基于电梯钢丝绳磨损与张力偏差的研究

基于电梯钢丝绳磨损与张力偏差的研究

叶陈

浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310000

摘要：国内外对钢丝绳磨损与张力偏差之间的关系研究较多，但均未能提供有效的检测方法。目前，许多学者采用静态测量的方法进行张力偏差分析。该方法虽然能反映钢丝绳磨损与张力偏差之间的关系，但在动态条件下不能清晰地表达二者之间的关系，不能推广应用。基于此，本文主要对基于电梯钢丝绳磨损与张力偏差进行分析探讨。

关键词：电梯钢丝绳；磨损；张力偏差

前言

钢丝绳是机械中常用的一种柔性传力元件。它被几根线绞成几股，然后被几股线绞成几根绳子。中心还有一个由纤维或金属制成的芯，用来保持钢丝绳的截面形状和储存润滑油。在机械使用过程中，钢丝绳的磨损是最常见的问题。电梯钢丝绳的磨损也是困扰人们使用电梯的一大难题。

1、钢丝绳的磨损分析

一般钢丝绳都是圆形股钢丝绳，而且按绳中钢丝接触的状态分为点接触钢丝绳、线接触钢丝绳和面接触钢丝绳。线接触由于挠性好，使用寿命长，在电梯中得到了广泛应用。钢丝绳的磨损包括钢丝绳表面、股与股之间、丝与丝之间的磨损。钢丝绳的机械磨损主要为外部均匀磨损、变形磨损和内部磨损3种。

（1）外部均匀磨损。指的是钢丝绳与曳引轮槽之间的磨损。现代摩擦学一般将磨损的机理分为四大类，磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。根据电梯曳引磨损的实际工况分析，主要是磨粒磨损与疲劳磨损。影响磨粒磨损的主要因素是材料的硬度以及材料与磨料的相对硬度。通常来说，材料的硬度越高，耐磨性能就越好。磨料硬度与试件材料硬度H之间的相对值对磨粒磨损的影响具有一定规律，当磨料（滑轮）硬度低于试件（钢丝绳）材料硬度时，仅产生轻微磨损，当磨料（滑轮）超过材料（钢丝绳）硬度后,磨损迅速增加。

影响钢丝绳表面疲劳的主要因素是接触表面摩擦力、材料性能和润滑剂的物理与化学作用。接触表面摩擦力越大，会增加裂纹萌生的可能性，从而促进接触疲劳过程。钢丝绳与曳引轮之间可视为滚动摩擦，而它们之间出现的滑动摩擦会显著降低疲劳磨损寿命。通常增加材料的硬度可以提高抗疲劳磨损能力。但硬度过高的话，材料脆性增加，反而会降低接触疲劳寿命。实验表明，增加润滑油的粘度将提高抗接触疲劳能力，而润滑剂中含氧和水分将剧烈地降低接触疲劳寿命。在特殊的场合比如化工厂中，由于环境中酸、碱、盐等介质含量比较高，金属表面容易与之发生化学反应或电化学反应而形成腐蚀磨损，腐蚀磨损的现象显著，腐蚀磨损的磨屑成颗粒状和丝状。

（2）变形磨损。是指电梯钢丝绳在某一段内的局部磨损，由于电梯钢丝绳和绳轮经常发生慢性移位或电梯钢丝绳在绳轮上剧烈振动、冲击使电梯钢丝绳局部挤压变形，虽然电梯钢丝截面积并未减小，但局部挤压处的钢丝材质已受损，容易断丝。

（3）内部磨损。由于电梯钢丝绳经常弯曲，股中钢丝问产生相对移位，股与股之间接触压力增大，使相邻股问的钢丝产生局部压痕，时间一长会因应力集中而折断。

2、基于电梯钢丝绳磨损与张力偏差的研究

2.1试验原理及设备

2.1.1试验原理

在试验中将加速度传感器固定在钢丝绳上,利用振动采集设备采集钢丝绳在电梯运行时的振动频率,钢丝绳振动频率通过传感器、数据采集分析仪和数据采集线输送到电脑中,计算出钢丝绳振动频率和频率阶数,再通过分析软件计算得到钢丝绳在动态状态下的张力大小。试验测试原理如图1所示。

图1

2.1.2试验设备

试验所需设备包括数据采集仪、加速度传感器、数据采集线、电源电池、索利计算分析软件等。数据采集仪集信号放大和抗滤波于一体,把加速度传感器采集的振动信号转化成电信号输送到电脑中,实现数据的采集。加速度传感器是把感受到的振动信号转换为电信号输出的检测装置[7],数据采集线用于振动信号输出,索力计算分析软件对采集的信号进行处理分析。

试验设备以及各设备的相关参数如表1所示。

表 1 试验设备及其相关参数

2.1.3试验步骤

该试验是通过动态采集信号进行钢丝绳振动频率的采集的,具体试验步骤如下:

1)将加速度传感器固定在钢丝绳端部,并用采集线依次把传感器、信号采集通道、电脑进行连接。

2)依次开启电脑和数据采集仪,进行信号采集前的预处理,如设置采集参数以及试验试波等。

3)开启电梯进行信号采集,采集钢丝绳在运行全过程中的振动频率,并对采集数据进行信号的提取分析、处理,进而得到其振动频率。

4)把步骤3)所得的振动频率代入索力计算中,即可得到钢丝绳所受实际张力大小。

5)重复步骤3)和步骤4),进行多次试验并求取平均值,即可得钢丝绳张力的均值,并把试验数据进行整理分析。

6)依次关闭和整理仪器。

试验中主要是对钢丝绳磨损量与其所受张力偏差之间的关系进行试验研究的,因此,试验对不同磨损量下的钢丝绳振动频率、张力进行测试。

2.2试验结果与分析

为了验证所提出方法是否可行,进行了大量的现场试验,并且在试验中搭建了试验平台。由于试验条件的有限性,该试验是在同一台电梯钢丝绳磨损前后两个过程中完成试验测试的。为了避免试验的随机性,试验进行了多次重复,剔除误差较大的试验数据。若试验值与理论值的误差在理想的范围内,即说明该方法的可行性。

1)随着钢丝绳的磨损量增加,钢丝绳的张力偏差在增加,符合实际变化规律。

2)试验偏差与理论偏差的最大误差为2.54%,在合理的范围内,从而证明该方法的可行性。

3)试验数据普遍小于理论值,是由于试验过程中未考虑抗弯曲所受的张力作用。

3、减小钢丝绳磨损的方法

（1）减少电梯钢丝绳与曳引轮的相对滑动。在常规电梯中，钢丝绳是与曳引轮配合运行的，一般要求与曳引轮接触的钢丝绳外层钢丝硬度要低于曳引轮的硬度，以牺牲钢丝绳为代价，保证曳引轮的运行和使用寿命。曳引轮一般用灰口铁或铸钢制造，其硬度HRC50～55，要求钢丝绳的外层钢丝不能等同或超过这一硬度。所以选取硬度比曳引轮略小的钢丝绳可以有效减小钢丝绳的磨粒磨损。对于钢丝绳的疲劳磨损来说，应该考虑在保证曳引力的同时减小摩擦力，因此选择好的绳槽形状，使钢丝绳在绳槽上有良好的接触，减小摩擦，能减少磨损延长使用寿命。

（2）调整钢丝绳张力。电梯通常采用多根钢丝绳连接轿厢与对重，各绳张力如果差值过大的话，会大大增加钢丝绳与曳引轮之间的摩擦磨损，所以在安装之后及日常保养中定期测量钢丝绳的张力，各钢丝绳之问的差值不应超过5％。对于电梯钢丝绳张力不均问题而言，可从两个阶段入手来予以解决，第一个阶段是在电梯的安装验收阶段予以解决；第二阶段则是在电梯运行一段时间之后再予以解决。如果电梯属于新安装，那么对电梯钢丝绳张力应该基于验收的角度来予以控制，通过“检测→调整→检测→调整→检测→……”的方法来合理控制电梯钢丝绳的张力程度，务必要达到“曳引绳的平均值与张力的偏差不低于5%”的要求。如果电梯属于已经运行了一段时间，那么钢丝绳张力的调整及检测应该在运行一年内完成，主要原因在于：根据多年的检测检验来看，钢丝绳结构最大伸长阶段往往是在电梯投入运行1年左右，对于钢丝绳张力不均情况予以及时发现，并且予以适时调整，往往会直接影响到轮槽、钢丝绳的使用寿命。值得注意的是，在对钢丝绳进行更换时，即便其他的钢丝绳还可使用，还没有达到报废条件，但是也应该予以全部更换。

4、结论

随着电梯的频繁使用以及安装上的误差,导致钢丝绳在使用中出现磨损不均,从而产生磨损张力偏差。该文对电梯钢丝绳磨损量与张力偏差之间的关系进行了研究,即通过测量钢丝绳在磨损后的振动频率进而得出张力偏差。试验结果证明该方法的可行性,为电梯检测人员进行安全检测提供新的技术方法。

参考文献：

［1］朱德文.电梯安全和应用［M］.北京：中国电力出版社，2013.

［2］曹祥.电梯安装与维修实用技术［M］.北京：电子工业出版社，2012