鐘鳴

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

電梯曳引鋼絲繩是電梯的關(guān)鍵部件，曳引鋼絲繩的疲勞壽命是電梯正常工作的重要指標(biāo)。隨著電梯提升速度與高度的不斷增加，對(duì)電梯曳引鋼絲繩的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，曳引鋼絲繩也成為了引發(fā)事故的危險(xiǎn)源，在電梯曾經(jīng)發(fā)生的事故當(dāng)中，很多都與曳引鋼絲繩直接相關(guān)。曳引鋼絲繩在電梯的使用中必定會(huì)產(chǎn)生疲勞磨損，其疲勞磨損的潛伏性強(qiáng)、突發(fā)性強(qiáng)，產(chǎn)生疲勞磨損的原因又很多。因此，研究影響電梯曳引鋼絲繩疲勞壽命的因素具有較強(qiáng)的實(shí)際意義，對(duì)提高電梯鋼絲繩及電梯的使用壽命尤為重要。本文嘗試從結(jié)構(gòu)、工藝、工程使用等角度淺析影響電梯曳引鋼絲繩疲勞壽命的因素。

1 電梯鋼絲繩的疲勞壽命

疲勞壽命指疲勞失效時(shí)的應(yīng)變或應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)，又稱為耐疲勞性。工程中，電梯曳引鋼絲繩在多個(gè)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞磨損直至報(bào)廢，定義在報(bào)廢前所出現(xiàn)的疲勞次數(shù)為電梯曳引鋼絲繩的疲勞壽命。目前，國(guó)標(biāo)沒(méi)有給出鋼絲繩更換的時(shí)間規(guī)定，實(shí)際工程中一般按照經(jīng)驗(yàn)5年更換鋼絲繩，此時(shí)鋼絲繩可能輕微磨損，也可能已經(jīng)達(dá)到報(bào)廢條件。國(guó)標(biāo)規(guī)定了曳引鋼絲繩的報(bào)廢技術(shù)條件：曳引鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、繩徑減小、變形或損傷、銹蝕四種情況之一，就可認(rèn)為鋼絲繩報(bào)廢。表1為鋼絲繩斷絲報(bào)廢技術(shù)條件，當(dāng)斷絲總數(shù)大于表1則視為斷絲報(bào)廢；當(dāng)鋼絲繩直徑≤90%公稱直徑的，則視為繩徑減小報(bào)廢；當(dāng)出現(xiàn)籠狀畸變、繩股擠出、扭結(jié)、部分壓扁或彎折等，則視為變形或損傷報(bào)廢；當(dāng)嚴(yán)重銹蝕、鐵銹填滿繩股間隙，則視為銹蝕報(bào)廢。

表1 鋼絲繩斷絲報(bào)廢技術(shù)條件2

2 影響疲勞壽命的結(jié)構(gòu)因素

2.1 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋼絲的接觸關(guān)系，鋼絲繩結(jié)構(gòu)可分為三種：點(diǎn)接觸、線接觸以及面接觸。比較三種結(jié)構(gòu)下鋼絲繩的疲勞壽命，面接觸最大，線接觸次之，點(diǎn)接觸最小。工程中，考慮實(shí)際空間大小，一般曳引輪直徑不會(huì)很大，而面接觸結(jié)構(gòu)的鋼絲繩撓性又較差。因此，目前較多采用線接觸鋼絲繩。線接觸鋼絲繩主要有三種類型：瓦林吞式（w型）、西魯式(s型)、填充式（Fi型）。因?yàn)槲黥斒戒摻z繩的耐磨性能優(yōu)于其他兩種，因而現(xiàn)代電梯中較多采用西魯式結(jié)構(gòu)。繩股是由鋼絲捻制而成的，較粗直徑的鋼絲具有較高的強(qiáng)度，不易磨損，不易腐蝕，但柔韌性不及直徑較細(xì)的鋼絲。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，我國(guó)電梯上廣泛地使用8股和6股兩種鋼絲繩，相同直徑與結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，股數(shù)多的抗疲勞強(qiáng)度高。使用8股鋼絲繩時(shí)，繩輪與鋼絲繩之間的最大壓力是使用6股鋼絲繩時(shí)的76%，因而8股鋼絲繩耐疲勞性比6股鋼絲繩好，疲勞壽命也長(zhǎng)。有學(xué)者認(rèn)為，為了提高曳引鋼絲繩的疲勞性能，鋼絲繩各股之間、股內(nèi)鋼絲之間都應(yīng)該保持適當(dāng)?shù)目p隙。

2.2 曳引輪的結(jié)構(gòu)

曳引輪的槽形一般有V形槽，凹形槽及U形槽三種。三種槽形中，V形槽壁所受的壓力最大。常用的8股鋼絲繩適用于凹形槽，曳引輪的槽形采用凹型槽比V型槽有利，不但槽壁的壓力可減少，而且可減少鋼絲繩的磨損。電梯曳引鋼絲繩繞過(guò)曳引輪時(shí)受到的彎曲應(yīng)力對(duì)其磨損影響很大。曳引輪直徑增加，曲率半徑隨之增加，其彎曲應(yīng)力隨之減小，鋼絲繩磨損將減少，所以在實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能大地增加曳引輪直徑。國(guó)標(biāo)規(guī)定：不管鋼絲繩的股數(shù)是多少，曳引輪、滑輪或者卷筒的直徑與曳引繩的直徑之比不應(yīng)該小于40。

2.3 鋼絲繩繞繩方式

目前，常見(jiàn)的鋼絲繩繞繩方式有1:1和2:1兩種，不同繞法就有不同的傳動(dòng)速比（鋼絲繩速度與電梯運(yùn)行速度之比），1:1繞繩方式下傳動(dòng)速比為1:1，2:1繞繩方式下，傳動(dòng)速比為2:1。因此相同的電梯運(yùn)行速度，繞繩方式為2:1的鋼絲繩速度更快。隨著鋼絲繩速度的增加，鋼絲繩在曳引輪上所受到的彎曲應(yīng)力增大。所以在實(shí)際工程使用中采用2:1的繞繩方式，曳引鋼絲繩因所受到的彎曲應(yīng)力大而更易產(chǎn)生疲勞磨損。因此電梯在相同配置條件下，采用2:1繞繩方式的鋼絲繩的疲勞壽命較1:1繞繩方式低。

3 影響疲勞壽命的工藝因素

3.1 曳引鋼絲繩的材料

曳引鋼絲繩的疲勞壽命與材料特性有著很大的關(guān)系，選擇優(yōu)質(zhì)的材料，有利于提高曳引鋼絲繩的疲勞壽命。斷絲是鋼絲繩報(bào)廢的一種技術(shù)情況，引起鋼絲繩斷絲的原因主要是表面摩擦產(chǎn)生的脆性馬氏體薄層。采用耐磨材料能減少摩擦損傷，避免出現(xiàn)過(guò)早的斷絲現(xiàn)象。鋼絲繩的材料中力學(xué)性能較好的是碳素鋼絲。鋼絲繩的制造過(guò)程中對(duì)純度要求很高，一般含碳量為0.4%～1%，鋼絲繩中的非金屬夾雜物常常會(huì)成為疲勞裂紋源，因此鋼絲繩中雜質(zhì)的含量須控制在0.035%以內(nèi)。鋼絲繩的成分越均勻，夾雜物含量越低、粒徑越小，疲勞裂紋越不容易出現(xiàn)，鋼絲繩的疲勞壽命越高。

3.2 曳引輪的材料

磨料磨損是曳引鋼絲繩與曳引輪槽的主要磨損形式之一。在磨料磨損中，材料的硬度以及材料與磨料的相對(duì)硬度是影響磨損程度的兩個(gè)主要因素。電梯鋼絲繩是試件材料，曳引輪就相當(dāng)于是磨料。在工程上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一是鋼絲繩產(chǎn)生磨損，但是曳引輪輪槽的磨損更嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)托底現(xiàn)象；二是鋼絲繩磨損嚴(yán)重甚至報(bào)廢，但曳引輪上磨損不明顯。因此在選擇曳引輪材料時(shí)，既要考慮曳引輪本身的硬度，更要考慮其與鋼絲繩硬度的匹配。有研究者認(rèn)為，曳引輪的硬度和鋼絲繩的硬度關(guān)系需滿足Hr=K·Hs，式中Hs是曳引輪硬度，Hr是鋼絲繩硬度，K是硬度系數(shù)，K取1.75～2.00。

3.3 繩芯的潤(rùn)滑

繩芯的潤(rùn)滑對(duì)鋼絲繩的疲勞壽命有重要的影響。鋼絲繩上的潤(rùn)滑油可以減小鋼絲繩與曳引輪之間的摩擦力，減少曳引鋼絲繩的磨損，提高疲勞壽命。但是對(duì)于電梯，曳引鋼絲繩的含油量不是越多越好，這是因?yàn)橐芬摻z繩主要是靠摩擦傳動(dòng)，當(dāng)曳引鋼絲繩上的潤(rùn)滑油過(guò)多時(shí)，就會(huì)使得鋼絲繩與曳引輪間的摩擦力過(guò)小，以至于曳引力不能滿足工程要求。因而一般會(huì)在曳引鋼絲繩表面涂一層極薄的高粘度的油脂。油脂的物理性能受外界溫度和濕度影響較大，所以在選用油脂時(shí)需要考慮電梯的具體使用環(huán)境，確保油脂高溫下不滴淌，低溫下不脆裂，使其具有長(zhǎng)時(shí)間的潤(rùn)滑性。涂油的基本原則為油脂在鋼絲表面分布越均勻越好。

3.4 制繩工藝

實(shí)際工程中，曳引鋼絲繩在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多個(gè)應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生磨損，因而鋼絲繩需有較好的強(qiáng)度和韌性。鋼絲繩的強(qiáng)度和韌性除了和鋼絲繩的材質(zhì)有關(guān)外，也與鋼絲繩的處理工藝有著密切的關(guān)系。預(yù)張拉技術(shù)、捻制工藝等溫淬火工藝等都是制繩工藝中的關(guān)鍵因素。新安裝的電梯曳引鋼絲繩隨著運(yùn)行時(shí)間的增加會(huì)自然伸長(zhǎng)，這種伸長(zhǎng)可能會(huì)影響電梯的正常運(yùn)行，如平層精度下降、對(duì)重緩沖距減小等，同時(shí)也會(huì)影響鋼絲繩的疲勞壽命?，F(xiàn)代工藝中，一般會(huì)采用鋼絲繩預(yù)張拉技術(shù)。預(yù)張拉技術(shù)是在專門的張拉設(shè)備上使用連續(xù)式張拉方法對(duì)鋼絲繩進(jìn)行張拉，這樣可以有效改善鋼絲繩的承載能力，消除鋼絲繩的捻制缺陷，提高股繩的穩(wěn)定性，最終提高鋼絲繩的疲勞壽命。在制繩工藝中捻制工藝也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，捻制工藝的好壞直接影響鋼絲繩的承載能力和疲勞壽命。捻制工藝需要考慮捻制方向、捻距大小、配絲方式等，有效控制捻制過(guò)程中各繩股之間張力的均勻性對(duì)鋼絲繩的疲勞壽命有著重要的影響。生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡量避免運(yùn)輸、貯存、檢驗(yàn)、吊裝等環(huán)節(jié)對(duì)鋼絲繩表面的碰撞或刮傷等。在鋼絲繩的后期使用中，這些碰撞和刮傷往往會(huì)引起應(yīng)力集中，最終成為鋼絲繩的疲勞斷裂源。因此生產(chǎn)過(guò)程中注意對(duì)鋼絲繩表面的保護(hù)有助于提高鋼絲繩的疲勞壽命。

4 電梯工程使用中的相關(guān)因素

4.1 安裝

電梯曳引鋼絲繩的正確安裝與鋼絲繩的疲勞壽命密切相關(guān)。于克勇認(rèn)為不正確的安裝導(dǎo)致的鋼絲繩短時(shí)損壞占80%以上。不正確的安裝過(guò)程容易引起鋼絲繩的過(guò)度扭曲和鋼絲繩表面意外損傷。在安裝過(guò)程中一定要避免鋼絲繩過(guò)度旋轉(zhuǎn)、焊渣灼傷和機(jī)械損傷。曳引鋼絲繩的安裝不當(dāng)還會(huì)引起鋼絲繩的張力不均，造成鋼絲繩與曳引輪槽間應(yīng)力的增大，加劇鋼絲繩與曳引輪槽的磨損，降低曳引鋼絲繩的疲勞壽命。

4.2 運(yùn)行參數(shù)

電梯的運(yùn)行參數(shù)包括載重量、運(yùn)行速度、運(yùn)行層站、提升高度、梯型等等。尤光輝通過(guò)試驗(yàn)分析了電梯曳引鋼絲繩張力在不同載重量、速度、加速度的變化情況，電梯曳引鋼絲繩最大張力隨著載重量、速度、加速度的增加而增加，影響最大張力值波動(dòng)因素中，載重量影響最大，加速度影響次之，速度影響較小。載荷力對(duì)鋼絲繩直徑磨損率的影響最為顯著，運(yùn)動(dòng)頻率次之，包角影響最小：鋼絲繩直徑的磨損量隨著載荷力、頻率和包角的增大而增大。

4.3 維護(hù)與檢測(cè)

對(duì)曳引鋼絲繩定期進(jìn)行有效的維護(hù)和檢測(cè)有助于提高其疲勞壽命。對(duì)鋼絲繩的維護(hù)和檢測(cè)包括外觀檢測(cè)、張力檢測(cè)以及缺陷檢測(cè)等。外觀檢測(cè)包括鋼絲繩的直徑、表面油污、潤(rùn)滑狀況等的檢測(cè)。曳引鋼絲繩安裝后，應(yīng)定期對(duì)鋼絲繩張力進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，使其均勻一致。曳引鋼絲繩張力不均或缺乏潤(rùn)滑都會(huì)使其壽命降低50%。曳引鋼絲繩的缺陷檢測(cè)主要是檢測(cè)和判定曳引鋼絲繩是否達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。目前，檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩缺陷的定性、定量無(wú)損檢測(cè)，但是檢測(cè)儀器品種繁多，檢測(cè)精度有限，不同儀器檢測(cè)的差異較大，國(guó)內(nèi)仍然沒(méi)有統(tǒng)一的儀器評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照體系。

5 結(jié)語(yǔ)

電梯曳引鋼絲繩的疲勞壽命與曳引輪和鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、制繩工藝、電梯運(yùn)行參數(shù)以及工程安裝與維護(hù)等眾多因素有著密切的關(guān)系。確定這些影響因素對(duì)電梯曳引鋼絲繩疲勞壽命的影響規(guī)律，提高曳引鋼絲繩的疲勞壽命，具有重要的研究和工程意義。