電梯曳引鋼絲繩磨損因素分析
作者： admin 編輯： admin 來(lái)源：admin 發(fā)布日期：2022-07-12 14:13
信息摘要：
前言 隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，曳引式電梯的數(shù)量也越來(lái)越多，相應(yīng)的電梯曳引鋼絲繩的使用也越來(lái)越廣泛。牽引鋼絲繩作為電梯牽引系統(tǒng)的主要傳動(dòng)部件之一，其安全性在很大程度
前言
隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，曳引式電梯的數(shù)量也越來(lái)越多，相應(yīng)的電梯曳引鋼絲繩的使用也越來(lái)越廣泛。牽引鋼絲繩作為電梯牽引系統(tǒng)的主要傳動(dòng)部件之一，其安全性在很大程度上影響著整個(gè)電梯的安全運(yùn)行。特別是鋼絲繩斷絲、斷股對(duì)使用中的電梯造成很大的安全隱患，威脅著用戶(hù)和乘客的人身、財(cái)產(chǎn)安全。
1、電梯鋼絲繩結(jié)構(gòu)
鋼絲繩由鋼絲、繩股及繩芯組成，如圖1所示。我國(guó)常用的電梯曳引鋼絲繩8×19S+NF截面如圖2所示。
圖 1 鋼絲繩結(jié)構(gòu) 圖 2 8 × 19S + NF 鋼絲繩截面
鋼絲是鋼絲繩的基本強(qiáng)度單元，一般經(jīng)過(guò)多道次冷拔、淬火等金屬加工工藝處理，要求有較高的強(qiáng)度和韌性。一般來(lái)說(shuō)，鋼絲直徑越粗，耐腐蝕性能和耐磨損性能越強(qiáng);鋼絲直徑越細(xì)，柔軟性能越好。繩股是由鋼絲捻制而成的，相同直徑與結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，股數(shù)多的抗疲勞強(qiáng)度就高。電梯用鋼絲繩的股數(shù)多是8股。繩芯是被繩股所纏繞的撓性芯棒，起支撐固定繩股的作用，分為纖維繩芯和金屬繩芯2種。電梯用鋼絲繩的繩芯有纖維芯、鋼芯和混合鋼芯。按照繩股中鋼絲的配置方式，鋼絲繩可分為西魯式、瓦林吞式、填充式3種，其中西魯式是電梯鋼絲繩中最常用的繩股結(jié)構(gòu)。
2、鋼絲繩磨損分析
2.1鋼絲繩與輪槽接觸磨損分析
鋼絲繩與曳引輪輪槽接觸時(shí)，每個(gè)接觸點(diǎn)都會(huì)承受相應(yīng)的接觸應(yīng)力。在曳引機(jī)工作過(guò)程中，特別是啟停階段，鋼絲繩相對(duì)曳引輪槽產(chǎn)生微位移。因此，在接觸應(yīng)力作用下，輪槽對(duì)鋼絲繩存在微動(dòng)切削磨損、粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等多重復(fù)雜的磨損形式。根據(jù)N.B.克拉蓋爾斯基的固體磨損理論，鋼絲繩磨損厚度h與摩擦行程l相比的相對(duì)磨損量I為：
式中，K2為表面單位不平度系數(shù)；FN為鋼絲繩與繩槽接觸壓力；a’為重疊系數(shù)；v為支承曲線參數(shù)，取值2；△為粗糙度綜合系數(shù)；E0為當(dāng)量彈性模量，與相互接觸的兩種材料的彈性模量有關(guān)；k為系數(shù)，取值5；ty為摩擦疲勞曲線參數(shù)；fM為摩擦系數(shù)分子分量；0為鋼絲一次拉伸破壞應(yīng)力；Kty為疲勞特性系數(shù)。確定8×19S為鋼絲繩的結(jié)構(gòu)，其材料性能參數(shù)基本確定，而曳引輪的相應(yīng)參數(shù)也是確定的。因此，在忽略潤(rùn)滑劑及環(huán)境污物影響的前提下，決定鋼絲繩與金屬塊之間磨損的條件為外摩擦條件，即鋼絲繩與曳引輪輪槽的接觸壓力。由式（3）可知，鋼絲繩與輪槽之間接觸壓力的影響因素為鋼絲繩半徑和張力，而鋼絲繩直線段的張力主要取決于轎廂自重和負(fù)載，以及對(duì)重質(zhì)量。綜上所述，在忽略環(huán)境、潤(rùn)滑及油污等條件下，磨損的影響因素主要有：外摩擦條件（FN）、磨損材料的機(jī)械性能（ty、0、E0）、接觸表面幾何參數(shù)（△、v）和摩擦特性fM。
2.2鋼絲繩內(nèi)部磨損分析
2.2.1鋼絲內(nèi)部磨損損傷參數(shù)
曳引鋼絲繩在實(shí)際工作過(guò)程中，鋼絲繩的受力狀態(tài)可分為直線段、過(guò)渡段和彎曲段三部分，其中過(guò)渡段是直線段變化為彎曲段或彎曲段變化為直線段的瞬間鋼絲繩所處的狀態(tài)，如圖3所示。
圖 3 鋼絲繩所處狀態(tài)示意圖
電梯正常運(yùn)行時(shí)，彎曲段鋼絲繩的曲率保持不變，且鋼絲間不產(chǎn)生相對(duì)位移。因此，直線段和過(guò)渡段鋼絲繩的內(nèi)部鋼絲的微動(dòng)磨損較為明顯。曳引鋼絲繩在曳引輪由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩所受張力增加，繩環(huán)張緊。在此過(guò)程中，股內(nèi)鋼絲由于變形量的差異會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，因此，鋼絲繩在直線段發(fā)生內(nèi)部磨損。同理，在曳引機(jī)抱閘曳引輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩松弛，此過(guò)程同樣有內(nèi)部磨損的產(chǎn)生。將股內(nèi)鋼絲簡(jiǎn)化成接觸角為0的兩個(gè)彎曲圓柱體，如圖4所示。
圖4，鋼絲簡(jiǎn)化模型
在直線段，鋼絲1受到軸向拉力T01時(shí)，則鋼絲間的錯(cuò)動(dòng)距離為：
式中，S01、S02為鋼絲1、2的變形量（m）；1、2為單根鋼絲上兩個(gè)磨損點(diǎn)之間的長(zhǎng)度（mm）；A0為鋼絲截面積（mm2）。在過(guò)渡段，將鋼絲繩的中心軸線看做中性軸，繩股在半個(gè)捻距內(nèi)，鋼絲間的錯(cuò)動(dòng)距離為：
式中，Ti為鋼絲的捻距（mm）；Ra為曳引輪半徑（mm）；R0為鋼絲繩截面的半徑（mm）。曳引電梯工作過(guò)程中，鋼絲繩會(huì)發(fā)生微小震動(dòng)，直線段內(nèi)鋼絲發(fā)生磨損的微動(dòng)速度為：
在過(guò)渡段，鋼絲磨損的微動(dòng)速度為：
式中，v0為直線段鋼絲微動(dòng)速度(m/s)；△Ss為單個(gè)磨損點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)距離(m)；T、f為鋼絲繩的震動(dòng)周期和振動(dòng)頻率。
分析可知，鋼絲在過(guò)渡段的微動(dòng)速度與曳引輪轉(zhuǎn)速和半徑有關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)加速度越大，微動(dòng)速度越大。曳引輪半徑越大，微動(dòng)速度越小。
2.2.2鋼絲繩內(nèi)部磨損影響因素分析
由鋼絲之間的接觸關(guān)系來(lái)看，鋼絲繩內(nèi)部磨損較嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)橹行墓蓚?cè)絲與側(cè)股側(cè)絲的接觸點(diǎn)位置，因此，此處只討論鋼芯鋼絲繩的情況，對(duì)于纖維芯鋼絲繩此類(lèi)磨損可以忽略。根據(jù)接觸應(yīng)力、接觸載荷和接觸面積三者之間的關(guān)系，考慮微動(dòng)振幅、接觸載荷和時(shí)間等因素對(duì)鋼絲磨損深度產(chǎn)生的影響時(shí)，可得出內(nèi)部鋼絲磨損深度隨時(shí)間的關(guān)系：
式中，h（t）為經(jīng)時(shí)間t后鋼絲的磨損深度（m）；A′k0為常數(shù)；Fn為鋼絲之間的接觸應(yīng)力（N）；S（t）為經(jīng)時(shí)間t后鋼絲之間的接觸面積；△S為鋼絲間的錯(cuò)動(dòng)距離(m)。
由上式可得鋼絲的磨損深度與鋼絲之間的接觸壓力、磨損時(shí)間和鋼絲間的錯(cuò)動(dòng)距離呈正比，而與磨痕的面積呈反比。隨著磨損時(shí)間的增加，鋼絲磨痕的面積逐漸增減，磨損深度的增長(zhǎng)速率逐漸減小。在直線段，鋼絲之間的接觸壓力與鋼絲繩的張力有關(guān)，鋼絲繩所受張力越大，股內(nèi)鋼絲的磨損深度越大；在過(guò)渡段，鋼絲間的錯(cuò)動(dòng)距離與曳引輪半徑呈反比，鋼絲的磨損深度受鋼絲繩張力及曳引輪工作半徑的共同影響。在電梯正常運(yùn)行時(shí)，曳引輪上兩個(gè)過(guò)渡段區(qū)域鋼絲微動(dòng)磨損的程度較為嚴(yán)重。
3、結(jié)論
（1）曳引輪輪槽上鋼絲繩所受接觸壓力與載荷成正比，與繩徑成反比；
（2）鋼絲繩與曳引輪輪槽接觸磨損的主要內(nèi)因是二者材料的摩擦特性以及表面幾何特性，外因主要是轎廂自重、對(duì)重重量以及實(shí)時(shí)的負(fù)載，另外還受到環(huán)境溫濕度、油污等外部條件的影響；
（3）電梯正常工作中，鋼絲繩內(nèi)部微動(dòng)磨損主要發(fā)生在電梯的啟停過(guò)程，在過(guò)渡段和直線段磨損較為明顯，其中過(guò)渡段磨損相對(duì)嚴(yán)重，且與曳引輪半徑成負(fù)相關(guān)，另外過(guò)渡段的磨損情況還與鋼絲繩所受張力及曳引輪轉(zhuǎn)速成正相關(guān)；
（4）在同等工況下，鋼芯鋼絲繩相比纖維芯鋼絲繩內(nèi)部磨損情況更為嚴(yán)重。
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