陳建勛 崔大光 林曉明 張俊豪 邰勝林

（1.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院 珠海 519002）

(2.珠海市安粵科技有限公司 珠海 519000)

電梯安裝時(shí)鋼絲繩截繩長(zhǎng)度不一致、曳引輪輪槽節(jié)圓不一致，以及鋼絲繩張力調(diào)節(jié)高度未調(diào)節(jié)一致，將導(dǎo)致電梯運(yùn)行過(guò)程中鋼絲繩張力不均。此外，不同鋼絲繩生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力狀態(tài)不一致[1]，在使用過(guò)程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致的鋼絲繩結(jié)構(gòu)性伸長(zhǎng)不一致都將導(dǎo)致張力不均勻。在電梯運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲繩的張力均勻程度直接影響到鋼絲繩和曳引輪的使用壽命。鋼絲繩張力不均會(huì)使電梯曳引能力下降，當(dāng)某根鋼絲繩在轎廂側(cè)和對(duì)重側(cè)張力的比值變化到破壞曳引條件時(shí)，該鋼絲繩將在繩槽內(nèi)沿曳引輪切向和徑向發(fā)生滑動(dòng)，產(chǎn)生滑移。當(dāng)電梯提升高度足夠大時(shí)，滑移后曳引條件重新得到建立，電梯繼續(xù)運(yùn)行一段距離后曳引條件將再次被破壞，由此導(dǎo)致周期性滑移，造成轎廂振動(dòng)。鋼絲繩周期性滑移將更加加劇曳引輪輪槽的不均勻磨損，輪槽節(jié)圓直徑進(jìn)一步變小，電梯曳引能力進(jìn)一步下降，同時(shí)又會(huì)加劇鋼絲繩自身的磨損，如此造成惡性循環(huán)，導(dǎo)致鋼絲繩和曳引輪提前報(bào)廢，甚至有些鋼絲繩使用不到2、3年就要進(jìn)行更換，極大地增加了電梯維護(hù)成本。

鋼絲繩張力不均勻?qū)е碌碾娞菀芬芰Φ南陆等菀资闺娞莩霈F(xiàn)振動(dòng)、溜車、轎廂意外移動(dòng)、電梯沖頂和蹲底等安全事故，對(duì)乘客生命安全造成巨大威脅。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，站立時(shí)人對(duì)4～8Hz的振動(dòng)頻率最為敏感[2]，若鋼絲繩張力不均導(dǎo)致的轎廂振動(dòng)頻率達(dá)到該范圍將對(duì)乘客乘梯舒適度造成影響。因此在電梯安裝、日常維護(hù)和檢驗(yàn)過(guò)程中有必要對(duì)鋼絲繩張力不均勻程度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)張力產(chǎn)生較大偏差的鋼絲繩及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

1 檢規(guī)與檢測(cè)方法

GB/T T10060—2011《電梯安裝驗(yàn)收規(guī)范》5.5.1規(guī)定：“至少應(yīng)在懸掛鋼絲繩或鏈條的一端設(shè)置一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，用來(lái)平衡各繩或鏈間的張力，使任何一根繩或鏈的張力與所有繩或鏈之張力平均值的偏差均不大于5%”[3]。

根據(jù)原理的不同，鋼絲繩張力測(cè)試方法可分為非接觸法和接觸法。非接觸法主要是電磁檢測(cè)法，該方法利用鋼絲繩特有的捻制股波特征，通過(guò)利用電磁傳感器的信號(hào)變化間接計(jì)算出鋼絲繩張力。非接觸法檢測(cè)精度高，可實(shí)現(xiàn)張力的實(shí)時(shí)定量測(cè)試，但設(shè)備成本高，推廣應(yīng)用受到限制。接觸法分為串接型和非串接型，其中串接型張力測(cè)試方法直接將鋼絲繩與測(cè)力傳感器串聯(lián)，可用于張力狀態(tài)的在線監(jiān)控且結(jié)構(gòu)小巧，但破壞了原有鋼絲繩的連接結(jié)構(gòu)。

目前在檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的電梯鋼絲繩張力偏差接觸式測(cè)試方法是“直尺+推拉力計(jì)法”。該方法的測(cè)試原理如圖1所示，通過(guò)直尺測(cè)量，推拉力計(jì)將第一根鋼絲繩橫向拉（或推）到一定距離L，記錄此時(shí)鋼絲繩橫向所受推力（或拉力）F，隨后依次使其余鋼絲繩橫向推拉L距離，并記錄鋼絲繩橫向受力。由于各根鋼絲繩橫向移動(dòng)L距離時(shí)具有相同的力分解三角形，鋼絲繩張力與其橫向所受推拉力成正比，由此即可用鋼絲繩橫向受力的偏差代替其張力偏差。該方法操作簡(jiǎn)便、工具簡(jiǎn)單，但測(cè)試誤差較大，且不能得出具體的張力值。

圖1 電梯鋼絲繩張力偏差“直尺+推拉力計(jì)法”測(cè)試原理圖

圖2 電梯鋼絲繩張力偏差三點(diǎn)彎曲法測(cè)試原理圖

三點(diǎn)彎曲法是另一種張力接觸式測(cè)試方法，其原理如圖2所示，由于將測(cè)力傳感器和機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整合于一體，相對(duì)于“直尺+推拉力計(jì)法”，該方法容易保證每根鋼絲繩測(cè)試條件一致，減小了直尺讀數(shù)和測(cè)力計(jì)推拉過(guò)程中的人為誤差。由于容易測(cè)得鋼絲繩三個(gè)受力點(diǎn)的相對(duì)位置，通過(guò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分解，該方法即可間接測(cè)得每根鋼絲繩上的張力值。該測(cè)試法裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，已在礦井提升機(jī)鋼絲繩張力檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4，5]，在電梯檢測(cè)領(lǐng)域也得到越來(lái)越多的關(guān)注與普及。三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置中使用了力傳感器和機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，張力檢測(cè)精度必然受力測(cè)試準(zhǔn)確度和位移測(cè)試準(zhǔn)確度的影響，而目前尚沒(méi)有該方法用于電梯鋼絲繩張力偏差測(cè)試精度的研究報(bào)道。本文對(duì)鋼絲繩三點(diǎn)彎曲法張力偏差檢測(cè)精度的影響因素進(jìn)行分析，研究?jī)?nèi)容對(duì)該方法在電梯檢驗(yàn)過(guò)程中的推廣應(yīng)用具有很好的參考價(jià)值。

2 三點(diǎn)彎曲法張力偏差計(jì)算方法

三點(diǎn)彎曲法對(duì)某根鋼絲繩進(jìn)行張力測(cè)試時(shí)鋼絲繩與測(cè)試裝置幾何關(guān)系及對(duì)應(yīng)的受力分解原理圖如圖3所示。H為三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置兩端受力點(diǎn)與中心受力點(diǎn)縱向距離，該尺寸與裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)；θ為張力角，反映了鋼絲繩的橫向推離程度；F為中心受力點(diǎn)對(duì)鋼絲繩的橫向作用力。

圖3 三點(diǎn)彎曲法測(cè)試時(shí)鋼絲繩張力計(jì)算原理圖

受力分析可得鋼絲繩張力T與F間的關(guān)系：

由測(cè)試裝置的幾何結(jié)構(gòu)可得：

由式（1）和式（2）可得鋼絲繩張力T為橫向受力F、縱向距離H和鋼絲繩橫向推離距離L的函數(shù)關(guān)系：

假設(shè)電梯曳引系統(tǒng)每組鋼絲繩數(shù)量為N，則第i（i=1～N）根鋼絲繩張力為Ti：

N根鋼絲繩的平均張力為：

由此可計(jì)算第i根鋼絲繩張力的相對(duì)百分偏差δTi：

3 張力偏差測(cè)試誤差模型的建立

根據(jù)誤差理論，第i根鋼絲繩張力偏差δTi的測(cè)試總誤差可表示為：

式中：

ΔFi——壓力傳感器對(duì)第i根鋼絲繩橫向壓力Fi測(cè)試時(shí)的示值誤差，與傳感器測(cè)試精度有關(guān)；

ΔHi——第i根鋼絲繩三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置兩端受力點(diǎn)與中心受力點(diǎn)縱向距離H的測(cè)試誤差；

ΔLi——位移傳感器對(duì)第i根鋼絲繩橫向推離位移Li測(cè)試時(shí)的示值誤差。

將式（4）、式（5）帶入式（6），再分別計(jì)算出對(duì)上述三個(gè)變量的偏導(dǎo)：

其中，式（8）、式（9）和式（10）中，X表示為：

進(jìn)一步，將式（8）、式（9）、式（10）和式（11）代入式（7）可得：

由圖3中幾何關(guān)系可得：

將式（6）、式（13）代入式（12）可得：

在測(cè)試?yán)碚撝型ǔＳ脙x表的相對(duì)誤差表示測(cè)量的可信程度，即精確度。因此，所測(cè)鋼絲繩橫向受力Fi的相對(duì)誤差小于三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置中力傳感器的相對(duì)誤差δF：

Hi的相對(duì)誤差小于張力偏差計(jì)算時(shí)三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置中H的最大取值誤差δH：

所測(cè)鋼絲繩橫向位移Li的相對(duì)誤差小于位移傳感器的相對(duì)誤差δL：

因此，相對(duì)偏差的最大測(cè)試總誤差[Δ(δTi)]max可表示為：

且有：

[Δ(δTi)]max可表示為A、B兩部分的乘積：

其中，A與電梯曳引系統(tǒng)自身狀態(tài)有關(guān)，為鋼絲繩根數(shù)N和所測(cè)鋼絲繩自身張力偏差δTi的函數(shù)：

B與相關(guān)傳感器精度和張力測(cè)試狀態(tài)有關(guān)。B值除了與測(cè)試裝置中壓力傳感器相對(duì)誤差δF、橫向位移傳感器相對(duì)誤差δL和H最大取值誤差δH有關(guān)外，還與張力角θ有關(guān)：

對(duì)于任意一根張力為δTi的鋼絲繩，由于存在測(cè)試誤差，其張力處于δTi±[Δ(δTi)]max范圍內(nèi)，根據(jù)GB/T T10060—2011《電梯安裝驗(yàn)收規(guī)范》，鋼絲繩張力應(yīng)滿足：

當(dāng)實(shí)際鋼絲繩張力偏差在5%附近時(shí)，測(cè)試結(jié)果可能大于5%，也可能小于5%，即存在檢測(cè)結(jié)果誤判的可能。可用張力偏差誤檢區(qū)間表征張力偏差測(cè)試的準(zhǔn)確程度，其原理如圖4所示，根據(jù)式（14）可計(jì)算出張力偏差上限函數(shù)δTi+[Δ(δTi)]max和下限函數(shù)δTi-[Δ(δTi)]max，根據(jù)兩函數(shù)曲線與5%張力偏差線的交點(diǎn)可得到張力偏差誤檢區(qū)間下限值[δTi]1和上限值[δTi]2，兩者的差值即為張力偏差誤檢區(qū)間大小。誤檢區(qū)間越小說(shuō)明鋼絲繩張力偏差測(cè)試的準(zhǔn)確性越高，在三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，以及張力偏差測(cè)試過(guò)程中應(yīng)盡可能減小誤檢區(qū)間，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

圖4 張力偏差誤檢區(qū)間示意圖

4 張力偏差測(cè)試誤差的影響因素分析

4.1 計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)上述所建立的誤差模型，以下分別分析鋼絲繩數(shù)量N、張力角θ和張力偏差大小δTi對(duì)張力偏差測(cè)試準(zhǔn)確性的影響。分析過(guò)程中取三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置中傳感器相對(duì)誤差為定值，計(jì)算過(guò)程中各變量取值見(jiàn)表1。

表1 誤差影響因素分析時(shí)各變量的取值

4.2 鋼絲繩數(shù)量對(duì)張力偏差測(cè)試誤差的影響

表2為根據(jù)式（14）計(jì)算的不同鋼絲繩數(shù)量時(shí)張力偏差誤檢區(qū)間上下限和區(qū)間大小，計(jì)算時(shí)θ取10°。隨著鋼絲繩數(shù)量的增多，誤檢區(qū)間下限不斷變小，誤檢區(qū)間上限不斷變大，張力偏差誤檢區(qū)間隨所檢測(cè)的鋼絲繩數(shù)量增加而變大，說(shuō)明當(dāng)鋼絲繩數(shù)量較多時(shí)張力偏差測(cè)試準(zhǔn)確性將下降。

表2 鋼絲繩數(shù)量對(duì)張力偏差誤檢區(qū)間的影響

4.3 張力角對(duì)張力偏差測(cè)試誤差的影響

表3為根據(jù)式（14）計(jì)算的采用不同張力角使鋼絲繩橫向推離不同程度時(shí)張力偏差的誤檢區(qū)間，計(jì)算時(shí)鋼絲繩根數(shù)為5。當(dāng)張力角變大時(shí)，誤檢區(qū)間下限將變大，誤檢區(qū)間上限將變小，張力偏差誤檢區(qū)間隨張力角的變大而變小。說(shuō)明中心點(diǎn)使鋼絲繩橫向推離距離越大，鋼絲繩張力偏差測(cè)試準(zhǔn)確性越高。在實(shí)際操作過(guò)程中，若張力角過(guò)大則會(huì)增加鋼絲繩和裝置測(cè)力支點(diǎn)之間的摩擦，加速鋼絲繩和測(cè)試裝置的磨損，影響其使用壽命。需考慮檢測(cè)精度和經(jīng)濟(jì)性，張力角選擇在合理的范圍內(nèi)。

表3 張力角對(duì)張力偏差誤檢區(qū)間的影響

4.4 鋼絲繩自身張力偏差大小δTi對(duì)張力偏差測(cè)試相對(duì)誤差的影響

鋼絲繩張力角為10°、鋼絲繩數(shù)量為5時(shí)不同張力偏差下的張力偏差測(cè)試相對(duì)誤差如圖5所示?？梢?jiàn)，當(dāng)某根鋼絲繩自身張力偏差值越大時(shí)，其張力偏差測(cè)試值的相對(duì)誤差將減小。從張力偏差測(cè)試角度講，張力偏差值越大，測(cè)試準(zhǔn)確性越高。

圖5 鋼絲繩張力偏差對(duì)張力偏差測(cè)試的相對(duì)誤差的影響

5 結(jié)論

本文對(duì)比分析了電梯曳引鋼絲繩張力測(cè)試的“直尺+推拉力計(jì)法”和三點(diǎn)彎曲法測(cè)試原理，建立了三點(diǎn)彎曲法張力偏差測(cè)試誤差模型，通過(guò)計(jì)算對(duì)張力偏差測(cè)試誤差的影響因素進(jìn)行了分析。主要得到如下結(jié)論：

1）張力偏差測(cè)試誤差與鋼絲繩根數(shù)、鋼絲繩自身張力偏差大小、張力角和三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置所用傳感器測(cè)試精度有關(guān)；

2）可用張力偏差誤檢區(qū)間表征張力偏差測(cè)試的準(zhǔn)確程度，在裝置設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程中應(yīng)盡可能減小誤檢區(qū)間，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度；

3）鋼絲繩數(shù)量越少、張力角越大，則張力偏差測(cè)試的準(zhǔn)確性越高；

4）鋼絲繩自身張力偏差值越大，則張力偏差測(cè)試值的相對(duì)誤差越小。

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