曳引驅動乘客電梯非金屬對重反繩輪輪軸斷裂斷口形貌分析

汪有韜 周葉平 蘭清生 劉中華 李婷婷

(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)

電梯對重即平衡電梯轎廂重量的系統，是曳引驅動電梯的重要組成部分，其主要作用是減少曳引主機的功率，減少電梯曳引輪或蝸輪上的力矩。近年來隨著電梯數量激增，電梯制造行業的競爭也越來越大，非金屬材質的對重反繩輪在額定速度2 m/s 以下的電梯中得到了廣泛的應用。鑒于非金屬材質反繩輪導致的事故或者故障時有發生，2023 年4 月2 日發布的TSG T7001—2023《電梯監督檢驗和定期檢驗規則》A1.2.5.7 條規定“非金屬材質反繩輪僅適用額定速度不大于1.75 m/s 的電梯；須標識出制造單位名稱、制造日期、維護保養要求和報廢條件；維保單位按照制造單位要求進行維護保養；檢驗各項試驗后不得出現脫槽、輪軸偏轉、固定結構變形等現象”，可見明顯提高了對非金屬反繩輪的檢驗要求。為探究一起曳引驅動乘客電梯因鋼絲繩從非金屬對重反繩輪脫槽后導致輪軸斷裂故障原因，本文通過反繩輪輪軸、輪軸掛板的材質分析及其顯微硬度測試和反繩輪輪軸斷口形貌分析，得出非金屬對重反繩輪輪軸斷裂的主要原因，提出了非金屬對重反繩輪的設計和裝配建議。

1 電梯反繩輪輪軸斷裂現場介紹

2021 年某地一臺曳引驅動乘客電梯在運行過程中對重反繩輪輪軸突然斷裂，導致電梯曳引鋼絲繩從反繩輪中全部脫出，轎廂與對重完全脫離，轎廂與對重同時往電梯井道底坑墜落，電梯轎廂因超速觸發電梯限速器動作后，電梯安全鉗將電梯轎廂制停在導軌上，僅造成對重系統損壞，沒有造成嚴重的事故，對重墜落后現場反繩輪見圖1，反繩輪明顯向一側傾斜。

圖1 墜落現場反繩輪及掛板

2 電梯反繩輪和掛板宏觀形貌分析

圖2（a）為反繩輪的整體宏觀形貌，包括輪軸、尺寸較大的輪外圓圈和尺寸較小的輪內圓圈。圖2（b）為掛板的宏觀照片，掛板表面出現多處磨損痕跡，包括鋼絲繩剛脫落時對反繩輪外圓圈和掛板磨損造成的輕微對磨區域1，反繩輪與掛板之間間隙約為5 mm 小于鋼絲繩直徑8 mm，鋼絲繩緊挨著快速旋轉的反繩輪導致輪外圓圈被磨薄了3 mm，這時反繩輪與掛板之間間隙約8 mm 有利于鋼絲繩進一步向輪軸運動，而掛板只遭到輕微磨損（表面油漆未磨掉），隨后對反繩輪內圓圈和掛板磨損造成對磨區域2（相較于對磨區域1 嚴重）以及反繩輪輪軸斷裂后鋼絲繩對掛板造成很嚴重的不對稱磨損[1]。

圖2 反繩輪和掛板的宏觀圖

圖3（a）為輪軸外側斷口，右下角存在明顯的凹槽，從中可初步看到疲勞斷裂特征（疲勞輝紋）靠近凹槽，也即是疲勞裂紋源，在斷口對面區域也可看到鋼絲繩的磨損痕跡，其他地方看不到明顯的鋼絲繩磨損痕跡。圖3（b）為斷側輪軸底部側面圖，可見輪軸靠近表面上存在被磨光的痕跡，邊緣輪廓立體清晰[2-4]。

圖3 輪軸外側斷口

3 檢測與結果

3.1 反繩輪輪軸斷口形貌分析

圖4 為鋼絲繩與反繩輪輪軸斷口的摩擦形貌掃描電子顯微鏡（SEM）圖。圖4（a）為圖3 中標注的鋼絲繩磨損痕跡的形貌圖，可看出磨痕形貌與鋼絲繩的形狀非常吻合。圖4（b）為圖4（a）中白色方框區域放大的形貌，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4（c）為輪軸底部邊緣區域磨損光亮處痕跡的形貌圖[5]，可看出2 個方向上磨痕，一種是繞輪軸圓周方向鋼絲繩與輪軸磨損的磨痕；另一種是與圖4（a）中磨痕方向一致且較圖4（a）中淺一點的磨痕，這個是在鋼絲繩與輪軸繞圓周磨損之后再發生的第2 次磨損。4（d）為圖4（c）中方框區域放大的形貌，2 個方向上的磨痕較為明顯。

圖4 鋼絲繩與反繩輪輪軸斷口的摩擦形貌照片

圖5 為反繩輪輪軸斷口裂紋源區的SEM 圖。圖5（a）為3 張形貌圖拼接而成的裂紋源處完整的形貌圖，從中可看到圓弧形的疲勞輝紋，疲勞輝紋最中心處即為裂紋源，如圖中標注所示。圖5（b）為圖5（a）中裂紋源放大的形貌，可看出裂紋源處磨損非常嚴重，磨成了光滑平整的平面。圖5（c）、圖5（d）和圖5（e）分別為裂紋源附近的疲勞輝紋逐級放大的形貌圖，可進一步確認這些磨損平面是由于產生裂紋之后受到外部載荷作用產生一張一合的磨損導致的，由此可知反繩輪輪軸斷口具有疲勞斷裂特征[6]。

圖5 反繩輪輪軸斷口裂紋源區的形貌照片

圖6 為反繩輪輪軸斷口裂紋擴展區的形貌圖，從圖中也可見疲勞輝紋和磨損平面。

圖7 為反繩輪輪軸斷口底部邊緣區域的形貌圖，由圖7 可知該部分斷口經過了嚴重磨損且被磨損成非常平整的磨面，這可能是鋼絲繩與反繩輪輪軸反復磨損留下來的磨面，這部分磨面寬度大約為6 mm。

圖7 反繩輪輪軸斷口底部邊緣區的形貌照片

3.2 掛板與反繩輪輪軸成分分析

圖8為掛板的能譜成分分析結果，由圖8 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 為掛板碳硫元素分析結果，可知其碳含量為0.175%，在其材質Q235 鋼碳含量（0.14%～0.22%）范圍內[7]。同理測得反繩輪輪軸碳含量為0.49%，也在其材質45 #鋼碳含量（0.42%～0.50%）范圍內，可見掛板與反繩輪輪軸材質均符合要求。

表1 掛板碳硫分析結果 %

圖8 掛板能譜成分分析結果

3.3 掛板、反繩輪輪軸、鋼絲繩顯微硬度分析

通過隨機拾取5 個測試點計算平均值的方法，使用顯微硬度計測得掛板顯微硬度見表2，其顯微維氏硬度為133.2 HV0.5，符合其硬度要求HB120 ～180(相當于HV125 ～190)。

表2 掛板顯微硬度測試結果

同樣方法測得反繩輪輪軸的顯微硬度，其顯微維氏硬度為175HV0.5，符合其硬度要求HB156 ～228(相當于HV165 ～240)；斷股鋼絲繩的顯微維氏硬度為482.2 HV0.5，滿足其硬度參考指標（HV460 ～490）。可見鋼絲繩硬度最大，掛板硬度最小。

3.4 曳引鋼絲繩磨損分析

圖9 為斷股鋼絲繩磨損圖，從圖9（a）中可看到斷股鋼絲繩呈直徑約為110 mm 的螺旋狀，它的半徑和輪軸的直徑相同，是受拉力繞輪軸運動導致的。圖9（b）為斷股鋼絲繩中間部分局部圖，從中也可看到磨損痕跡，呈亮白色的金屬光澤且反光。

圖9 斷股鋼絲繩磨損照片

4 分析與討論

通過上述檢測試驗可知：掛板、反繩輪輪軸材質和硬度均符合要求，且鋼絲繩硬度是反繩輪輪軸硬度的2.76 倍，是掛板硬度的3.62 倍，鋼絲繩與反繩輪輪軸或掛板接觸摩擦時比較容易對其造成磨損。

反繩輪輪軸存在凹槽加工缺陷，導致應力集中形成疲勞源；見圖10，由于卡位板底部與凹槽接觸區油漆被磨掉，且卡位板側面與疲勞源相對區的油漆也被磨損，說明固定在卡槽的卡位板與凹槽之間存在摩擦，卡位板和卡槽之間的磨損嚴重，造成了反繩輪輪軸凹槽處疲勞源的形成。

圖10 卡位板磨損圖

輪軸斷口下邊緣附近區域有6 mm 寬度的磨損平面，斷股鋼絲繩中間部分表面有磨損痕跡，其斷股處表面磨損更嚴重，呈亮白色的金屬光澤且反光性好，表明鋼絲繩對反繩輪輪軸造成過磨損切削。

反繩輪與掛板之間的間隙小于鋼絲繩的直徑，由于摩擦力的作用使得鋼絲繩容易被反繩輪旋轉帶著一起上下運動，對輪軸造成磨削切割。

從反繩輪掛板和卡位板磨損情況可看出，鋼絲繩與反繩輪輪軸接觸磨損之前，鋼絲繩對掛板的磨損是對稱的。從鋼絲繩繞輪軸圓周方向的磨痕看也是對稱磨損，但從另一個方向上的第2 次磨損痕跡來看時，鋼絲繩與反繩輪輪軸的磨損是不對稱的，表明此時反繩輪輪軸已發生松動傾斜，即將斷裂，從第2 次磨損痕跡可看出鋼絲繩形狀痕跡，表明他們之間只是短暫少數的接觸摩擦。反繩輪輪軸發生傾斜和斷裂后就導致鋼絲繩對掛板的傾斜磨損。

反繩輪輪軸斷口中存在疲勞和磨損特征，且其斷裂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的，其中疲勞裂紋產生時間要早于鋼絲繩對輪軸的磨損，疲勞斷裂是主要原因。

5 結論及建議

綜上，通過對斷裂反繩輪輪軸的斷口形貌分析可知對重反繩輪輪軸斷裂的直接原因是電梯鋼絲繩從對重反繩輪中脫槽導致鋼絲繩對輪軸的磨損，主要原因是疲勞斷裂。通過能譜成分分析和顯微硬度試驗可知斷裂的反繩輪輪軸的材質、顯微硬度和組織成分均滿足要求。曳引鋼絲繩從反繩輪中脫槽后鋼絲繩繞著輪軸一直摩擦運行，最終導致了反繩輪軸的疲勞斷裂。

建議反繩輪輪軸的加工和設計應盡量減少截面的突變形成應力集中；卡位板的安裝應與反繩輪輪軸保留足夠的間隙，避免與反繩輪輪軸形成摩擦；掛板與非金屬反繩輪應留有大于鋼絲繩直徑的間隙；建議電梯生產企業在電梯設計過程中增加電梯反繩輪脫槽檢測裝置的設計。