电梯安全钳楔块磨损原因

刘志凯, 刘灿森, 揭晓华

(广东工业大学 材料与能源学院, 广州 510006)

曳引式驱动电梯具有价格低、运行平稳、节能环保等优点,成为市场的主力电梯类型。曳引式驱动电梯的主要系统有:曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、重力平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统等[1-2]。安全保护系统由电梯的各个安全保护装置构成,用于保障电梯的正常运行和人员安全,是电梯重要的系统之一。安全钳是电梯重要的安全保护装置,楔块是安全钳的关键零部件。因此,开展电梯安全钳楔块的失效分析具有重要的现实意义。

电梯安全钳的作用是使轿厢停止运动,其主要由底座、楔块、导向块和导向板等零部件组成。楔块的材料主要为铸铁、45钢和工具钢等。铸铁楔块不能承受较大的冲击载荷,多用于低速瞬时式安全钳中。通过淬火工艺可以提高45钢和工具钢楔块的表面硬度和耐磨性,可用于中高速渐进式安全钳[3-4]。电梯安全钳的工作原理为:当检测到电梯限速器轿厢出现上行或下行超速时,将会触发夹绳钳将限速器绳夹住;随着轿厢的继续运行,限速器绳会拉动安装在轿厢横梁上的连杆机构,将轿厢两侧的安全钳楔块同时提起,并紧紧地卡住导轨,从而使超速的轿厢制停[5-6]。

采用电梯安全部件检测试验塔对电梯安全钳进行模拟电梯运行制动测试,经多次制动测试后发现安全钳出现制动距离偏大的现象,经检查,发现安全钳楔块工作面存在严重的磨损情况。笔者采用一系列理化检验方法研究了安全钳楔块的磨损原因,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

图1是磨损楔块的宏观形貌。由图1可知:楔块的工作面发生了不同程度的磨损,表面有明显沿着滑动方向的沟槽;楔块工作面中部的磨损最严重,方块型的凸起被完全磨平,其周围原有的凹槽已消失不见;楔块工作面中部以外的位置磨损程度较轻,原有的方块型凸起凹槽仍清晰可见,但凹槽中有少量的磨屑,说明磨损主要发生在楔块工作面的中部。

1.2 化学成分分析

用直读光谱仪对磨损楔块进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该磨损楔块的主要化学成分满足GB/T 699—1999 《优质碳素结构钢》对45钢的要求。

表1 磨损楔块的化学成分分析结果 %

1.3 硬度测试

采用维氏显微硬度计对磨损前后的楔块进行硬度测试,施加载荷为2 N,保压时间为10 s,分别测量磨损前后楔块工作面的硬度。从左往右每隔2 mm随机测3个点,然后取其平均值,测试结果如图2所示。由图2可知:磨损前楔块工作面从左往右的硬度分布比较均匀,硬度约为700 HV,磨损楔块工作面从左往右的硬度呈现两端高、中间低的分布规律,两端硬度约为700 HV,中间磨损位置的硬度为450～600 HV。

图2 磨损前后楔块的硬度测试结果

1.4 金相检验

在磨损前后楔块的截面处取样,对试样进行粗磨、细磨、抛光、腐蚀处理,然后将试样置于光学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:磨损前楔块截面的淬硬层、过渡层和稳定层存在明显分界线,淬硬层和过渡层的总厚度为2.901 mm,淬硬层组织为回火马氏体,过渡层组织为粒状珠光体,有大量碳化物成颗粒状分布在铁素体上,稳定层组织为珠光体+铁素体;磨损楔块工作面中部的淬硬层组织为回火索氏体。

图3 磨损前后楔块的显微组织形貌

1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析

利用扫描电镜对楔块磨损表面进行观察,结果如图4所示。由图4可知:楔块磨损表面沿滑动方向出现较多的深犁沟,磨屑发生严重的塑性变形,且出现大块磨屑剥离的现象。

图4 楔块磨损表面的SEM形貌

楔块磨损表面的能谱分析结果如图5所示。由图5可知:磨损表面均匀分布着Fe、O等元素。楔块与导轨之间发生高速摩擦,产生的高温使楔块生成了含有Fe元素的氧化物,最终导致磨损表面存在大量的O元素。

图5 楔块磨损表面的能谱分析结果

2 综合分析

由上述理化检验结果可知:楔块与导轨之间发生高速摩擦,产生的高温使材料发生过回火效应,楔块工作面中部区域的回火马氏体转变成回火索氏体,最终导致材料的硬度和耐磨性下降。安全钳楔块表面主要发生了黏着磨损和磨粒磨损现象。犁沟的形成原因是,导轨表面的硬微凸起在楔块表面划过,产生了犁削作用。磨屑发生黏着和剥离的原因是安全钳制动过程中,楔块与导轨紧密接触,两者表面发生摩擦副间的相对高速滑动,使材料的温度升高,导致楔块与导轨之间发生黏着现象。随着楔块与导轨的相对运动,黏附着的磨屑又被剥离,最终导致楔块发生磨损。

3 结论

电梯安全钳的制动失效原因是楔块工作面与导轨紧密接触并发生了相对高速滑动,导致楔块工作面发生严重的磨粒磨损和黏着磨损现象。楔块与导轨剧烈摩擦产生了大量的热,楔块工作面中部的温度升高,产生过回火效应,使楔块表层组织由回火马氏体转变成回火索氏体,最终导致楔块的硬度和耐磨性下降。