淺析影響電梯曳引鋼絲繩疲勞壽命的因素

鐘鳴

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

電梯曳引鋼絲繩是電梯的關鍵部件，曳引鋼絲繩的疲勞壽命是電梯正常工作的重要指標。隨著電梯提升速度與高度的不斷增加，對電梯曳引鋼絲繩的要求也越來越高。同時，曳引鋼絲繩也成為了引發事故的危險源，在電梯曾經發生的事故當中，很多都與曳引鋼絲繩直接相關。曳引鋼絲繩在電梯的使用中必定會產生疲勞磨損，其疲勞磨損的潛伏性強、突發性強，產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的實際意義，對提高電梯鋼絲繩及電梯的使用壽命尤為重要。本文嘗試從結構、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的應變或應力的循環次數，又稱為耐疲勞性。工程中，電梯曳引鋼絲繩在多個應力作用下產生疲勞磨損直至報廢，定義在報廢前所出現的疲勞次數為電梯曳引鋼絲繩的疲勞壽命。目前，國標沒有給出鋼絲繩更換的時間規定，實際工程中一般按照經驗5年更換鋼絲繩，此時鋼絲繩可能輕微磨損，也可能已經達到報廢條件。國標規定了曳引鋼絲繩的報廢技術條件：曳引鋼絲繩出現斷絲、繩徑減小、變形或損傷、銹蝕四種情況之一，就可認為鋼絲繩報廢。表1為鋼絲繩斷絲報廢技術條件，當斷絲總數大于表1則視為斷絲報廢；當鋼絲繩直徑≤90%公稱直徑的，則視為繩徑減小報廢；當出現籠狀畸變、繩股擠出、扭結、部分壓扁或彎折等，則視為變形或損傷報廢；當嚴重銹蝕、鐵銹填滿繩股間隙，則視為銹蝕報廢。

表1 鋼絲繩斷絲報廢技術條件2

2 影響疲勞壽命的結構因素

2.1 鋼絲繩的結構

根據鋼絲的接觸關系，鋼絲繩結構可分為三種：點接觸、線接觸以及面接觸。比較三種結構下鋼絲繩的疲勞壽命，面接觸最大，線接觸次之，點接觸最小。工程中，考慮實際空間大小，一般曳引輪直徑不會很大，而面接觸結構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）。因為西魯式鋼絲繩的耐磨性能優于其他兩種，因而現代電梯中較多采用西魯式結構。繩股是由鋼絲捻制而成的，較粗直徑的鋼絲具有較高的強度，不易磨損，不易腐蝕，但柔韌性不及直徑較細的鋼絲。從20世紀60年代開始，我國電梯上廣泛地使用8股和6股兩種鋼絲繩，相同直徑與結構的鋼絲繩，股數多的抗疲勞強度高。使用8股鋼絲繩時，繩輪與鋼絲繩之間的最大壓力是使用6股鋼絲繩時的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。有學者認為，為了提高曳引鋼絲繩的疲勞性能，鋼絲繩各股之間、股內鋼絲之間都應該保持適當的縫隙。

2.2 曳引輪的結構

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曳引輪時受到的彎曲應力對其磨損影響很大。曳引輪直徑增加，曲率半徑隨之增加，其彎曲應力隨之減小，鋼絲繩磨損將減少，所以在實際生產和設計過程中應盡可能大地增加曳引輪直徑。國標規定：不管鋼絲繩的股數是多少，曳引輪、滑輪或者卷筒的直徑與曳引繩的直徑之比不應該小于40。

2.3 鋼絲繩繞繩方式

目前，常見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速比（鋼絲繩速度與電梯運行速度之比），1:1繞繩方式下傳動速比為1:1，2:1繞繩方式下，傳動速比為2:1。因此相同的電梯運行速度，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力增大。所以在實際工程使用中采用2:1的繞繩方式，曳引鋼絲繩因所受到的彎曲應力大而更易產生疲勞磨損。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系，選擇優質的材料，有利于提高曳引鋼絲繩的疲勞壽命。斷絲是鋼絲繩報廢的一種技術情況，引起鋼絲繩斷絲的原因主要是表面摩擦產生的脆性馬氏體薄層。采用耐磨材料能減少摩擦損傷，避免出現過早的斷絲現象。鋼絲繩的材料中力學性能較好的是碳素鋼絲。鋼絲繩的制造過程中對純度要求很高，一般含碳量為0.4%～1%，鋼絲繩中的非金屬夾雜物常常會成為疲勞裂紋源，因此鋼絲繩中雜質的含量須控制在0.035%以內。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，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硬度是影響磨損程度的兩個主要因素。電梯鋼絲繩是試件材料，曳引輪就相當于是磨料。在工程上經常會出現兩種情況，一是鋼絲繩產生磨損，但是曳引輪輪槽的磨損更嚴重，甚至出現托底現象；二是鋼絲繩磨損嚴重甚至報廢，但曳引輪上磨損不明顯。因此在選擇曳引輪材料時，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。有研究者認為，曳引輪的硬度和鋼絲繩的硬度關系需滿足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，K取1.75～2.00。

3.3 繩芯的潤滑

繩芯的潤滑對鋼絲繩的疲勞壽命有重要的影響。鋼絲繩上的潤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。但是對于電梯，曳引鋼絲繩的含油量不是越多越好，這是因為曳引鋼絲繩主要是靠摩擦傳動，當曳引鋼絲繩上的潤滑油過多時，就會使得鋼絲繩與曳引輪間的摩擦力過小，以至于曳引力不能滿足工程要求。因而一般會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，所以在選用油脂時需要考慮電梯的具體使用環境，確保油脂高溫下不滴淌，低溫下不脆裂，使其具有長時間的潤滑性。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

實際工程中，曳引鋼絲繩在拉伸、彎曲、扭轉等多個應力共同作用下產生磨損，因而鋼絲繩需有較好的強度和韌性。鋼絲繩的強度和韌性除了和鋼絲繩的材質有關外，也與鋼絲繩的處理工藝有著密切的關系。預張拉技術、捻制工藝等溫淬火工藝等都是制繩工藝中的關鍵因素。新安裝的電梯曳引鋼絲繩隨著運行時間的增加會自然伸長，這種伸長可能會影響電梯的正常運行，如平層精度下降、對重緩沖距減小等，同時也會影響鋼絲繩的疲勞壽命。現代工藝中，一般會采用鋼絲繩預張拉技術。預張拉技術是在專門的張拉設備上使用連續式張拉方法對鋼絲繩進行張拉，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重要環節，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，有效控制捻制過程中各繩股之間張力的均勻性對鋼絲繩的疲勞壽命有著重要的影響。生產過程中應當盡量避免運輸、貯存、檢驗、吊裝等環節對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引起應力集中，最終成為鋼絲繩的疲勞斷裂源。因此生產過程中注意對鋼絲繩表面的保護有助于提高鋼絲繩的疲勞壽命。

4 電梯工程使用中的相關因素

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。于克勇認為不正確的安裝導致的鋼絲繩短時損壞占80%以上。不正確的安裝過程容易引起鋼絲繩的過度扭曲和鋼絲繩表面意外損傷。在安裝過程中一定要避免鋼絲繩過度旋轉、焊渣灼傷和機械損傷。曳引鋼絲繩的安裝不當還會引起鋼絲繩的張力不均，造成鋼絲繩與曳引輪槽間應力的增大，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 運行參數

電梯的運行參數包括載重量、運行速度、運行層站、提升高度、梯型等等。尤光輝通過試驗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。載荷力對鋼絲繩直徑磨損率的影響最為顯著，運動頻率次之，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 維護與檢測

對曳引鋼絲繩定期進行有效的維護和檢測有助于提高其疲勞壽命。對鋼絲繩的維護和檢測包括外觀檢測、張力檢測以及缺陷檢測等。外觀檢測包括鋼絲繩的直徑、表面油污、潤滑狀況等的檢測。曳引鋼絲繩安裝后，應定期對鋼絲繩張力進行檢測和調整，使其均勻一致。曳引鋼絲繩張力不均或缺乏潤滑都會使其壽命降低50%。曳引鋼絲繩的缺陷檢測主要是檢測和判定曳引鋼絲繩是否達到報廢標準。目前，檢測技術已經實現對鋼絲繩缺陷的定性、定量無損檢測，但是檢測儀器品種繁多，檢測精度有限，不同儀器檢測的差異較大，國內仍然沒有統一的儀器評價標準以及檢測標準參照體系。

5 結語

電梯曳引鋼絲繩的疲勞壽命與曳引輪和鋼絲繩的結構、材質、制繩工藝、電梯運行參數以及工程安裝與維護等眾多因素有著密切的關系。確定這些影響因素對電梯曳引鋼絲繩疲勞壽命的影響規律，提高曳引鋼絲繩的疲勞壽命，具有重要的研究和工程意義。