曳引驅動電梯對重反繩輪軸斷裂失效原因分析

盧咸定，周葉平，蘭清生，汪有韜

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院，南昌 330052）

根據2021年全國特種設備安全狀況的通告：截至2021年年底，全國在用電梯達879.98萬臺，其中至少60%（約528萬臺）的電梯為曳引驅動電梯，曳引驅動電梯是靠曳引輪與懸掛轎廂與對重的鋼絲繩的摩擦力，通過電機帶動曳引輪轉動使人們乘坐的轎廂上下移動。電梯對重是電梯曳引系統的一個組成部分，其作用是平衡轎廂的重量[1-2]。位于轎廂的另一邊，通過曳引鋼絲繩連接到轎頂上。對重在電梯曳引系統起到節能作用，因為在配重前理論計算使電梯載重最優化。對重主要由對重架、對重鐵、對重反繩輪、輪軸、輪軸卡板、橫板、防塵罩及防跳繩裝置等組成，如圖1所示，對重反繩輪通過輪軸固定在對重架的橫板上，輪軸與對重反繩輪間共有2個滾動軸承相連接，通過輪軸卡板頂住輪軸卡槽防止輪軸在橫板的軸孔上旋轉，輪槽卡板用2個螺栓固定在橫板上[3-4]。

由圖1的結構可知，對重反繩輪軸一旦斷裂，曳引鋼絲繩將從對重架中脫落，導致轎廂發生墜落的風險，可見對重反繩輪軸是電梯安全運行重要的部件，本文從一起電梯對重反繩輪軸斷裂失效的案列出發，通過宏觀分析、硬度測試、金相檢測和掃描電鏡（SEM）等手段分析其斷裂原因，提出相應的預防措施。

圖1 對重反繩輪軸結構圖

1 故障概況

故障情況：2021年8月16日某小區20#樓1名乘客從29層進入該電梯（曳引驅動乘客電梯），預備乘電梯至1樓，當電梯運行至8樓時轎廂快速墜落，限速器動作，觸發安全鉗動作，電梯轎廂制停在4—5樓之間，可推測電梯運行至8樓時對重反繩輪軸（以下簡稱“反繩輪軸”）突然斷裂，導致未脫槽的鋼絲繩從反繩輪中脫出，轎廂與對重失去連接，轎廂和對重同時往下墜落。該乘客被關在電梯轎廂中，所幸乘客沒有受到傷害。故障發生后，將反繩輪軸拆卸下來進行了詳細的故障分析。

2 故障現場勘查

經查閱該電梯制造廠家提供的資料及現場確認：反繩輪軸所用材料為正火態45#鋼，硬度要求HB156-228（相當于HV165～240）。鋼絲繩硬度參考指標為HV460～490、抗拉強度大于等于1770 N/mm2、破斷力大于等于33.2 kN。掛板原材料為Q235，硬度參考指標為HB120～180（相當于HV125～190）。現場進行勘查時發現，反繩輪傾斜且輪軸斷裂，如圖2（a）所示，對重框變形、部分對重塊脫落；對重緩沖器和對重防護欄被壓壞，補償鏈被對重塊壓住，如圖2（b）所示。

圖2 反繩輪軸斷裂后現場照片

圖3為反繩輪輪軸的宏觀照片。圖3（a）為未斷側輪軸的側面圖，經過測量輪軸外表面到軸根部的長度為41.3 mm。圖3（b）為斷側輪軸的正面圖，可看出2部分斷口重合性良好，經過測量輪軸外表面到軸根部的長度為32.1 mm。比較圖3（a）中未斷側輪軸的長度和圖3（b）斷側輪軸的長度可知，相差9.2mm，稍大于鋼絲繩直徑8mm。圖3（c）為斷側輪軸的側面圖，可看出2部分斷口重合性不是很好，這是凹槽內邊緣嚴重變形導致的，去除這部分變形2部分斷口實際上重合性也挺好[5-7]。圖3（d）為斷側輪軸底部的側面圖，可看到輪軸表面上存在一點點磨光的痕跡，但邊緣輪廓立體、清晰完整。圖3（e）為鋼絲繩磨穿輪軸的痕跡，為了比對輪軸上的磨損痕跡和掛板上的磨損痕跡是否對得上，只能把掛板反著放去觀察，從磨損的痕跡上看是吻合的，若把掛板正著放的話磨痕會更吻合。圖3（f）為遠離反繩輪的輪軸外側斷口，從中也可看到疲勞斷裂特征，疲勞源靠近凹槽表面，在斷口稍高區域也可看到鋼絲繩的磨損痕跡[5]。

圖3 反繩輪輪軸的宏觀照片

3 試驗結果與分析

3.1 反繩輪輪軸金相組織分析

圖4為反繩輪輪軸的金相組織照片。由圖4可知反繩輪輪軸的金相組織為鐵素體+珠光體。

圖4 反繩輪輪軸金相組織照片

圖5 為反繩輪輪軸的金相組織SEM形貌照片，從圖5中可清晰看出珠光體的層片狀結構。

圖5 反繩輪輪軸金相組織SEM形貌照片

3.2 反繩輪輪軸成分分析

圖6為反繩輪輪軸的能譜成分分析結果。由圖6可知，其能譜分析只檢測到Fe元素，未檢測到其他雜質元素。表1為反繩輪輪軸的碳硫分析結果，可知其碳含量為0.49%，在45#鋼碳含量（0.42%～0.50%）范圍內。

圖6 反繩輪輪軸能譜成分分析結果

表1 反繩輪輪軸碳硫分析結果

3.3 反繩輪輪軸顯微硬度分析

表2為反繩輪輪軸的顯微硬度測試結果，其顯微維氏硬度為175HV0.5，符合其硬度要求HB156～228（相當于HV165～240），但有點偏下限。

表2 反繩輪輪軸顯微硬度測試結果

3.4 反繩輪輪軸斷口分析

圖7為鋼絲繩與反繩輪輪軸斷口的摩擦形貌照片。圖7（a）為圖3（f）中標注的鋼絲繩磨損痕跡的形貌照片，可看出磨痕形貌與鋼絲繩的形狀吻合得很好。圖7（b）為圖7（a）中圓圈區域放大的形貌，可看出磨痕梨溝區域光滑平整，這是鋼絲繩與輪軸嚴重磨損導致的。圖7（c）為輪軸底部邊緣區域磨損痕跡的形貌照片，可看出2個方向上的磨痕，一種是繞輪軸圓周方向的磨痕，這個是鋼絲繩與輪軸磨損時留下的。

圖7 鋼絲繩與反繩輪輪軸斷口的摩擦形貌照片

4 結論及預防措施

（1）試驗結果表明反繩輪輪軸的材質、金相組織和硬度均滿足要求。

（2）反繩輪輪軸斷口中有疲勞和磨損的特征，其斷裂主要是由使用過程中造成的疲勞和鋼絲繩對輪軸磨損共同導致。

（3）該電梯發生故障的原因是鋼絲繩從反繩輪中脫槽，鋼絲繩繞著反繩輪軸一直摩擦運行，最終導致了反繩輪軸的疲勞斷裂。

（4）反繩輪輪軸在電梯日常維護保養過程中應重點檢查鋼絲繩是否存在反繩輪脫槽現象，反繩輪防脫槽裝置是否有效。