高速电梯主轴组件失效分析及检测方法研究*

苏万斌,江叶峰,徐 锋,易灿灿

(1.嘉兴市特种设备检验检测院，浙江 嘉兴 314050；2.宁波宏大电梯有限公司，浙江 宁波 315000；3.武汉科技大学，湖北 武汉 430081)

0 引言

高速电梯主轴组件是电梯曳引机的核心部件，主轴组件在长期变速变载运行中承载着较大的冲击转矩和弯矩[1，2]，主轴本体及轴承的轻微失效都有可能导致主机的异响或者振动，严重失效可能导致曳引轮位移、轮槽磨损以及钢丝绳滑出轮槽等，给电梯的使用埋下严重的安全隐患。特别是在超高速电梯中，一旦发生主轴断裂或者轴承损坏，将直接导致电梯事故，后果不堪设想[3]。为此，本文结合高速电梯曳引机主轴的工作环境，对主轴组件失效模式及失效机理进行分析，并提出一种新的高速电梯曳引机主轴失效的检测思路。

1 高速电梯曳引机结构原理

按运行速度来划分，电梯主轴的布置形式分为双支撑悬臂结构和双支撑简支结构[4]。高速电梯主要采用双支撑简支结构的永磁同步无齿轮曳引机，主要由支架底座组件、主轴组件(包含主轴和轴承)、曳引轮、钳式制动器等组成，如图1所示。双支撑简支结构永磁同步无齿轮曳引机的工作原理是通过快速电流跟踪的变频装置和高精度速度传感器(编码器)的检测、反馈以及控制，主轴和曳引轮以同步转速进行转动；同时，由电动机直接驱动曳引轮，通过曳引轮与钢丝绳的摩擦来实现电梯轿厢的上下运动[5]。

高速电梯的主轴组件主要用于安装曳引轮，主轴组件在整个高速电梯曳引系统中起到了承载、传动力和扭矩的作用，主轴组件的强度对曳引系统的稳定性和安全性起着至关重要的作用[6]。由通用的双支撑简支结构永磁同步无齿轮曳引机的主轴组件布局结构可知，在主轴的一端需要承载驱动电机施加在其上的驱动扭矩T2；在主轴支点中间受到电梯曳引系统中轿厢、对重等产生的载荷力，致使产生径向载荷F；同时由于曳引轮安装在主轴上，运行中的曳引系统产生的载荷会直接作用到主轴上，致使主轴会受到电梯运行系统产生的变载扭矩T1。双支撑简支结构受力示意图如图2所示。

1-支架底座组件；2-钳式制动器；3-主轴组件；4-曳引轮

图2 双支撑简支结构受力示意图

高速电梯主轴组件径向载荷F主要包括静载荷、动载荷和附加载荷[7，8]。静载荷主要包括传动主轴自身的重量和安装到传动主轴上的槽轮、轴承、转子以及编码器自重等，此外还包括电梯载重、电梯轿厢自重、对重重量、曳引钢丝绳重量、随行电缆重量、补偿装置重量及曳引轮重量。动载荷是由于电梯运行过程中，轿厢上下运动，且有时空载，有时满载，使得轿厢的载荷始终在上下波动，钢丝绳载荷也在上下波动，传动主轴受到的载荷力在不断地变化；另外，即使轿厢内的载荷固定，电梯在上下运行中，经过加速-匀速-减速过程，受到惯性力的作用，钢丝绳传递到槽轮上的载荷力也在不断变化，槽轮安装在传动主轴轴端位置，这种载荷力的不断变化同时又会传递给传动轴，使作用在传动轴上的载荷力在不停地变化。高速电梯实际运行过程中，曳引机主轴还会受到一些附加载荷，如惯性力、冲击力以及轴承座变形产生的附加力等。

2 高速电梯主轴组件的失效分析

2.1 高速电梯主轴组件的失效模式及其表现特征

高速电梯主轴额定转速为4 m/s～10 m/s，甚至更高，电梯的曳引轮、轴承及制动器等都安装在主轴上，主轴本体在工作中承载着转矩和弯矩，并通过回转运动将力矩传递给槽轮。主轴长期服役于高速变载工况下，在外负荷、轿厢、对重等载荷作用下会影响主轴的动平衡特性，最直接、明显的表现特征就是主轴振动加剧和温度升高。高速电梯主轴轴承最普遍和典型的失效模式是滚动体和内外滚道的严重磨损。轴承在设计制造安装过程中主轴与轴承内圈之间、轴承内圈-滚动体-轴承外圈之间、轴承外圈与轴承座之间均是间隙配合。当主轴在高速运转下受到特定的载荷，尤其是启制动过程中的冲击载荷时，这些间隙之间就会有冲击，另外轴承转动时轴承中的润滑油会产生流体噪声和振动，严重时会导致轴承乃至整根主轴组件的振动。

由高速电梯曳引机主轴组件的结构原理和实际受力分析可知，高速电梯曳引机主轴组件受到径向载荷、驱动扭矩和变载扭矩的作用，在结构上除了要达到设计要求之外，还应重视加工和装配过程中的工艺问题。由于主轴在设计时强度和刚度系数很高，相对于主轴本体而言轴承可靠性更为薄弱。所以，高速电梯曳引机主轴组件的失效模式只要分析主轴轴承的失效模式即可，轴承是高速电梯主轴组件的主要薄弱环节，主轴轴承的失效所产生的表现特征是轴承振动剧烈及其温度升高，因此本文主要针对高速电梯主轴轴承的失效进行分析。

2.2 高速电梯主轴轴承的失效机理分析

高速电梯曳引机主轴轴承在工作中丧失其规定的功能，导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承的失效可分为早期失效和正常失效两种。按其失效机理可大致分为：磨损失效、接触疲劳失效、塑性变形失效、腐蚀失效、断裂失效和游隙变化失效等几种基本形式。高速电梯主轴长期服役于高速变载工况下，除了正常的轴承疲劳磨损外，更多情况是轴承的磨损、打滑失效引起的摩擦磨损。主轴轴承发生磨损失效的原因如下：

(1) 主轴组件受变载扭矩引起的轴承失效。主轴组件承担电梯运行过程中的驱动电机动力输出和载荷扭矩、启动过程中的加速扭矩、减速过程中的减速扭矩和制动过程中的冲击扭矩等，主轴组件承载工况复杂，服役过程中疲劳是其主要失效形式。在电梯正常载荷状况下，主轴上受到垂直方向的弯矩，在启动加速和减速过程中，受到弯曲应力与扭转应力，在停电等非正常工况下，载荷对主轴组件产生很大的冲击作用，作为主轴组件最薄弱的轴承处最容易产生失效，轴承严重的疲劳失效会导致整个曳引系统瘫痪，甚至使整机丧失启动、减速、制动等功能。

(2) 主轴组件装配不当引起的轴承失效。高速电梯主轴长期承受着机械冲击和反复换向，对于主轴及轴承的装配精度要求非常高。主轴本体与轴承、主轴组件与曳引机本体安装时如果发生倾斜、轴承座未完全托住轴承等则会导致整套轴承各零件之间受力状态发生变化，这种受力状态的变化在轴承运转过程中会转变成一种局部应力，会加速轴承的失效。另外，轴承安装时如果配合游隙增大，工作表面形貌变化而丧失旋转精度，使轴承的振动加剧，直至不能正常工作。

(3) 轴承本身质量缺陷引起的轴承失效。轴承的制造加工是个复杂的过程，有很多原因会引起轴承本身质量缺陷。轴承制造要经过铸造、锻造、热处理、车削、磨削和装配等工序，轴承的使用性能和可靠性都受到加工工艺的影响，尤其是轴承的热处理和磨削加工，直接与轴承的失效有关。由于轴承的加工精度等差异，即使相同尺寸、相同材料以及同一批生产出来的轴承，在完全相同的条件下工作，它们的寿命也会不相同。因此，如果选用了存在质量缺陷的轴承，发生失效的概率也就加大。

3 高速电梯主轴组件的失效检测技术与方法

对于高速电梯曳引机主轴组件现有的失效检测一般是通过拆卸后检测和轿厢内的间接综合性能检测来实现。失效主轴的拆卸检测是通过对外观分析[9-13]，并结合主轴材料的化学成分、显微组织和非金属夹杂物进行检测，主要集中在曳引机主轴发生槽轮脱落、折断、开裂、弯曲和支撑传动主轴的轴承受力变形失效的检测；另外通过轿厢内的间接综合性能检测来实现对曳引机的振动和噪声的检测，但现有的检测仪器和技术均无法进一步对主轴组件的失效进行检测分析。高速电梯主轴显著的失效表现特征就是轴承温度升高和振动，当主轴组件发生故障时，其振动和温度信号会表现出明显的非线性、非平稳性。对于非线性、非平稳振动和温度信号，需要采用合适的时频分析方法提取故障特征分量。

高速电梯主轴组件中的轴承在运转过程中由于摩擦的原因会发热，并且当轴承表面出现磨损或损伤后，这种摩擦会加剧，因而发热也会增加，轴承的温度也会升高。当轴承的振动甚至整个主轴的振动加剧时，这种振动的加剧可以通过某些振动参数的变化体现出来。因此，建立主轴组件失效特征与振动、温度之间的在线分析系统进行主轴的失效性能分析，是主轴安全性能评估的一条新思路，主轴失效检测系统如图3所示。

图3 主轴失效检测系统

4 结语

高速电梯主轴组件作为电梯曳引机的核心部件，相对于普通低速电梯而言，高速电梯曳引机主轴在长期的变速变载中运行，高速电梯主轴组件的性能决定着整个曳引机乃至整体的安全性能，主轴组件的轻微失效均有可能产生严重的后果，在实际使用与检验过程中，一旦发现主轴组件周围存在异响或者振动现象，对其进行有针对性的失效检测有着极其重要的现实意义。