浅析影响电梯曳引钢丝绳疲劳寿命的因素

钟鸣

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏 苏州 215104）

电梯曳引钢丝绳是电梯的关键部件，曳引钢丝绳的疲劳寿命是电梯正常工作的重要指标。随着电梯提升速度与高度的不断增加，对电梯曳引钢丝绳的要求也越来越高。同时，曳引钢丝绳也成为了引发事故的危险源，在电梯曾经发生的事故当中，很多都与曳引钢丝绳直接相关。曳引钢丝绳在电梯的使用中必定会产生疲劳磨损，其疲劳磨损的潜伏性强、突发性强，产生疲劳磨损的原因又很多。因此，研究影响电梯曳引钢丝绳疲劳寿命的因素具有较强的实际意义，对提高电梯钢丝绳及电梯的使用寿命尤为重要。本文尝试从结构、工艺、工程使用等角度浅析影响电梯曳引钢丝绳疲劳寿命的因素。

1 电梯钢丝绳的疲劳寿命

疲劳寿命指疲劳失效时的应变或应力的循环次数，又称为耐疲劳性。工程中，电梯曳引钢丝绳在多个应力作用下产生疲劳磨损直至报废，定义在报废前所出现的疲劳次数为电梯曳引钢丝绳的疲劳寿命。目前，国标没有给出钢丝绳更换的时间规定，实际工程中一般按照经验5年更换钢丝绳，此时钢丝绳可能轻微磨损，也可能已经达到报废条件。国标规定了曳引钢丝绳的报废技术条件：曳引钢丝绳出现断丝、绳径减小、变形或损伤、锈蚀四种情况之一，就可认为钢丝绳报废。表1为钢丝绳断丝报废技术条件，当断丝总数大于表1则视为断丝报废；当钢丝绳直径≤90%公称直径的，则视为绳径减小报废；当出现笼状畸变、绳股挤出、扭结、部分压扁或弯折等，则视为变形或损伤报废；当严重锈蚀、铁锈填满绳股间隙，则视为锈蚀报废。

表1 钢丝绳断丝报废技术条件2

2 影响疲劳寿命的结构因素

2.1 钢丝绳的结构

根据钢丝的接触关系，钢丝绳结构可分为三种：点接触、线接触以及面接触。比较三种结构下钢丝绳的疲劳寿命，面接触最大，线接触次之，点接触最小。工程中，考虑实际空间大小，一般曳引轮直径不会很大，而面接触结构的钢丝绳挠性又较差。因此，目前较多采用线接触钢丝绳。线接触钢丝绳主要有三种类型：瓦林吞式（w型）、西鲁式(s型)、填充式（Fi型）。因为西鲁式钢丝绳的耐磨性能优于其他两种，因而现代电梯中较多采用西鲁式结构。绳股是由钢丝捻制而成的，较粗直径的钢丝具有较高的强度，不易磨损，不易腐蚀，但柔韧性不及直径较细的钢丝。从20世纪60年代开始，我国电梯上广泛地使用8股和6股两种钢丝绳，相同直径与结构的钢丝绳，股数多的抗疲劳强度高。使用8股钢丝绳时，绳轮与钢丝绳之间的最大压力是使用6股钢丝绳时的76%，因而8股钢丝绳耐疲劳性比6股钢丝绳好，疲劳寿命也长。有学者认为，为了提高曳引钢丝绳的疲劳性能，钢丝绳各股之间、股内钢丝之间都应该保持适当的缝隙。

2.2 曳引轮的结构

曳引轮的槽形一般有V形槽，凹形槽及U形槽三种。三种槽形中，V形槽壁所受的压力最大。常用的8股钢丝绳适用于凹形槽，曳引轮的槽形采用凹型槽比V型槽有利，不但槽壁的压力可减少，而且可减少钢丝绳的磨损。电梯曳引钢丝绳绕过曳引轮时受到的弯曲应力对其磨损影响很大。曳引轮直径增加，曲率半径随之增加，其弯曲应力随之减小，钢丝绳磨损将减少，所以在实际生产和设计过程中应尽可能大地增加曳引轮直径。国标规定：不管钢丝绳的股数是多少，曳引轮、滑轮或者卷筒的直径与曳引绳的直径之比不应该小于40。

2.3 钢丝绳绕绳方式

目前，常见的钢丝绳绕绳方式有1:1和2:1两种，不同绕法就有不同的传动速比（钢丝绳速度与电梯运行速度之比），1:1绕绳方式下传动速比为1:1，2:1绕绳方式下，传动速比为2:1。因此相同的电梯运行速度，绕绳方式为2:1的钢丝绳速度更快。随着钢丝绳速度的增加，钢丝绳在曳引轮上所受到的弯曲应力增大。所以在实际工程使用中采用2:1的绕绳方式，曳引钢丝绳因所受到的弯曲应力大而更易产生疲劳磨损。因此电梯在相同配置条件下，采用2:1绕绳方式的钢丝绳的疲劳寿命较1:1绕绳方式低。

3 影响疲劳寿命的工艺因素

3.1 曳引钢丝绳的材料

曳引钢丝绳的疲劳寿命与材料特性有着很大的关系，选择优质的材料，有利于提高曳引钢丝绳的疲劳寿命。断丝是钢丝绳报废的一种技术情况，引起钢丝绳断丝的原因主要是表面摩擦产生的脆性马氏体薄层。采用耐磨材料能减少摩擦损伤，避免出现过早的断丝现象。钢丝绳的材料中力学性能较好的是碳素钢丝。钢丝绳的制造过程中对纯度要求很高，一般含碳量为0.4%～1%，钢丝绳中的非金属夹杂物常常会成为疲劳裂纹源，因此钢丝绳中杂质的含量须控制在0.035%以内。钢丝绳的成分越均匀，夹杂物含量越低、粒径越小，疲劳裂纹越不容易出现，钢丝绳的疲劳寿命越高。

3.2 曳引轮的材料

磨料磨损是曳引钢丝绳与曳引轮槽的主要磨损形式之一。在磨料磨损中，材料的硬度以及材料与磨料的相对硬度是影响磨损程度的两个主要因素。电梯钢丝绳是试件材料，曳引轮就相当于是磨料。在工程上经常会出现两种情况，一是钢丝绳产生磨损，但是曳引轮轮槽的磨损更严重，甚至出现托底现象；二是钢丝绳磨损严重甚至报废，但曳引轮上磨损不明显。因此在选择曳引轮材料时，既要考虑曳引轮本身的硬度，更要考虑其与钢丝绳硬度的匹配。有研究者认为，曳引轮的硬度和钢丝绳的硬度关系需满足Hr=K·Hs，式中Hs是曳引轮硬度，Hr是钢丝绳硬度，K是硬度系数，K取1.75～2.00。

3.3 绳芯的润滑

绳芯的润滑对钢丝绳的疲劳寿命有重要的影响。钢丝绳上的润滑油可以减小钢丝绳与曳引轮之间的摩擦力，减少曳引钢丝绳的磨损，提高疲劳寿命。但是对于电梯，曳引钢丝绳的含油量不是越多越好，这是因为曳引钢丝绳主要是靠摩擦传动，当曳引钢丝绳上的润滑油过多时，就会使得钢丝绳与曳引轮间的摩擦力过小，以至于曳引力不能满足工程要求。因而一般会在曳引钢丝绳表面涂一层极薄的高粘度的油脂。油脂的物理性能受外界温度和湿度影响较大，所以在选用油脂时需要考虑电梯的具体使用环境，确保油脂高温下不滴淌，低温下不脆裂，使其具有长时间的润滑性。涂油的基本原则为油脂在钢丝表面分布越均匀越好。

3.4 制绳工艺

实际工程中，曳引钢丝绳在拉伸、弯曲、扭转等多个应力共同作用下产生磨损，因而钢丝绳需有较好的强度和韧性。钢丝绳的强度和韧性除了和钢丝绳的材质有关外，也与钢丝绳的处理工艺有着密切的关系。预张拉技术、捻制工艺等温淬火工艺等都是制绳工艺中的关键因素。新安装的电梯曳引钢丝绳随着运行时间的增加会自然伸长，这种伸长可能会影响电梯的正常运行，如平层精度下降、对重缓冲距减小等，同时也会影响钢丝绳的疲劳寿命。现代工艺中，一般会采用钢丝绳预张拉技术。预张拉技术是在专门的张拉设备上使用连续式张拉方法对钢丝绳进行张拉，这样可以有效改善钢丝绳的承载能力，消除钢丝绳的捻制缺陷，提高股绳的稳定性，最终提高钢丝绳的疲劳寿命。在制绳工艺中捻制工艺也是一个重要环节，捻制工艺的好坏直接影响钢丝绳的承载能力和疲劳寿命。捻制工艺需要考虑捻制方向、捻距大小、配丝方式等，有效控制捻制过程中各绳股之间张力的均匀性对钢丝绳的疲劳寿命有着重要的影响。生产过程中应当尽量避免运输、贮存、检验、吊装等环节对钢丝绳表面的碰撞或刮伤等。在钢丝绳的后期使用中，这些碰撞和刮伤往往会引起应力集中，最终成为钢丝绳的疲劳断裂源。因此生产过程中注意对钢丝绳表面的保护有助于提高钢丝绳的疲劳寿命。

4 电梯工程使用中的相关因素

4.1 安装

电梯曳引钢丝绳的正确安装与钢丝绳的疲劳寿命密切相关。于克勇认为不正确的安装导致的钢丝绳短时损坏占80%以上。不正确的安装过程容易引起钢丝绳的过度扭曲和钢丝绳表面意外损伤。在安装过程中一定要避免钢丝绳过度旋转、焊渣灼伤和机械损伤。曳引钢丝绳的安装不当还会引起钢丝绳的张力不均，造成钢丝绳与曳引轮槽间应力的增大，加剧钢丝绳与曳引轮槽的磨损，降低曳引钢丝绳的疲劳寿命。

4.2 运行参数

电梯的运行参数包括载重量、运行速度、运行层站、提升高度、梯型等等。尤光辉通过试验分析了电梯曳引钢丝绳张力在不同载重量、速度、加速度的变化情况，电梯曳引钢丝绳最大张力随着载重量、速度、加速度的增加而增加，影响最大张力值波动因素中，载重量影响最大，加速度影响次之，速度影响较小。载荷力对钢丝绳直径磨损率的影响最为显著，运动频率次之，包角影响最小：钢丝绳直径的磨损量随着载荷力、频率和包角的增大而增大。

4.3 维护与检测

对曳引钢丝绳定期进行有效的维护和检测有助于提高其疲劳寿命。对钢丝绳的维护和检测包括外观检测、张力检测以及缺陷检测等。外观检测包括钢丝绳的直径、表面油污、润滑状况等的检测。曳引钢丝绳安装后，应定期对钢丝绳张力进行检测和调整，使其均匀一致。曳引钢丝绳张力不均或缺乏润滑都会使其寿命降低50%。曳引钢丝绳的缺陷检测主要是检测和判定曳引钢丝绳是否达到报废标准。目前，检测技术已经实现对钢丝绳缺陷的定性、定量无损检测，但是检测仪器品种繁多，检测精度有限，不同仪器检测的差异较大，国内仍然没有统一的仪器评价标准以及检测标准参照体系。

5 结语

电梯曳引钢丝绳的疲劳寿命与曳引轮和钢丝绳的结构、材质、制绳工艺、电梯运行参数以及工程安装与维护等众多因素有着密切的关系。确定这些影响因素对电梯曳引钢丝绳疲劳寿命的影响规律，提高曳引钢丝绳的疲劳寿命，具有重要的研究和工程意义。