劉志凱, 劉燦森, 揭曉華

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院, 廣州 510006)

曳引式驅(qū)動電梯具有價格低、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),成為市場的主力電梯類型。曳引式驅(qū)動電梯的主要系統(tǒng)有:曳引系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、門系統(tǒng)、轎廂、重力平衡系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等[1-2]。安全保護(hù)系統(tǒng)由電梯的各個安全保護(hù)裝置構(gòu)成,用于保障電梯的正常運(yùn)行和人員安全,是電梯重要的系統(tǒng)之一。安全鉗是電梯重要的安全保護(hù)裝置,楔塊是安全鉗的關(guān)鍵零部件。因此,開展電梯安全鉗楔塊的失效分析具有重要的現(xiàn)實意義。

電梯安全鉗的作用是使轎廂停止運(yùn)動,其主要由底座、楔塊、導(dǎo)向塊和導(dǎo)向板等零部件組成。楔塊的材料主要為鑄鐵、45鋼和工具鋼等。鑄鐵楔塊不能承受較大的沖擊載荷,多用于低速瞬時式安全鉗中。通過淬火工藝可以提高45鋼和工具鋼楔塊的表面硬度和耐磨性,可用于中高速漸進(jìn)式安全鉗[3-4]。電梯安全鉗的工作原理為:當(dāng)檢測到電梯限速器轎廂出現(xiàn)上行或下行超速時,將會觸發(fā)夾繩鉗將限速器繩夾住;隨著轎廂的繼續(xù)運(yùn)行,限速器繩會拉動安裝在轎廂橫梁上的連桿機(jī)構(gòu),將轎廂兩側(cè)的安全鉗楔塊同時提起,并緊緊地卡住導(dǎo)軌,從而使超速的轎廂制停[5-6]。

采用電梯安全部件檢測試驗塔對電梯安全鉗進(jìn)行模擬電梯運(yùn)行制動測試,經(jīng)多次制動測試后發(fā)現(xiàn)安全鉗出現(xiàn)制動距離偏大的現(xiàn)象,經(jīng)檢查,發(fā)現(xiàn)安全鉗楔塊工作面存在嚴(yán)重的磨損情況。筆者采用一系列理化檢驗方法研究了安全鉗楔塊的磨損原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1是磨損楔塊的宏觀形貌。由圖1可知:楔塊的工作面發(fā)生了不同程度的磨損,表面有明顯沿著滑動方向的溝槽;楔塊工作面中部的磨損最嚴(yán)重,方塊型的凸起被完全磨平,其周圍原有的凹槽已消失不見;楔塊工作面中部以外的位置磨損程度較輕,原有的方塊型凸起凹槽仍清晰可見,但凹槽中有少量的磨屑,說明磨損主要發(fā)生在楔塊工作面的中部。

1.2 化學(xué)成分分析

用直讀光譜儀對磨損楔塊進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:該磨損楔塊的主要化學(xué)成分滿足GB/T 699—1999 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45鋼的要求。

表1 磨損楔塊的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試

采用維氏顯微硬度計對磨損前后的楔塊進(jìn)行硬度測試,施加載荷為2 N,保壓時間為10 s,分別測量磨損前后楔塊工作面的硬度。從左往右每隔2 mm隨機(jī)測3個點(diǎn),然后取其平均值,測試結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:磨損前楔塊工作面從左往右的硬度分布比較均勻,硬度約為700 HV,磨損楔塊工作面從左往右的硬度呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布規(guī)律,兩端硬度約為700 HV,中間磨損位置的硬度為450～600 HV。

圖2 磨損前后楔塊的硬度測試結(jié)果

1.4 金相檢驗

在磨損前后楔塊的截面處取樣,對試樣進(jìn)行粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕處理,然后將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:磨損前楔塊截面的淬硬層、過渡層和穩(wěn)定層存在明顯分界線,淬硬層和過渡層的總厚度為2.901 mm,淬硬層組織為回火馬氏體,過渡層組織為粒狀珠光體,有大量碳化物成顆粒狀分布在鐵素體上,穩(wěn)定層組織為珠光體+鐵素體;磨損楔塊工作面中部的淬硬層組織為回火索氏體。

圖3 磨損前后楔塊的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電鏡對楔塊磨損表面進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:楔塊磨損表面沿滑動方向出現(xiàn)較多的深犁溝,磨屑發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形,且出現(xiàn)大塊磨屑剝離的現(xiàn)象。

圖4 楔塊磨損表面的SEM形貌

楔塊磨損表面的能譜分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:磨損表面均勻分布著Fe、O等元素。楔塊與導(dǎo)軌之間發(fā)生高速摩擦,產(chǎn)生的高溫使楔塊生成了含有Fe元素的氧化物,最終導(dǎo)致磨損表面存在大量的O元素。

圖5 楔塊磨損表面的能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知:楔塊與導(dǎo)軌之間發(fā)生高速摩擦,產(chǎn)生的高溫使材料發(fā)生過回火效應(yīng),楔塊工作面中部區(qū)域的回火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體,最終導(dǎo)致材料的硬度和耐磨性下降。安全鉗楔塊表面主要發(fā)生了黏著磨損和磨粒磨損現(xiàn)象。犁溝的形成原因是,導(dǎo)軌表面的硬微凸起在楔塊表面劃過,產(chǎn)生了犁削作用。磨屑發(fā)生黏著和剝離的原因是安全鉗制動過程中,楔塊與導(dǎo)軌緊密接觸,兩者表面發(fā)生摩擦副間的相對高速滑動,使材料的溫度升高,導(dǎo)致楔塊與導(dǎo)軌之間發(fā)生黏著現(xiàn)象。隨著楔塊與導(dǎo)軌的相對運(yùn)動,黏附著的磨屑又被剝離,最終導(dǎo)致楔塊發(fā)生磨損。

3 結(jié)論

電梯安全鉗的制動失效原因是楔塊工作面與導(dǎo)軌緊密接觸并發(fā)生了相對高速滑動,導(dǎo)致楔塊工作面發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損和黏著磨損現(xiàn)象。楔塊與導(dǎo)軌劇烈摩擦產(chǎn)生了大量的熱,楔塊工作面中部的溫度升高,產(chǎn)生過回火效應(yīng),使楔塊表層組織由回火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火索氏體,最終導(dǎo)致楔塊的硬度和耐磨性下降。