探析鋼帶使用壽命的影響因素

虞 杰

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315000)

1998年美國奧的斯公司在全球最先提出并通過鋼帶曳引系統(tǒng)的理論論證，次年完成全球首臺(tái)鋼帶曳引系統(tǒng)電梯的制造與安裝，并申請了專利。從此，鋼絲繩不再是被用做電梯曳引系統(tǒng)的唯一媒介，鋼帶技術(shù)逐步被采用。隨著美國奧的斯鋼帶專利技術(shù)的推廣，迅達(dá)、西子奧的斯、蒂森、日立等一線電梯品牌也開始生產(chǎn)采用鋼帶作為曳引系統(tǒng)的電梯，并大量投入市場。其中，又以迅達(dá)3300AP/3600AP和西奧GeN2/GeN2 CORE居多。但是，鋼帶技術(shù)能否被電梯市場廣為接受，仍有待實(shí)際考驗(yàn)。

1 復(fù)合曳引鋼帶的定義

根據(jù)GB/T 7024—2008《電梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道術(shù)語》中的定義，鋼帶是由多股鋼絲被聚氨酯等彈性體包裹形成的扁平狀曳引轎廂用的帶子[1]。與傳統(tǒng)鋼絲繩由繩股和繩芯構(gòu)成不同，鋼帶用聚氨酯等彈性體取代繩芯，對鋼絲進(jìn)行有效的包裹，起到對鋼絲防銹和防磨損的作用[2]；鋼帶的結(jié)構(gòu)與鋼絲繩繩股的排列方式（見圖1）也有所不同，采用橫排的方式將多根鋼絲排列在一起（見圖2）。目前，國內(nèi)電梯廠家生產(chǎn)的鋼帶多為12芯、16芯、20芯和24芯，每一芯的規(guī)格結(jié)構(gòu)多為19+8×7。

圖1 鋼絲繩排列方式簡圖

圖2 鋼帶排列方式簡圖

2 影響鋼帶壽命的因素

作為懸掛裝置的一種，鋼帶在電梯的運(yùn)行過程中起到了拖動(dòng)和牽引載荷的重要作用，是乘客乘梯的基本安全屏障。如何從設(shè)計(jì)上滿足檢規(guī)和國標(biāo)的要求以提升鋼帶本身的性能指標(biāo)，如何切實(shí)有效地發(fā)現(xiàn)安裝、使用、維保過程中所存在的缺陷至關(guān)重要。部分廠家認(rèn)為鋼帶安全系數(shù)高，重量更輕可以減小轎廂的噪音和震動(dòng)，正常使用壽命是傳統(tǒng)鋼絲繩的3倍，但是筆者通過鋼帶在電梯行業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐認(rèn)為廠家宣稱的優(yōu)點(diǎn)并不完全正確，鋼帶從本質(zhì)上就是由多根細(xì)鋼絲繩組成，隨著鋼絲繩的變細(xì)，不可避免地降低了鋼絲繩的直徑和總斷面積，使鋼絲繩的重量和破斷拉力下降，為了實(shí)現(xiàn)同樣的曳引條件就必定要增加鋼帶的根數(shù)。如此一來，使得安裝及防范鋼帶的張力不均更加困難，甚至?xí)档弯搸У氖褂脡勖Ｋ裕搸褂脡勖挠绊懸蛩厥侨轿坏模枰獜脑O(shè)計(jì)、安裝、使用和保養(yǎng)多方面進(jìn)行考量。

2.1 設(shè)計(jì)、選用因素

●2.1.1 鋼帶的曲率半徑

在設(shè)計(jì)上，鋼帶的曲率半徑是由曳引輪、導(dǎo)向輪及反繩輪的節(jié)徑和位置所決定，不同的節(jié)徑和不同的位置基本決定了鋼帶在實(shí)際使用上的彎曲次數(shù)和彎曲應(yīng)力。彎曲應(yīng)力和各個(gè)輪子的節(jié)徑成反比，節(jié)徑越大，彎曲應(yīng)力也就越小。GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中9.2.1項(xiàng)規(guī)定，不論鋼絲繩的股數(shù)多少，曳引輪、滑輪或卷筒的節(jié)圓直徑與懸掛繩的公稱直徑之比不應(yīng)小于40[3]，D曳引輪≥40d鋼芯。在鋼帶彎曲的過程中，鋼帶中的鋼絲產(chǎn)生相對位移。在其內(nèi)部，鋼絲與彈性體、鋼絲與鋼絲之間均存在著磨損。彎曲應(yīng)力越大，內(nèi)部的磨損越大，甚至還會(huì)產(chǎn)生局部壓痕，隨著應(yīng)力長期的集中，鋼絲會(huì)因此而斷絲。在鋼帶的委托型式試驗(yàn)過程中，彎曲疲勞試驗(yàn)也是重要的一項(xiàng)。需要檢測鋼帶在1/12最小設(shè)計(jì)破斷載荷的張緊力下反復(fù)折彎200萬次后，正反表面是否存在裂痕和損傷。鋼帶鋼芯直徑較小，常見的不超過2mm，使得曳引輪的直徑做到80mm即可，相對于鋼絲繩的曳引輪大幅度減小了鋼帶曳引輪的直徑，這是鋼帶電梯的優(yōu)勢所在。筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)各個(gè)輪子時(shí)，可以適當(dāng)增大曲率半徑和輪繩比，這樣可以有效減小鋼帶的彎曲應(yīng)力，是增加鋼帶的壽命有效措施之一。

●2.1.2 繞繩和導(dǎo)向輪的布置方式

鋼帶曳引系統(tǒng)電梯的曳引比大多采用2∶1，但是不同廠家在繞繩和導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)布置上多種多樣。鋼帶繞過輪子的數(shù)量和包角，分別決定了摩擦的次數(shù)和摩擦系數(shù)，很大意義上決定了鋼帶的磨損量（詳見2.1.3），另外，鋼帶的彎折次數(shù)、每次彎折的嚴(yán)重彎折程度以及扭曲程度增加了局部應(yīng)力集中的可能，也是影響鋼帶磨損的因素之一。并且鋼帶的表面彈性包裹層抗扭、抗彎折能力較弱，需要盡量減少鋼帶在安裝過程中的反向扭曲。例如，圖3～圖4為幾種常見的電梯結(jié)構(gòu)布置圖，其中GeN2鋼帶由于兩面均為扁平面，且在安裝的過程中只要求鋼帶在繞行曳引輪時(shí)需為工作面，繞行對重及轎廂反繩輪時(shí)則無須工作面，使得GeN2鋼帶在繞繩布置中沒有扭曲；迅達(dá)Poly-V鋼帶的工作面為齒面，另一面為扁平面，繞行曳引輪、對重及轎廂反繩輪時(shí)均要求工作面繞行，則如圖4所示在繞繩布置時(shí)必然存在反向扭曲。可見，對于同樣尺寸的電梯井道，不同廠家不同型號的電梯的布置方式也并不相同，如何優(yōu)化布置方式對增加鋼帶的壽命起著重要的作用。

圖3 GeN2和其他鋼帶結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 3300和3600結(jié)構(gòu)布置圖

●2.1.3 考慮安全系數(shù)的影響

設(shè)計(jì)上，安全系數(shù)是否滿足電梯配置的要求也會(huì)影響到鋼帶的壽命。安全系數(shù)指的是零件或構(gòu)件所用材料的失效應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值。GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中9.2.2項(xiàng)要求：在任何情況下，其安全系數(shù)不應(yīng)小于下列值：a）對于用三根或三根以上鋼絲繩的曳引驅(qū)動(dòng)電梯為12；b）對于用兩根鋼絲繩的曳引驅(qū)動(dòng)電梯為16[3]。另外，附錄N給出了計(jì)算懸掛繩安全系數(shù)Sf設(shè)計(jì)的方法：

其中曳引輪和導(dǎo)向輪彎折次數(shù)、每次彎折的嚴(yán)重程度、繩槽種類及是否有反向彎折決定了滑輪的等效數(shù)量Nequiv的量化值，同樣輪繩比的情況下，滑輪等效數(shù)量越小安全系數(shù)越高。在鋼帶失效應(yīng)力設(shè)計(jì)中，一般將鋼帶最小設(shè)計(jì)破斷載荷作為基本參數(shù)，新鋼帶的破斷力（即試驗(yàn)破斷載荷）必須大于等于最小設(shè)計(jì)破斷載荷，使得實(shí)際安裝的鋼帶安全系數(shù)Sf試驗(yàn)大于等于Sf設(shè)計(jì)，即

式中：

T——鋼帶最小設(shè)計(jì)破斷載荷，N；

m——曳引比；

n——懸掛繩根數(shù)；

P——空轎廂重量，kg；

Q——額定載重量，kg；

q——單根繩百米質(zhì)量，kg/m；

H——提升高度，m；

gn——重力加速度，kg/N。

從式（2）中可以看出，T即鋼帶最小設(shè)計(jì)破斷載荷決定了Sf試驗(yàn)的大小，芯數(shù)越多，最小設(shè)計(jì)破斷載荷越大，安全系數(shù)就越高。鋼帶使用環(huán)境越復(fù)雜或者越惡劣，實(shí)際計(jì)用安全系數(shù)值也就越大，設(shè)計(jì)時(shí)需充分留有安全系數(shù)余量才能使得鋼帶的使用壽命更長久。

2.2 安裝因素

●2.2.1 曳引輪與導(dǎo)向輪垂直度及平行度調(diào)整

曳引輪與導(dǎo)向輪垂直度的調(diào)整是用水平尺檢測兩根主機(jī)支承梁是否水平以及支承梁之間的水平度，使其水平度的偏差不超過1/1000。然后，在主機(jī)支承梁與防振橡膠墊片之間插入墊片來調(diào)整曳引輪的垂直度（見圖5），或者在導(dǎo)向輪支承梁與導(dǎo)向輪軸支承之間插入墊片來調(diào)整導(dǎo)向輪的垂直度[4]。許多電梯廠家在曳引機(jī)的頂部設(shè)置了水平儀，便于檢查曳引機(jī)是否水平，如果不水平可以通過調(diào)整螺栓松緊直到水平（見圖6）。

曳引輪與導(dǎo)向輪的平行度是通過調(diào)整導(dǎo)向輪的位置來進(jìn)行的。在曳引輪和導(dǎo)向輪輪緣上分別掛一個(gè)線墜，使線墜經(jīng)過曳引輪和導(dǎo)向輪輪緣的另一端時(shí)，垂直偏差不超過4/1000。另外，再拉一條細(xì)線分別經(jīng)過曳引輪和導(dǎo)向輪，使該細(xì)線與曳引輪和導(dǎo)向輪相交的4個(gè)測量點(diǎn)偏差控制在0～1.5mm之內(nèi)，調(diào)整方法如圖7所示。

調(diào)整了曳引輪與導(dǎo)向輪垂直度及平行度，可以使得鋼帶在運(yùn)行過程中不至于被斜拉，也使得鋼帶與曳引輪和導(dǎo)向輪的接觸充分完全，受力均勻，增加鋼帶的使用壽命。

圖5 紅色方框?yàn)檎{(diào)整曳引機(jī)垂直度的墊片和螺栓

圖6 曳引機(jī)的垂直度調(diào)整

圖7 曳引輪與導(dǎo)向輪平行度調(diào)整示意圖[4]

●2.2.2 鋼帶的張力是否均勻

拉伸載荷是鋼帶在電梯運(yùn)行過程中所承受主要載荷和變化量。在安裝時(shí)，應(yīng)將各根鋼帶在運(yùn)行過程中所承受的載荷調(diào)試成基本相同。GB/T 10060—2011《電梯安裝驗(yàn)收規(guī)范》中5.5.1.9項(xiàng)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%[5]。如果各根鋼帶在安裝過程中張力不均勻，會(huì)導(dǎo)致其中一根甚至幾根鋼帶與曳引輪輪槽之間的壓應(yīng)力增大，加速鋼帶的磨損，減少鋼帶的使用壽命。有些安裝單位會(huì)在安裝結(jié)束后，測量補(bǔ)償彈簧的長度，使各個(gè)彈簧的長度相等，允許的最大偏差為±1mm。

2.3 維護(hù)保養(yǎng)因素

市面上電梯維保單位眾多，但是水平參差不齊。對于許多非原鋼帶制造單位，由于沒有受過相對專業(yè)的培訓(xùn)，導(dǎo)致如何有針對性地對鋼帶曳引電梯進(jìn)行維保的能力和意識(shí)不足。筆者認(rèn)為在日常維保時(shí)，保養(yǎng)單位應(yīng)注重以下幾點(diǎn)：1）鋼帶需要經(jīng)常檢查工作面是否干凈，確保工作面上沒有油污的污染。與鋼絲繩有所不同，鋼帶不需要進(jìn)行定期潤滑，也不需要補(bǔ)充適量油脂，一旦沾上油污，必須使用干或濕的布進(jìn)行擦拭，切勿使用無水酒精、丙酮或任何形式的溶劑，這樣會(huì)損傷鋼帶表面介質(zhì)，減少鋼帶壽命。2）要注重鋼帶伸長率和對重緩沖距的控制。根據(jù)部分鋼帶制造廠商提供的資料顯示，鋼帶的伸長率約為0.05%～0.08%，相對于常用曳引鋼絲繩伸長率為0.7%～1.0%，鋼帶的伸長率明顯減小，很大程度上減輕了維保單位需要定期收鋼絲繩的負(fù)擔(dān)。但是，為確保頂部和底坑的空間，定期測量對重緩沖距不可忽視。3）需要檢測鋼帶在每個(gè)滑輪輪槽中的位置是否正確、是否居中。當(dāng)鋼帶不居中時(shí)（亦稱為跑偏現(xiàn)象），會(huì)導(dǎo)致整根鋼帶的拉壓應(yīng)力不均勻，使應(yīng)力集中在與輪槽相接觸的那部分，造成對該部分鋼帶內(nèi)部鋼絲的過度損耗，甚至?xí)?dǎo)致斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。4）維保單位應(yīng)注重TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》中的5.1要求：“采用其他類型懸掛裝置的，懸掛裝置的磨損、變形等應(yīng)當(dāng)不超過制造單位設(shè)定的報(bào)廢指標(biāo)[6]。”制造單位設(shè)定的報(bào)廢指標(biāo)會(huì)在提供給使用單位的用戶手冊中標(biāo)明，如圖8為某品牌電梯給出的報(bào)廢例圖評估，屬于下圖任何情形之一的，必須更換所有鋼帶。當(dāng)然，有些鋼帶電梯采用了RBI鋼帶檢測裝置（如圖9所示），RBI是由負(fù)責(zé)鋼帶檢測的集成電路板單元和短接連接器組成。當(dāng)RBI安裝完成并與電梯控制系統(tǒng)以合適的接線方式連接后，集成電路板單元將檢測鋼帶的阻值，通過實(shí)時(shí)測量的阻值與被作為標(biāo)準(zhǔn)值的初始測量阻值來比較，將信息反饋給控制系統(tǒng)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼帶是否有斷絲的情況，可以增加鋼帶的整體使用壽命。

圖8 必須更換鋼帶的示例圖

圖9 鋼帶檢測裝置

3 結(jié)束語

對于鋼帶使用壽命影響的因素有很多，只有從設(shè)計(jì)、選用、安裝和維護(hù)保養(yǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)加以重視，爭取全面排除影響鋼帶耐疲勞性的不利因素，才能有效提升鋼帶的使用壽命。

[1] GB/T 7024—2008 電梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行道術(shù)語[S].

[2] 武志超.復(fù)合曳引鋼帶在電梯行業(yè)的應(yīng)用研究[J].科技信息，2013(20)：484-485.

[3] GB 7588—2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范[S].

[4] 杜巖.電梯裝調(diào)維修工實(shí)用技術(shù)手冊[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2008：182+185.

[5] GB/T 10060—2011 電梯安裝驗(yàn)收規(guī)范[S].

[6] TSG T7001—2009 電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯[S].