某电梯钢丝绳断裂失效分析

邱康勇, 吴继权, 丁二喜

(深圳市特种设备安全检验研究院, 深圳 518029)

某电梯钢丝绳断裂失效分析

邱康勇, 吴继权, 丁二喜

(深圳市特种设备安全检验研究院, 深圳 518029)

某小区电梯在空载运行时钢丝绳发生断裂，导致电梯突然停止运行。通过现场勘查、宏观观察、化学成分分析、破断拉伸试验、扫描电镜分析的方法，对钢丝绳的断裂原因进行了分析。结果表明：钢丝绳起裂源位于钢丝心部，断裂性质为一次性韧性断裂，断裂是由单根钢丝绳过载造成的。

电梯；钢丝绳；韧性断裂；过载

钢丝绳作为电梯最主要的安全部件之一，其质量直接关系到电梯的安全运行及人们的生命财产安全。某小区电梯在空载运行时突然停止运行，经维保人员检查发现轿厢停在7楼与8楼之间的位置，其中一根钢丝绳发生断裂，断绳一端卡在对重上。为了查明该电梯钢丝绳断裂失效的原因，防止类似事故再发生，笔者对其进行了一系列理化检验和分析。

1 理化检验

1.1 现场勘察

该电梯投入使用时间2 a(年)多，业主入住数量不到一半。据业主代表反映，电梯使用频率不高。钢丝绳的制造标准为GB 8903-2005《电梯用钢丝绳》，其中的非强制内容与钢丝绳制造商协商确定。钢丝绳规格型号为8×19S+NF-φ8 mm，右交互捻，最小破断载荷为33.5 kN，外层钢丝强度等级为1 620 MPa，内层钢丝和中心丝强度等级为1 770 MPa。钢丝的原材料如下：外层钢丝为60优质钢，内层钢丝为45优质钢，中心钢丝为60优质钢，钢丝原材料均执行GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》。

如图1所示，电梯曳引轮上共有6根钢丝绳，右侧3根是新绳，左侧3根为旧绳。断裂钢丝绳原本位于曳引轮最右侧，维保人员已将断裂钢丝绳换下，另外两根未发生断裂的钢丝绳也一起被更换为新的钢丝绳，剩下靠左侧的3根钢丝绳未更换。

图1 钢丝绳分布情况Fig.1 Distribution of the steel wire ropes

1.2 宏观观察

对断裂的钢丝绳进行宏观观察，钢丝绳断口形貌如图2所示，钢丝绳断口本为松散状，用手握紧后断口面基本平齐。钢丝绳表面状况如图3所示，表面附有大量黑色油垢，钢丝绳表面钢丝局部有轻微的磨损现象。对钢丝绳直径进行测量，结果为7.98～8.15 mm，尚未达到钢丝绳报废尺寸。在钢丝绳断口附近进行观察，钢丝绳表面没有发现断丝现象[1]。

图2 钢丝绳断口形貌Fig.2 Fracture morphology of the steel wire rope

图3 钢丝绳表面状况Fig.3 Surface condition of the steel wire rope

1.3 化学成分分析

在断裂钢丝绳上取一小段解散，将外层、内层及中心钢丝分开，清洁表面污垢，然后采用电感耦合等离子体发射光谱仪和碳硫分析仪进行化学成分分析。钢丝的化学成分分析结果见表1，可见所有钢丝均符合GB/T 699-2015的技术要求。

1.4 破断拉伸试验

从断裂钢丝绳上取样进行破断拉伸试验，以检验材料的力学性能是否满足相关技术标准要求[2]。

表1 钢丝化学成分分析结果(质量分数)

钢丝绳强度等级为非标等级，由客户与制造商商定，强度等级要求为最大破断力≥33.5 kN。试验结果显示钢丝绳的破断力为35.50，35.73，34.43 kN，可见结果符合该型号钢丝绳的强度等级要求。

1.5 扫描电镜分析

将钢丝绳断口切取下来，清洗干净后置于扫描电镜内进行观察。图4为断口的低倍形貌，可见断口平齐，其中部分钢丝局部有挤压、磨损等损伤[3]。图5为钢丝的正断断口形貌，可见断口有明显缩颈现象，断头呈锥形，为典型的拉伸断裂形貌。钢丝的断裂源位于钢丝心部，最外侧为最终断裂区。图6为钢丝中心部位的放大形貌，可见断口表面有大量的等轴韧窝，且韧窝周围伴生二次裂纹[4]。由图7～9可见部分钢丝受到不同程度的挤压、磨损等损伤，断裂源均位于钢丝的心部，外侧为最终断裂区，表明钢丝断裂的主要原因与钢丝局部受到损伤无直接关系[5]。断裂钢丝中心部位局部放大形貌可见韧窝边缘清晰，棱角分明，表明其为新鲜断口，是由于受到轴向拉应力而造成的断裂。

图4 钢丝断口低倍形貌Fig.4 Fracture morphology of the steel wire at low magnification

图5 钢丝正断断口形貌Fig.5 Traction fracture morphology of the steel wire

图6 钢丝断口中心部位形貌Fig.6 Morphology of the fracture center of the steel wire

图7 受挤压钢丝断口形貌Fig.7 Fracture morphology of the extruded steel wire

图8 受磨损钢丝断口形貌Fig.8 Fracture morphology of the worn steel wire

图9 受挤压及磨损钢丝断口形貌Fig.9 Fracture morphology of the steel wire under extrusion and wear

2 分析与讨论

钢丝绳材料的化学成分符合标准技术要求，破断拉伸试验结果也符合该型号钢丝绳的强度等级要求。经宏观检查发现，钢丝绳表面钢丝局部有轻微的磨损现象，但尚未达到钢丝绳报废尺寸，钢丝绳断口附近也没有发现断丝现象。经扫描电镜分析，钢丝绳断口以杯状断口为主，并且多股钢丝断口基本平齐。钢丝断裂源位于钢丝心部，表面局部受到轻微的挤压、磨损，但与钢丝绳断裂无直接关系。断裂钢丝中心部位局部放大形貌可见韧窝边缘清晰，棱角分明，表明其为新鲜断口，是由于受到轴向拉应力而造成的断裂。

电梯正常运行时，曳引轮上6根钢丝绳受力分布均匀。由于钢丝绳断裂后断绳一端卡在对重上，由此可推断，钢丝绳在运行过程中可能是由于单根钢丝绳脱离绳槽或有异物进入绳与绳槽之间，导致钢丝绳局部被卡住。同时电梯继续运行，此时钢丝绳由原来6根均匀受力变成单根受力，被卡住的钢丝绳另一头继续被拉拔，当载荷超过钢丝绳的最大许用应力时，该钢丝绳发生一次性过载断裂。

3 结论及建议

该钢丝绳的断裂性质为一次性韧性断裂，断裂是由单根钢丝绳过载造成的。

建议定期对电梯钢丝绳进行检查，发现问题并采取措施，保证电梯安全运行；对整个小区电梯钢丝绳的受力均匀情况及钢丝绳定位情况进行排查，预防类似情况再次发生。

[1] 孙智,江利,应鹏展,等.失效分析基础与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2] 石德珂,金志浩.材料力学性能[M].西安:西安交通大学出版社,1999.

[3] 蔡泽高,刘以宽,王承忠,等.金属磨损与断裂[M].上海:上海交通大学出版社,1985.

[4] 倪忠进.钢丝绳力学特性及失效机理研究[D].昆明:昆明理工大学,2008.

[5] 张栋,钟培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004.

Failure Analysis on Fracture of Steel Wire Ropes of an Elevator

QIU Kangyong, WU Jiquan, DING Erxi

(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test, Shenzhen 518029, China)

The steel wire ropes of the elevator in a housing estate fractured during no-load operation, which led to a sudden stop running of the elevator. Through the site investigation, macroscopic observation, chemical composition analysis, breaking tensile testing and scanning electron microscope analysis, the fracture reasons of steel wire ropes were analyzed. The results show that: the crack source of the steel wire rope was located in the core of the steel wire rope; the fracture mechanism was one-time ductile fracture; the fracture was caused by the overload of single steel wire rope.

elevator; steel wire rope; ductile fracture; overload

质量控制与失效分析

10.11973/lhjy-wl201705017

2016-07-21

邱康勇(1987-)，男，工程师，学士，主要从事金属材料的理化检验及机械零件失效分析工作，295717869@qq.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)05-0375-03