數(shù)為8的鋼絲繩)；③磨損后的鋼絲繩直徑小于鋼絲繩公稱直徑的90%。這體現(xiàn)了電梯鋼絲繩的重要性及檢驗(yàn)的嚴(yán)苛，從側(cè)面也反映了鋼絲繩的綜合性能對(duì)其壽命的影響是巨大的。

一般最為普遍的電梯鋼絲繩的受力分析如圖1所示[1]。

從圖1可以看出，電梯鋼絲繩主要受3個(gè)力的作用，即彎曲應(yīng)力、拉應(yīng)力和接觸應(yīng)力。由于拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力及接觸應(yīng)力成正比關(guān)系，因此重點(diǎn)分析彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力對(duì)鋼絲繩疲勞壽命的影響。

彎曲應(yīng)力的計(jì)算公式為：

(1)

其中：σw為外層鋼絲所受到的彎曲應(yīng)力，MPa；βr為外層鋼絲在股中的捻角，(°);δ為外層鋼絲直徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm；D為曳引輪直徑，mm；E為鋼絲繩的彈性模量，MPa；v為鋼絲繩運(yùn)行速度，m/s；q為鋼絲繩單位質(zhì)量，kg/m；T為鋼絲繩所受總拉力，N；f為曳引輪當(dāng)量摩擦因數(shù)；α為鋼絲繩在曳引輪上的包角，rad；n為鋼絲繩的根數(shù)；A為鋼絲繩金屬截面積，mm2。

鋼絲繩在半圓槽和V形槽中的接觸應(yīng)力(即比壓)示意圖如圖2所示。

圖1 電梯鋼絲繩的受力分析

圖2 鋼絲繩在半圓槽和V形槽中的比壓

接觸應(yīng)力的計(jì)算式如下：

(1) 鋼絲繩在半圓槽曳引輪中的比壓P計(jì)算式為[2]：

(2)

其中：β為曳引輪的下切口角，rad。特殊情況β=0時(shí)，其比壓計(jì)算式為：

(3)

(2) 對(duì)于鋼絲繩在V形槽中的比壓PV計(jì)算式為：

(4)

其中：γ為V形槽的槽角，rad。

從彎曲應(yīng)力表達(dá)式可以看出，鋼絲繩開始磨損時(shí)，除了包角α、鋼絲繩直徑d和鋼絲繩金屬截面積A均變小之外，其他參數(shù)保持不變，通過公式可計(jì)算出鋼絲繩所受的彎曲應(yīng)力增大。無論是半圓槽還是V形槽的鋼絲繩比壓同樣會(huì)隨著鋼絲繩的磨損而增大，從而影響摩擦副的摩擦狀態(tài)，造成摩擦因數(shù)改變，導(dǎo)致電梯的曳引力變化，容易發(fā)生電梯事故。一旦鋼絲繩磨損加劇，將會(huì)有多種磨損的參與，如磨損的磨屑將發(fā)生磨粒磨損，此類磨損將導(dǎo)致摩擦副的溫度升高，加劇氧化磨損和疲勞磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘著磨損。由于曳引鋼絲繩在有潤(rùn)滑油的介質(zhì)下參與磨損，疲勞裂紋在循環(huán)交變載荷的作用下將加速擴(kuò)展，并脫落成更大的磨粒參與磨損，如此反復(fù)作用，摩擦副的摩擦環(huán)境進(jìn)一步惡化導(dǎo)致鋼絲繩磨損嚴(yán)重甚至于報(bào)廢，從這一意義上說，如何控制鋼絲繩的質(zhì)量，增加鋼絲繩的耐磨性等綜合性能，保證電梯的安全顯得尤為重要。

2 曳引鋼絲繩的質(zhì)量控制方式

電梯曳引鋼絲繩通常采用50號(hào)～65號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼或60Si2Mn鋼制造。鋼材獲得高性能的原因之一是保證其組織的純凈度，即對(duì)夾雜特別是非金屬夾雜[3]的控制應(yīng)嚴(yán)格要求，因?yàn)閵A雜物破壞了基體的連續(xù)性，加大了組織的不均勻性從而嚴(yán)重影響材料的性能。一般的夾雜物產(chǎn)生于鋼的冶煉脫氧和凝固過程，按照塑性變形能力分為脆性?shī)A雜物、塑性?shī)A雜物、球狀不變型夾雜。其中A類夾雜物是硫化物；B類夾雜物為氧化鋁類；C類為硅酸鹽；D類夾雜物為球狀氧化物類；Ds類夾雜為單顆粒球狀?yuàn)A雜。其中B類夾雜屬脆性?shī)A雜，對(duì)鋼絲的性能危害最大，應(yīng)特別控制。同時(shí)磷和硫會(huì)導(dǎo)致鋼的塑、韌性降低，導(dǎo)致鋼絲易發(fā)生疲勞斷裂，因此電梯鋼材中的P和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都應(yīng)低于0.025%，同時(shí)還要注重脫氧，防止產(chǎn)生過多的Al2O3

等不變形夾雜，影響鋼材塑性，在鋼材軋制或使用時(shí)容易形成裂紋源，造成應(yīng)力集中導(dǎo)致斷絲。因此應(yīng)使用RH精煉爐與VD爐等先進(jìn)設(shè)備，減少鋼中夾雜。

鋼絲在軋制中因軋速不當(dāng)或軋機(jī)的機(jī)械損傷，易出現(xiàn)折疊、表面裂紋、劃傷、結(jié)疤等一些較為宏觀的缺陷，該缺陷會(huì)造成組織不連續(xù)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中造成斷絲，因此應(yīng)合理控制軋速，同時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查軋制設(shè)備，防止生產(chǎn)出殘次品，造成資源浪費(fèi)。

軋后冷卻過程中應(yīng)控制冷速[4]。若表面冷卻速度大于中心速度，鋼絲易發(fā)生C、Mn、Cr偏析，導(dǎo)致鋼絲中心產(chǎn)生馬氏體或網(wǎng)狀滲碳體。偏析和組織轉(zhuǎn)變會(huì)造成鋼絲在拉拔狀態(tài)下整體承受外力不均，芯部便會(huì)產(chǎn)生微裂紋并向偏析區(qū)擴(kuò)展，當(dāng)鋼絲拉拔力超過裂紋的臨界擴(kuò)展應(yīng)力，在未達(dá)到鋼絲抗拉強(qiáng)度的情況下易發(fā)生斷裂。

除了原材料和軋制的因素外，鋼絲的最終熱處理[5]也是影響質(zhì)量的重要一環(huán)。鋼絲最終熱處理后的組織應(yīng)為組織致密、晶粒度細(xì)小、有很高強(qiáng)度和韌性的索氏體組織，應(yīng)避免因熱處理不當(dāng)造成表層脫碳形成鐵素體組織，鐵素體會(huì)導(dǎo)致鋼絲的綜合力學(xué)性能下降，尤其導(dǎo)致鋼絲繩疲勞性能下降，脫碳可通過添加合金元素、控制爐內(nèi)氣氛、鋼絲表面刷高溫涂料解決。同時(shí)也應(yīng)避免產(chǎn)生馬氏體或者大量網(wǎng)狀滲碳體，因?yàn)轳R氏體抗韌性很差，組織不穩(wěn)定，容易發(fā)生相變而產(chǎn)生裂紋。因此應(yīng)合理控制冷卻溫度和速度進(jìn)行熱處理從而達(dá)到所需性能。

對(duì)于在用的電梯鋼絲繩的日常保養(yǎng)同樣重要，由于電梯在運(yùn)行過程中，鋼絲繩的油芯被交變應(yīng)力擠壓，使用一定時(shí)期后，油芯的儲(chǔ)油不足，會(huì)使鋼絲繩產(chǎn)生銹蝕，因此應(yīng)定期使用專用潤(rùn)滑油對(duì)鋼絲繩進(jìn)行潤(rùn)滑。

3 結(jié)語

嚴(yán)格控制鋼絲繩生產(chǎn)、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)，鋼絲繩的壽命就能得以延長(zhǎng)，電梯的安全就能得到保障，人民的生活水平才能不斷提高。

[1] 胡吉全，胡正權(quán).鋼絲繩受力特性對(duì)疲勞壽命的影響[J].港口裝卸，2005(1)：159.

[2] 全國(guó)電梯標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7588—2003電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：102-106.

[3] 夏木陽，劉建平.非金屬夾雜物對(duì)鋼絲性能的影響[J].金屬制品，2001(1)：44.

[4] 王鴻利.影響盤條表面處理質(zhì)量的因素[J].金屬制品，2008(3)：10-11.

[5] 陳方玉.82B線材脆性斷裂原因分析[J].武鋼技術(shù)，2005，43(6)：9.

Quality Control of Elevator Hoisting Rope

WANG Jia-wei, WU Ying-hao, XIN Hong-bin

(Shanxi Province Special Equipment Quality and Safety Supervision and Inspection Center, Xi’an 710048, China)

In this article, the stress and wear mechanism of the elevator hoisting rope were analyzed，at the same time, the production process of the elevator hoisting rope was studied, including smelting, rolling, heat treatment, to make the rope more durable and safe in use.

elevator hoisting rope; wear and tear; quality; elevator

1672- 6413(2015)06- 0205- 02

2015- 10- 05；

2015- 10- 19

王家瑋(1987-)，男，陜西榆林人，助理工程師，碩士，主要從事特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)工作。

TH22

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