电梯用曳引媒介检验检测技术研究

2023-01-04 14:55:16刘延雷李伟忠房书继
自动化仪表 2022年1期
关键词:曳引钢带钢丝绳

陈 述,汪 宏,刘延雷,李伟忠,房书继

(杭州市特种设备检测研究院,浙江 杭州 310018)

0 引言

19世纪中期,电梯作为垂直空间内的交通工具开始进入人们的视野并逐渐得到广泛应用。20世纪80年代以后,我国经济社会快速发展,城市中的高层建筑越来越多。电梯已经成为现代城市建设中不可缺少的运输工具[1],数量增长迅速。根据国家市场监督管理总局公布的数据,截至2020年底,我国在用电梯数量为786.55万台。我国已成为全球重要的电梯制造基地和电梯市场。

随着科学技术发展,从安全联锁、驱动结构到曳引媒介,各类新型节能安全技术及新材料的应用,为电梯行业的技术水平提升带来新机。这既是响应国家节能增效政策,又是电梯产业发展的方向[2]。其中,曳引媒介的更替尤为突出。近年来,市场上以非钢丝绳为曳引媒介的电梯产品层出不穷。奥的斯公司在2000年开发了采用扁平复合钢带作为曳引媒介的新型电梯。迅达公司3300系列电梯采用纤维曳引绳作为曳引媒介。

曳引媒介是电梯的重要部件,作为轿厢和主机之间的连接,承受整个轿厢及乘客的载荷。一方面,长期承载拉应力的曳引媒介,在使用过程中易出现疲劳、磨损甚至骤断现象[3];另一方面,井道阴湿环境易引起曳引媒介的锈蚀,各类损伤导致的承载能力下降,为设备及乘客人身安全带来隐患。因此,对电梯用曳引媒介开展行之有效的检验检测具有重要意义[4-5]。本文以复合钢带及钢丝绳为主要研究对象,基于电梯用曳引媒介检验检测方法开展讨论,介绍了钢丝绳检测技术进展,并对复合钢带电梯检验检测方法进行探讨,最后结合探讨提出未来研究方向。

1 曳引媒介的发展概况

国内电梯常用的曳引媒介主要有钢丝绳和复合钢带两大类。钢丝绳使用时间长,相关检验检测方法丰富,专家学者开展的研究也较多。复合钢带电梯起步较晚。由于其结构的复杂性和现有检验检测方法的局限性,使基于复合钢带电梯的检验检测及研究相对较少。

电梯中的曳引装置主要起承重和驱动的作用,是电梯中的重要零部件[6],而曳引媒介更是其中的核心零配件。与传统钢丝绳相比,复合钢带对绳股进行了重新排布,在维持钢丝绳强度的前提下增大了曳引力。新技术采用聚氨脂层取代了绳芯,包裹在钢丝绳股周围的复合层起到了防锈和防磨损的作用。复合钢带以质量轻、折弯半径小、曳引噪声小、不需要定期润滑等特点受到各大电梯厂商的关注,市场占有率不断攀升。奥的斯机电首先完成了钢带曳引系统的理论论证和实梯制造。随后,各大电梯制造商也推出了以复合钢带为承载部件的电梯产品[7]。

另一方面,2018年老旧小区电梯加装写入了政府工作报告,电梯加装工程受到重视。加装电梯多采用无机房结构并采用复合钢带作为曳引元件。随着各地加装电梯工作的推进,复合钢带电梯市场销量逐年增长。尽管复合钢带电梯在工艺、结构、维保、检验检测方面都与钢丝绳电梯存在差异,但GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中并未对复合钢带电梯提出特殊要求;TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》中,同样也没有针对复合钢带电梯的检验要求;电梯用非钢丝绳悬挂装置的标准于2021年6月正式实施。另外,市场上缺乏符合计量要求的便携式的检测设备,一线检验人员对于复合钢带电梯的检验(尤其是钢带内部钢丝缺陷的检测)缺乏可操作性。复合钢带的钢丝绳股包裹在聚氨酯内部,内部钢丝的直径变小或断丝,其损伤或断裂状况不易被察觉,直接影响复合钢带的承载能力和使用性能,对电梯安全运行形成重大隐患[8]。

2 电梯用曳引媒介检测技术

近年来,我国无损检测技术的总体水平与综合实力已经得到大幅度的提升,将无损检测技术应用到电梯用曳引媒介检测是行之有效的方法[9]。钢丝绳无损检测技术是指在不破坏其内部结构的基础上,对钢丝绳内部进行检测,并根据检测结果对钢丝绳的安全性能作出评价。钢丝绳的失效形式一般分为绳股断裂、绳径缩小、伸长变形和锈蚀破损4类[10]。钢丝的断裂一般发生在与滑轮的接触面。如果破断发生在外部往往可见,通过宏观检测即可发现;但内部钢丝的破断就需要无损检测技术[11]。目前,常用方法主要包括磁检测和非磁检测技术[12]。

2.1 钢丝绳曳引电梯检验检测

TSG T7001—2009中有对曳引媒介为钢丝绳的检验项目。根据该标准,出现下列3种情况之一时,该钢丝绳应当报废:①出现笼状畸变、绳芯挤出等情况;②断丝分散出现在整条钢丝绳等情况;③磨损后的钢丝绳直径小于公称直径的90%。根据美国标准ASME 1571—2001《铁磁性钢丝绳电磁检查标准规范》要求,钢丝绳无损检测原理分为3类:交流电磁类、直流和永磁类、漏磁类。国家标准GB/T 21837—2008《铁磁性钢丝绳电磁检测方法》在参照美国标准的基础上,结合国内实际,增加了“剩磁类方法”。目前常采用的电磁无损检测法具有无损、非接触和实时的特点[13]。这种方法可在保证钢丝绳的力学性能的前提下,对钢丝绳的机械性质、内部结构、工作状态等进行检测,并根据检测结果和相应的准则对钢丝绳状态进行评估[14]。该方法因灵敏度高、可靠性好、成本低而得到广泛应用[15]。

1906年,南非科学家R.Colson和C.McCann研制的钢丝绳电磁无损检测设备,采用交流(alternating current,AC)励磁法励磁,用于测量钢丝绳的截面积损失。但由于集肤效应和涡流损失,该方法存在检测渗透深度低和检测过程中钢丝绳剧烈发热等缺点。1925年开始,德国的科研人员才成功开发出实用的电磁钢丝绳检测仪器,可以用于现场检测[16]。1925~1955年,国外研究者开发了大量基于直流(direct current,DC)方法的钢丝绳检测仪器。基于DC方法的仪器因直流励磁与检测线圈安装方面的困难,同时存在仪器结构庞大和操作复杂的缺点,逐渐被永磁法替代[17]。1964年,H.R.Weischedel使用永磁体作为励磁源,研发了一款钢丝绳电磁检测仪器[18]。1978年,B.G.Marchent发明了一款利用永磁体和电磁体磁化钢丝绳用来检测钢丝绳缺陷的仪器[19]。1995年,加拿大的研究人员提出了金属面积变化 (total change in metallic area,TCMA)检测的概念,即经过一段时间的使用后钢丝绳金属横截面积相对出厂时金属横截面积的变化程度,突破了金属横截面积损失(loss of metallic cross-sectional area,LMA)检测需要寻找检测基准的缺陷[20]。1999年,德国斯图加特大学的J.M.Nussbaum设计出2套由30个霍尔元件组成的检测阵列构成的传感器,借助计算机技术,在断丝的空间定位方面获得了成功[21]。2018年,Kaur.Akshpreet发明了一种基于漏磁原理的新型钢丝绳测试仪。该仪器将霍尔效应传感器安装在磁轭内部,只要钢丝绳的缺陷通过传感器,就能产生缺陷信号[22]。

我国对钢丝绳无损检测技术的研究始于20世纪60年代初期,直至70年代初研发出第一代TGS型钢丝绳探伤设备[23]。80年代,华中科技大学的杨叔子、康宜华等开始研究钢丝绳断丝检测技术,研制出MTC-94型钢丝绳探伤仪和GDJY系列钢丝绳断丝定量检测仪,实现了断丝的定量检测[24-25]。哈尔滨工业大学和抚顺煤矿分院于1994年成功研制了GST型钢丝绳探伤仪。该仪器可同时进行局部缺陷(localized fault,LF)和LMA损伤检测[26]。2006年,金属磁记忆技术被应用于钢丝绳损伤诊断性检测。该技术无需人工励磁装置,运用高灵敏探头即可直接接收钢丝绳缺陷在地磁场作用下的漏磁信号[27]。2013年,江苏省特检院的许建芹、邹建华等提出了研究多回路电梯曳引钢丝绳高速探伤设备的基本方法[28]。2020年,黄博思等开展电梯钢丝绳漏磁检测试验研究,将漏磁检测技术应用于电梯钢丝绳无损检测[29]。2021年,西安科技大学的路正雄、郭卫等开发了一种基于平行磁化NdFeB磁体段的新型钢丝绳无损检测仪。该仪器具有较高的灵敏性和有效性[30]。

2.2 复合钢带电梯检验检测

复合钢带作为电梯曳引媒介,由若干根平行布置的钢丝绳芯外敷高分子材料聚氨酯融合而成。工作时,钢丝绳芯承载着钢带上的绝大部分载荷。现行电梯允许使用其他类型悬挂装置(如复合钢带),但GB 7588—2003缺乏覆盖复合钢带制造和安装安全要求的内容,TSG T7001—2009中同样没有与复合钢带检验匹配的条目,而多项与电梯用非钢丝绳悬挂装置的标准还未落地实施。因此,一线检验人员无法实现复合钢带内部缺陷的检验检测,只能参考相关标准规范中对钢丝绳的检验要求和方法,同时结合制造单位产品说明书中的相关规定对复合钢带进行检验。

复合钢带正常磨损过程经历3个阶段:钢带聚氨酯表面磨亮、表面看到钢丝痕迹和钢丝外漏。

复合钢带是新型曳引媒介,在使用过程中除正常磨损外还时常发生强度损失问题,如断股、磨损等,影响电梯的正常运行。由于目前市场上电梯复合钢带产品类型较少,相应的无损检测方法也比较少,主要存在以下3种无损检测方法:磁通量检测法[31]、寿命设定法和电阻检验法[32]。目前,电梯生产厂家主要采用电阻检验法,监测电梯复合钢带的断股缺陷。

Lei HuaMing和 Tian GuiYun提出了一种磁通量检测法来检测电梯用钢带中断丝的无损检测方法。该方法使用一对传感器检测钢带,形成差分信号,对断丝数量的检测有较高精确度。江苏省特检院的胡晓通过对钢带电阻检测法的试验验证,得出了钢带绳芯电阻变化率与钢带强度之间的关系,提出了将寿命设定法和电阻测量法结合的综合检测方法。山西惠达澳星科技有限公司提出了一种电梯复合钢带无损检测装置及方法,用于解决现有技术检测精度低、容易漏检、抗干扰能力差和准确性差的问题。该检测方法处于原理样机阶段,尚未商品化[33]。洛阳威尔若普检测技术有限公司研发了W-GDAJ型电梯复合钢带安监装置。该装置可以对复合钢带内部钢芯断裂进行识别,但无法确定复合钢带的断芯位置。此外,该装置需要固定安装,不便于携带。对于检验检测机构而言,该仪器无法实现有效的检验检测。

上述电磁无损检测方法尚不能很好地解决复合钢带横截面变化和断裂缺陷,但随着无损检测理论和技术的发展[34],市场上出现了许多新型无损检测仪器。如:超声相控阵能很好地检测材料内部缺陷,但是需要在被检钢带表面涂抹耦合剂。复合钢带主要依靠摩擦传递动力,在钢带表面涂抹耦合剂以减小复合钢带与曳引轮之间的摩擦力,甚至有可能发生打滑现象。数字射线检测能够探测到物体内部的宏观几何缺陷而不破坏物体本身,但是设备复杂、成本较高,使用时需保证一定的隔离距离,很难推广应用于在役电梯复合钢带的检验检测。

3 现状分析

综上所述,电梯曳引媒介的检测还存在以下3个方面的问题。首先,检验检测方法单一。电磁检测法应用较广,但只能检测复合钢带的宏观缺陷。钢带显微结构的改变和疲劳损伤尚无合适的检测方法。其次,励磁磁路单一。常规的励磁装置大而笨重,且对螺旋结构的钢丝绳励磁效果不理想且难度较大。最后,定量定位检测不准确。复合钢带的结构较为复杂,在并排的多根钢丝绳中确认缺陷的位置,对精确性要求更高[35]。

针对上述问题,借鉴铁磁性钢丝绳缺陷检测技术,曳引媒介检验检测技术的进一步发展可以从以下几个方面推进。

①优化检测方法设备。将漏磁场和磁通量传感元件集成于一个电磁传感器中,提出一种差分式双磁路的弱磁无损检测方法。进一步研究钢带内部钢丝缺陷弱磁检测理论、钢带内部钢丝缺陷的电磁响应特性和研制差分式双磁路电磁检测传感器,为在役电梯复合钢带缺陷检测提供科学依据和技术支持。

②加快标准、检规修订。目前,各类相关的标准、检验规程等还在制定中或未落地,设计、生产、安装、检验、维保等多环节需形成合力,加快政策落地执行。

③多领域交叉融合研究。将磁检测等方法引入电梯检验检测领域,可促进现有技术在新领域的应用;同时,围绕曳引媒介的使用需求,倒逼本领域技术提升。

4 结论

本文针对电梯用复合钢带检验检测中的检测精度、损伤识别、性能评价等问题,综合分析了现阶段国内外电梯用复合钢带无损检测的相关研究成果,总结并提出今后的研究方向。首先,介绍了目前投入使用的电梯用复合钢带结构特点,具体分析了电梯用复合钢带对钢丝绳的优势。其次,介绍无损检测技术的发展状况,着重论述了现今电梯用复合钢带和钢丝绳无损检测的技术研究和应用状况。其中,钢丝绳无损检测技术主要包括交流电磁法、永磁法、漏磁法和剩磁法。复合钢带的检测方法主要包括磁通量检验法、寿命设定法和电阻检验法。最后,在对比当前无损检测方法的基础上,提出了差分式双磁路的弱磁无损检测方法,指出了电梯复合钢带缺陷检测的研究趋势。

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