電梯用鋼絲繩的特性分析和現(xiàn)場甄別

張小虎 / 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

電梯用鋼絲繩的特性分析和現(xiàn)場甄別

張小虎 / 上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市不斷地向“高”發(fā)展，隨之電梯也向著高層、超高層發(fā)展，因此對電梯用鋼絲繩的要求也越來越高，電梯用鋼絲繩成為保障電梯安全運(yùn)行一個(gè)的重要部件。

依據(jù)GB 8903-2005《電梯用鋼絲繩》，在現(xiàn)場對電梯上使用的鋼絲繩進(jìn)行檢測時(shí)，一般多為目視檢測，主要為外觀檢查。通過手動各種功能開關(guān)的動作試驗(yàn)以及利用游標(biāo)卡尺、鋼直尺、卷尺和塞尺測量，并通過計(jì)算來檢查或試驗(yàn)電梯相關(guān)設(shè)施和零部件設(shè)置的有效性、功能開關(guān)的可靠性，以及各種安全尺寸的符合性。該檢查手段過分依賴于檢測人員的工作經(jīng)驗(yàn)，對于鋼絲繩部分只能有限地觀測其表面損傷或明顯的繩徑變化，而對其內(nèi)部的斷絲、磨損、銹蝕，特別是純金屬學(xué)性質(zhì)引起的性能退化則基本無法察覺。

根據(jù)鋼絲繩使用性能對電梯安全性能的影響，本文對電梯中使用的鋼絲繩從幾個(gè)方面進(jìn)行分析。首先，對電梯用鋼絲繩的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行介紹；其次，對影響鋼絲繩的使用壽命的因素進(jìn)行簡要分析；最后，對電梯用鋼絲繩進(jìn)行現(xiàn)場判定分析。針對多種現(xiàn)場判定情況，給出合理的解決方法，以便延長鋼絲繩的使用壽命，保證乘員的生命安全。

1 電梯用鋼絲繩的相關(guān)參數(shù)

在電梯系統(tǒng)中，轎廂的振動水平是衡量電梯乘坐舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。而電梯的曳引機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)直接影響著電梯的舒適水平。在曳引機(jī)構(gòu)中，鋼絲繩型號的正確選擇是保證電梯平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵，下面對鋼絲繩幾個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行介紹。

1.1 電梯用鋼絲繩的直徑及測量方法

GB 7588-2013 規(guī)定電梯的曳引鋼絲繩根數(shù)不能少于2根，直徑不能小于8 mm，所以常用鋼絲繩的公稱直徑為8 mm、10 mm、12 mm、13 mm以及16 mm。

鋼絲繩直徑的正確測量方法應(yīng)使用帶有寬口的游標(biāo)卡尺來測量，其鉗口的寬度要足以跨越兩個(gè)相鄰的股。

測量應(yīng)在鋼絲繩端頭15 m外的平直部位上進(jìn)行，在相距至少1 m的兩截面上，并在同一截面互相垂直地測取兩個(gè)數(shù)值，取四次測量結(jié)果的平均值，即為鋼絲繩的實(shí)測直徑。

測量位于轎廂最底層的加減速段的鋼絲繩為最好。

1.2 捻距

繩股圍繞繩芯旋轉(zhuǎn)一周所移動的距離稱之為捻距。GB 8903-2005 規(guī)定鋼絲繩的捻距應(yīng)不超過鋼絲繩公稱直徑的6.75倍。

1.3 含油率

天然纖維芯的含油率為10%～15%，人造纖維芯的含油率為4%～10%，獨(dú)立的鋼絲繩芯含油率為0.80%～1.80%，復(fù)合鋼芯根據(jù)復(fù)合芯的不同而不同。

需要注意的是GB 8903-2005 規(guī)定鋼絲繩用的潤滑劑應(yīng)具有防銹性能。在捻股過程中對所有繩股進(jìn)行潤滑，最后合繩時(shí)不能使用潤滑劑。

1.4 伸長率

伸長率：鋼絲繩由于其生產(chǎn)特性、自身結(jié)構(gòu)和材料性能，在使用過程中必然伴隨著變形和伸長。鋼絲繩的伸長有彈性伸長和結(jié)構(gòu)伸長。纖維芯和鋼芯各不同，纖維芯彈性伸長不能大于0.2%，結(jié)構(gòu)伸長不能大于0.6%。鋼芯彈性伸長不能大于0.15%，結(jié)構(gòu)伸長不能大于0.45%。彈性伸長跟平層精度有關(guān)，與緩沖距離無關(guān)；結(jié)構(gòu)伸長可能造成緩沖距離變小，但是一般90 d后就穩(wěn)定不變了。

彈性伸長的大小主要取決于鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及各組成元素的性能（強(qiáng)度、捻距、鋼芯、纖維芯等）。當(dāng)施加載荷消除后，其彈性伸長可以恢復(fù)，這種彈性伸長對鋼絲繩的使用危害不太大，危害最大的是鋼絲繩結(jié)構(gòu)伸長。結(jié)構(gòu)伸長是鋼絲繩中絲與絲、股與股、內(nèi)外層繩之間的間隙及捻制應(yīng)力、直徑、捻距等因素在鋼絲繩受到交變載荷作用下發(fā)生變化產(chǎn)生的。當(dāng)施加載荷消除后該結(jié)構(gòu)伸長不能恢復(fù)，也就是發(fā)生了塑性變形。因此，鋼絲繩結(jié)構(gòu)伸長這一原因?qū)︿摻z繩的使用存在極大的潛在危害，主要反映在鋼絲繩的使用長度發(fā)生變化，不能正常運(yùn)行，造成鋼絲繩需經(jīng)常進(jìn)行長度調(diào)整，尤其在鋼絲繩使用的初級階段情況更嚴(yán)重，30 d內(nèi)有時(shí)需要調(diào)整2～3次。例如，電梯鋼絲繩的結(jié)構(gòu)伸長會影響電梯的停留高度，不能保證電梯轎廂平層的準(zhǔn)確性，既不安全又耽誤時(shí)間。

2 影響鋼絲繩壽命的主要因素

由鋼絲繩構(gòu)成的曳引裝置是電梯運(yùn)行的重要機(jī)構(gòu)，用來承受電梯轎廂的全部重量并對其進(jìn)行曳引。由于鋼絲繩強(qiáng)度高、自重輕、能承受震動載荷；彈性好，能卷繞成盤；極少驟然斷裂、高速下運(yùn)行平穩(wěn)；成本低等優(yōu)點(diǎn)，一直廣泛應(yīng)用于物品的提升、起重、運(yùn)輸系統(tǒng)中。分析影響鋼絲繩使用壽命的各種因素，對正確使用鋼絲繩、延長其使用壽命，提高電梯安全性能，具有重要意義。

2.1 不同種類鋼絲繩的使用壽命

在鋼絲繩的使用過程中，切口是影響鋼絲繩使用壽命的重要因素。而由于鋼絲繩的種類不同，切口對其的影響也不同。圖1、圖2分別表明切口對半圓槽和V形槽這兩種槽口型號鋼絲繩使用壽命的影響情況。

圖1 切口對半圓槽使用壽命影響

如圖1所示，如果不帶切口半圓槽鋼絲繩的壽命為1，那么當(dāng)切口角α= 75°時(shí)，其壽命只有不帶切口半圓槽鋼絲繩壽命的0.3；當(dāng)α= 85°時(shí)，其壽命只有不帶切口半圓槽鋼絲繩壽命的0.2；當(dāng)α=105°時(shí)，其壽命只有不帶切口半圓槽鋼絲繩壽命的0.05。也就是說，切口角越大，鋼絲繩使用壽命越短。

圖2 切口對V形槽使用壽命影響

如果不帶切口半圓槽鋼絲繩的壽命為1，那么當(dāng)γ= 45°的V形槽時(shí)，其壽命只有不帶切口半圓槽鋼絲繩壽命的0.2；當(dāng)α= 42°時(shí)，其壽命只有不帶切口半圓槽鋼絲繩壽命的0.16；當(dāng)α= 35°時(shí)，其壽命只有不帶切口半圓槽鋼絲繩壽命的0.04。

由對圖1、圖2的分析可知，種類不同的鋼絲繩其使用壽命為：半圓槽＞帶切口的半圓槽＞V形槽＞帶切口的V形槽的。

2.2 繩徑比對鋼絲繩使用壽命的影響

繩槽的形狀問題直接影響著接觸面積的大小，即比壓問題，在實(shí)際的使用過程中發(fā)現(xiàn)，不同的繩徑比對鋼絲繩的使用壽命也有重要影響。如圖3所示，比壓越大，鋼絲繩的使用壽命就越短。

圖3 繩徑比對使用壽命的影響

從圖3可以看到，如果r/d= 0.5時(shí)，壽命最大（120%左右）。但是考慮到實(shí)際上鋼絲繩是正公差，所以在應(yīng)用時(shí)，選擇r/d= 0.53。

2.3 檢查與維護(hù)對鋼絲繩使用壽命的影響

在日常使用過程中，定期的檢查與維護(hù)直接影響鋼絲繩的使用壽命，在鋼絲繩上定期涂抹潤滑油，會減小鋼絲繩的使用損耗，也是延長其使用壽命的重要方法，如圖4所示。

圖4 使用潤滑油對鋼絲繩使用壽命影響

由圖4可見，如果有潤滑油的鋼絲繩壽命為100%，那么沒有潤滑油的鋼絲繩的壽命只有50%，有潤滑油的鋼絲繩+使用過程中再潤滑可以達(dá)到150%的使用壽命。

因此，在鋼絲繩型號的選用問題上，根據(jù)自身的使用情況，合理選擇鋼絲繩的種類是提高電梯安全性能的重要保障。而電梯的安裝質(zhì)量、維護(hù)的好壞以及鋼絲繩的潤滑情況等都會影響到鋼絲繩的使用壽命。

3 電梯用鋼絲繩損壞的現(xiàn)場判定

在現(xiàn)場的檢查過程中，主要針對鋼絲繩的直徑、張力差、潤滑以及銹蝕情況等依次進(jìn)行排查。

3.1 直徑檢查

采用專業(yè)的測量儀器，對鋼絲繩的各個(gè)繩股最外側(cè)的直徑進(jìn)行測量。通常以相距1～2 m的兩點(diǎn)進(jìn)行操作，在每點(diǎn)相互垂直方向上分別測量三次，求取測量值的平均值為實(shí)測直徑。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩斷絲時(shí)，就必須使用放大鏡對鋼絲繩單股的一個(gè)捻距內(nèi)斷絲數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后再檢查斷絲部位是分布在整根鋼絲繩，還是個(gè)別地方。注意觀察鋼絲繩斷絲的斷口情況，其斷口呈現(xiàn)杯狀塑性收縮應(yīng)為超載造成的；其斷絲分布在表面，斷口扁平，而且使用年限比較久，這種情況應(yīng)該為磨損斷絲；在鋼絲繩最外層，斷口形狀平齊應(yīng)為疲勞斷絲；在使用環(huán)境特別差的電梯，出現(xiàn)斷口不整齊，呈釬尖狀應(yīng)為銹蝕斷絲；其斷口呈剪切狀，基本上是因受外力影響造成的剪切斷絲。當(dāng)判斷鋼絲繩出現(xiàn)斷絲情況時(shí)，需維保人員及時(shí)更換鋼絲繩。

3.2 張力差檢查

鋼絲繩的張力不均會加速鋼絲繩的磨損情況，電梯用鋼絲繩一般分為有無繩頭彈簧兩種。對于有繩頭彈簧的鋼絲繩，直接用直尺對彈簧的形變程度進(jìn)行測量；而對于沒有繩頭彈簧的鋼絲繩，選擇讓電梯停留在一定高度上，然后將各鋼絲繩拉出一樣的長度，觀看各繩之間的張力差。兩種檢查方法的具體更換指標(biāo)也需通過生產(chǎn)廠家的指標(biāo)確定。

當(dāng)鋼絲繩受力不均勻時(shí)，導(dǎo)致曳引輪各槽比壓不同，有的鋼絲繩在曳引輪槽之間打滑，有的鋼絲繩不打滑。鋼絲繩張緊不均勻，引起各繩槽不均勻磨損，形成各槽的節(jié)圓直徑差，造成運(yùn)行不平穩(wěn)，從而帶動轎廂抖動。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各繩之間的張力差不能超過5%。當(dāng)測量結(jié)果超出規(guī)定范圍，則應(yīng)及時(shí)停機(jī)維護(hù)，重新調(diào)整張力差，將轎廂的重量平均分配到每根鋼絲繩上。

3.3 潤滑問題

在電梯定期檢驗(yàn)中，維保人員經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)鋼絲繩表面積聚著一層油污，這是從鋼絲繩內(nèi)滲出的潤滑油和灰塵混在一起形成的。油污的附著不僅影響鋼絲繩的使用壽命，還會改變鋼絲繩在曳引輪槽中的摩擦因數(shù)，降低曳引能力。在轎廂輕載或重載的情況下，可能造成鋼絲繩打滑，導(dǎo)致轎廂沖頂或蹲底。維保人員應(yīng)該在發(fā)現(xiàn)油污時(shí)，及時(shí)對其進(jìn)行清洗并重新進(jìn)行潤滑工作。

通常情況下，新出廠鋼絲繩大部分在生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了潤滑處理，但在使用過程中潤滑油脂會流失減少。鑒于潤滑不僅能夠?qū)︿摻z繩在運(yùn)輸和存儲期間起到防腐保護(hù)作用，而且能夠減少鋼絲繩使用過程中鋼絲之間、繩股之間和鋼絲繩與曳引輪槽之間的磨損，對延長鋼絲繩使用壽命十分有益。因此，為把腐蝕、磨損對鋼絲繩的危害降低到最低程度，進(jìn)行潤滑保養(yǎng)十分必要。

首先，一定要選擇適宜的鋼絲繩潤滑脂。電梯鋼絲繩潤滑脂應(yīng)采用有一定摩擦因數(shù)的專用摩擦脂，高性能的鋼絲繩潤滑脂是維護(hù)鋼絲繩、延長鋼絲繩壽命的根本保障。其次，要采取正確的潤滑方法。通常對鋼絲繩的潤滑保養(yǎng)有幾種方法：一種方法是將鋼絲繩拆卸下來，放在80～100 ℃的潤滑油中浸泡約2～4 h；另一種方法是用刷子將潤滑劑直接刷在鋼絲繩上，關(guān)鍵是涂刷的方法和間隔要掌握好。一般直徑約12 mm的鋼絲繩，每40 m涂刷1 kg左右的潤滑脂，涂刷間隔在14 d左右；第三種方法是使用專用的鋼絲繩潤滑設(shè)備對鋼絲進(jìn)行潤滑，這種方法簡易但成本高。具體采用哪種潤滑劑及潤滑方法應(yīng)按鋼絲繩制造廠的規(guī)定要求進(jìn)行。

4）銹蝕問題

鋼絲繩的銹蝕是指其金屬表面受周圍化學(xué)、電化學(xué)介質(zhì)以及其他腐蝕性物質(zhì)的腐蝕而產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象。鋼絲繩在使用過程中的銹蝕現(xiàn)象非常普遍，鋼絲繩外部銹蝕容易被觀察發(fā)現(xiàn)，而內(nèi)部銹蝕則較難檢測和評價(jià)。在有些使用場合，銹蝕對鋼絲繩機(jī)械性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過斷絲和磨損的影響。

鋼絲繩一旦被腐蝕，導(dǎo)致有效面積減少，承受沖擊載荷能力降低，使磨損速度加快，使用壽命將大大縮短。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)鋼絲繩銹蝕嚴(yán)重，或點(diǎn)蝕麻坑形成溝紋，或用錘敲打發(fā)現(xiàn)外層鋼絲松動時(shí)，不論斷絲數(shù)多少或繩徑是否變化，必須立即更換鋼絲繩。當(dāng)鋼絲繩內(nèi)部生銹及繩芯無油時(shí)，則外觀會出現(xiàn)“紅油”，此時(shí)應(yīng)剁開鋼絲繩繩頭部位，檢查鋼絲繩內(nèi)部情況，若為內(nèi)部腐蝕導(dǎo)致，則需及時(shí)更換鋼絲繩。

鋼絲繩是保證電梯安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素，在日常管理中，除了對電梯鋼絲繩進(jìn)行檢查外，也要重視電梯鋼絲繩的維護(hù)管理，定期對鋼絲繩進(jìn)行除銹、繩面防腐劑涂抹等工作，延長鋼絲繩的使用壽命。

4 結(jié)語

鋼絲繩作為電梯的重要曳引裝置，承受著電梯轎廂的全部重量，同時(shí)依靠槽輪摩擦力來對轎廂升降進(jìn)行驅(qū)動，鋼絲繩的質(zhì)量可以說是確保電梯使用安全的關(guān)鍵因素。從使用經(jīng)驗(yàn)上來看，電梯鋼絲繩損害主要由于長時(shí)間工作的磨損、銹蝕、彎曲疲勞以及外傷形成的。因此，在電梯安裝前和日常的使用過程中，對鋼絲繩的檢驗(yàn)工作是十分重要的。在電梯的日常維護(hù)檢查中，始終保留完整詳細(xì)的記錄。將使用前和使用中的測量數(shù)據(jù)、表面情況、以及提升過程中發(fā)生的變化進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便從中找出鋼絲異常變化的原因，掌握鋼絲繩強(qiáng)度變化情況，完善鋼絲繩的使用環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、處理問題，延長鋼絲繩的使用壽命，從而確保電梯在安裝及使用過程中的安全。

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