電梯曳引鋼絲繩檢測儀及國內鋼絲繩質量標準的改進建議

許建芹，鄒建華，黃 凱，徐海慧，董信華

（1.江蘇特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210003；2.貴州省特種設備檢驗檢測院，貴陽 550003；3.上海且華虛擬儀器技術有限公司，上海 200032）

近年來，隨著中國城市化迅速推進，中高層樓宇的不斷增加，國內電梯保有量已達到200多萬臺且每年以15%～20%的速度遞增，這使得承擔電梯安全監督檢驗和維護保養人員的工作量急劇增加，電梯的安全事故時有發生，其中不乏電梯鋼絲繩斷裂導致的墜落事故［1］。

1 由電梯曳引鋼絲繩所引起的事故

由于電梯導軌偏差、輪對偏移、軸承質量欠佳等機械問題，常常引起曳引鋼絲繩非正常疲勞的斷絲；因電梯井道中的水霧常會引起繩芯含油量不足，質量欠佳的鋼絲繩發生銹蝕。據調查，檢驗人員在澳門、上海、南京等地的某些電梯機房中多次見到滿屋紅塵，如圖1所示，經檢驗是鐵銹粉末。

圖1 上海某電梯機房中飛揚的鐵銹粉末

圖2 香港大埔善雅樓電梯事故

圖3 歐美鋼絲繩檢測儀

近年來在武漢、杭州、無錫、北京、福州等地曾發生多起電梯事故，特別是2008年10月25日，香港大埔善雅樓L32號電梯突然跌至地坑，橋廂上8根曳引鋼絲繩中7根斷裂落至廂頂上，見圖2。

2006年，日本國內用電梯曳引鋼絲繩發生42起斷繩事故。

2009年5月11日，英國著名地標性建筑——倫敦塔橋也發生了電梯墜落事故。據天空電視臺報道，電梯曳引鋼絲繩斷裂是這起事故的罪魁禍首。

近年來，電梯保有量的大幅增加和電梯安全事故有所抬頭的嚴峻形勢，使得國家主管部門更加重視電梯安全問題。一些地方主管機關相繼推行了電梯風險評估機制。應用科學儀器檢測診斷鋼絲繩質量是其中重要的一項內容。

2 現有電梯曳引鋼絲繩探傷儀

2.1 歐美產品

目前國外共有23家公司研制鋼絲繩探傷儀，其中歐美各國至今還沒有專門針對電梯鋼絲繩檢測的產品。國內許多特檢機構采購波蘭或俄羅斯生產的檢測小直徑鋼絲繩的產品都不能有效檢測電梯鋼絲繩，這是由于電梯鋼絲繩中有多根鋼絲密集排列，間距很小，上述探傷儀根本無法安裝（圖3）。

2.2 日本產品

日本的電梯用量和產量很大，日本東京制鋼株式會社一直從事電梯鋼絲繩探傷儀的研制和開發。

日本產品是由傳感器和處理器兩大部件組成。當傳感器發現鋼絲繩斷絲，處理器實時聲光報警。電梯鋼絲繩以不同的速度通過傳感器，處理器旋鈕可進行選擇，旋鈕共有0.25，0.33，0.5和0.67m/s四個速度檔，稱作頻率采樣。檢波的波形曲線圖可以另接打印機，由人工對圖像進行分析判定。

2.3 國內MTC公司產品

由于鋼絲繩是無限不確定長，歐美和日本還是用傳統模擬量處理，信號采集點間隔較大，常發生漏檢，檢測速度較低，日本的小于2m/s，美國的小于3m/s。

鋼絲繩專業十分冷門，20年來國內堅持研究的只有鞍山KST、洛陽TCK和上海MTC三家公司。上海MTC公司于1997年成功開發了基于虛擬儀器技術，由計算機直接采樣處理的MTC鋼絲繩探傷儀，實現了定性、定量、定位的鋼絲繩的高速檢測，目前已經升級至第五代。

圖4 鋼絲繩檢測探傷儀傳感器

圖5 MTC產品檢測電梯曳引鋼絲繩現場

專門用于電梯曳引鋼絲繩檢測的探傷儀傳感器有兩種，分別為哈夫整體的EA型和馬鞍座插的EH型。前者用于普通纏繞的間距稍大電梯曳引鋼絲繩，后者用于復式纏繞的間距較小電梯曳引鋼絲繩（圖4）。

MTC產品為目前正積極推進的老舊電梯風險評估作出了重要貢獻，也為電梯制造和維保單位鑒別鋼絲繩狀態提供了科學依據，圖5為現場檢測圖片。

3 多回路電梯曳引鋼絲繩檢測儀

3.1 目前的多回路探傷儀

因為每部電梯都有4～8根密集排列的曳引鋼絲繩，應用MTC單回路探傷儀時，只能一根一根地檢測，電梯必須多次上上下下，對于目前眾多的電梯，需要花費檢測人員的大量時間。

如果傳感器采用多回路，就能應對多根密集排列的電梯曳引鋼絲繩檢測。近年來洛陽TCK公司及日本東京制鋼研究了多回路電梯曳引鋼絲繩探傷儀（圖6）。

圖6 多回路電梯曳引鋼絲繩檢測儀

上述多回路鋼絲繩檢測儀存在的最大問題是采用對多回路的采樣信號進行相加的方法來處理，無法區別是哪一根鋼絲繩上的缺陷。每次檢測時，發出報警聲的瞬間用記號噴槍噴射白漆，然后再用單回路探傷儀進行二次復檢以確認缺陷位置。此外，采用減少采樣點來實現多回路檢測，速度仍然小于2m/s，常常發生漏檢，結果的準確性大打折扣。

3.2 改進的多回路探傷儀

為了實現電梯曳引鋼絲繩的科學檢測，必須解決以下問題：

（1）適合多根密集排列鋼絲繩裝卸的傳感器。

（2）大量采樣信號在線實時報警高速處理器。

（3）能分別顯示每根鋼絲繩缺陷的執行軟件。

3.2.1 綜合勵磁和相位采樣傳感器

如圖7為根據漏磁和磁通原理設計的傳感器［2－3］。由永久磁鋼、銜鐵和鋼絲繩構成的磁回路，必須在瞬間使鋼絲繩達到磁化飽和，所以選用的是高磁場強度和高抗頑力的永久磁鋼，而銜鐵則應以導磁力良好的工業純鐵制作。相應采樣磁敏元件布置如圖8。

圖7 綜合勵磁裝置

圖8 相位采樣磁敏元件的布置

3.2.2 高速信號處理器

采用ARM技術完成A/D（模/數）轉換和主要運算。其中CISC和RISC為快速處理并傳輸的模塊；寄存結構為32位的31個通用寄存器和6個狀態寄存器；指令結構為支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集的模塊。

采用FPGA技術高速對每個專題進行計算。其邏輯單元配置CLB邏輯模塊和IOB輸入模塊，通過內部靜態存貯信號單元上加載編程軟件。

3.2.3 執行軟件

建立新的應對多根密列電梯曳引鋼絲繩超大量采樣信號進行分析、判定處理的數學模型，即可設計出操作自如的電腦軟件界面。

4 電梯曳引鋼絲繩科學檢測的推薦標準

4.1 目前中國標準

GB/T 18775－2002《電梯維修規范》標準與國家質檢總局頒布的電梯鋼絲繩報廢標準基本相同。后者規定在選定部位的6d或30d長度范圍內（d為鋼絲繩直徑，繩端處也應作為選擇范圍之一），目測檢查鋼絲繩的可見斷絲數。必要時用鋼絲繩探傷儀全長檢測或分段抽測。對多層股鋼絲繩應用鋼絲繩探傷儀進行檢測。標準規定，當鋼絲繩公稱直徑減少7%時，即使未發現斷絲，該繩也應報廢，且曳引繩不應有過度磨損、斷股等缺陷，斷絲數不應超過報廢標準。可見的斷絲數報廢標準如表1。

表1 電梯鋼絲繩報廢標準

由上可知，目前中國的電梯鋼絲繩制造和報廢標準，一是在一批鋼絲繩上割下一段作為樣繩，進行拉、彎、扭的試驗，根本無法判別整根鋼絲繩的斷絲、變形、松股等缺陷；二是依據傳統的人眼看、手摸、尺量的檢查結果來擬定的，易出現內部缺陷看不見，外部缺陷難發現的情況。

現有的電梯鋼絲繩報廢標準，將斷絲和磨損列為兩項，如果在整根鋼絲繩上的某一點同時發生斷絲和磨損并同時達到某一臨界值，現有的電梯鋼絲繩報廢標準將難以適用，這顯然是不夠科學的［4－5］。

4.2 南非標準

世界上第一臺鋼絲繩電磁無損檢測裝置是南非人于1906年發明的。多年來南非對各行業的鋼絲繩在線檢測已形成了一整套相當規范的體系。其將鋼絲繩缺陷歸納為七類，明確告之受測鋼絲繩是否可以繼續使用。

這七類是：斷絲、金屬截面積、銹蝕、繩徑、長度、松股、彎曲，其中前兩項是應用儀器檢測，后五項是應用目視、尺量、手摸等方式對儀器檢測的結果進行確認，將斷絲量與金屬截面積變化量綜合計算。檢測人員出具報告很方便，其報廢依據是［6］：

式中：Rw為儀器顯示或人工檢測的鋼絲繩斷絲量的百分比值；Rpw為依據不同行業標準規定的斷絲的允許百分比值；Pw為儀器顯示或人工檢測的鋼絲繩金屬截面積減少的百分比值；Rpd為依據不同行業標準規定的金屬截面積減少的允許百分比值。

當DF≥1時，鋼絲繩報廢。

4.3 對我國電梯曳引鋼絲繩風險評估方法的改進建議

參照南非標準，建議對我國電梯曳引鋼絲繩的評估等級進行如表2所示改進。

表2 建議電梯曳引鋼絲繩風險評估等級

基于上述評估風險等級，確定風險類別見表3。

表3 建議電梯曳引鋼絲繩風險類別表

表2所列的確立電梯曳引鋼絲繩風險評估等級的方法，目前是根據應用鋼絲繩探傷儀檢測得出的斷絲數量、磨損百分比，結合使用頻率、服務年限、自身經驗研究決定的，其中人為的因素相當大。

儀器已經定量告知哪里斷絲、斷幾根，哪里磨損、磨損的百分比；而且又有使用頻率、服務年限的量化數值。那么，建議參照南非標準，將風險評估的等級與其建立一個函數關系，使工作人員能方便地通過電腦計算得出科學的結論。

5 結語

隨著老舊電梯風險評估工作的推進，電梯曳引鋼絲繩檢測技術將發揮越來越大的作用。文章介紹了目前國內外廣泛使用的鋼絲繩檢測儀，結合國內的MTC產品，指出鋼絲繩檢測儀的發展方向。最后指出目前國內的電梯曳引鋼絲繩的報廢標準不能很好地適應鋼絲繩檢測的實際情況，建議參照南非的相關標準修訂適應我國實際情況的報廢標準，從而為電梯曳引鋼絲繩的實際檢測應用提供指導。

［1］香港機電工程.香港大埔善雅樓電梯事故調查報告［J］.中國電梯，2009（4）：4－47.

［2］許建芹，黃凱，徐海慧，等.“探空飛梭”游藝機鋼絲繩在線檢測和評估的解決方案［J］.無損檢測，2012，34（11）：14－20.

［3］董信華，康宜華.基于虛擬儀器技術的鋼絲繩定性、定量、定位檢測［J］.中國特種設備安全，2006，20（增刊）：31－33.

［4］金浩，申明.電梯鋼絲繩風險評估的探討［J］.中國電梯，2009（5）：56－60.

［5］陳斌.一起電梯鋼絲繩斷股事故的調查分析［J］.中國電梯，2009（6）：59－61.

［6］The South African Bureau of Standarads Condition assessment of steel wire ropes on mine winders，1996［S］.