電梯曳引輪曳引能力與輪槽磨損深度關(guān)系研究*

陳建勛，梁敏健，關(guān)成文

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東 珠海 519002）

0 引言

曳引垂直驅(qū)動(dòng)電梯通過(guò)曳引輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轎廂和對(duì)重上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電梯工作。電梯使用過(guò)程中，受鋼絲繩組張力偏差、各輪槽節(jié)圓直徑差異、外來(lái)顆粒物落入輪槽、鋼絲繩表面潤(rùn)滑狀態(tài)惡化、電梯安裝時(shí)曳引輪安裝誤差[1]、輪槽槽底圓與鋼絲繩直徑不匹配等因素影響，曳引輪輪槽將發(fā)生磨損。通過(guò)各輪槽對(duì)比分析，磨損一般可分為均勻磨損和非均勻磨損，均勻磨損表現(xiàn)為各個(gè)輪槽磨損程度一致，非均勻磨損表現(xiàn)為某個(gè)輪槽相對(duì)于其余輪槽磨損明顯更劇烈，曳引輪磨損失效更多表現(xiàn)為非均勻磨損[2－3]。電梯曳引能力大小通常用曳引系數(shù)表征，磨損將導(dǎo)致曳引輪輪槽形狀發(fā)生改變，從而影響曳引系數(shù)，使輪槽的曳引能力發(fā)生改變。當(dāng)非均勻磨損達(dá)到一定程度，電梯在各層站間提升時(shí)鋼絲繩組在曳引輪兩側(cè)的拉力分布將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，使得鋼絲繩在輪槽上周期性滑移，導(dǎo)致轎廂周期性振動(dòng)，影響乘梯體驗(yàn)感[4－5]。當(dāng)曳引輪磨損較嚴(yán)重時(shí)，輪槽曳引能力相對(duì)于正常狀態(tài)時(shí)將發(fā)生巨大變化，甚至導(dǎo)致輪槽卡繩、轎廂沖頂?shù)裙收匣蚴鹿剩瑖?yán)重威脅到乘客生命財(cái)產(chǎn)安全[6]。特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則—曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》2.7驅(qū)動(dòng)主機(jī)一項(xiàng)中規(guī)定：“曳引輪輪槽不得有缺損或者不正常磨損，如果輪槽的磨損可能影響曳引能力時(shí)，進(jìn)行曳引能力驗(yàn)證試驗(yàn)”[7]。曳引能力驗(yàn)證試驗(yàn)是評(píng)估曳引輪磨損狀況是否影響正常使用的直接有效手段。然而試驗(yàn)過(guò)程中為滿足轎廂裝載125%額定載重量的要求，需要搬運(yùn)砝碼進(jìn)出轎廂，對(duì)于超面積載貨電梯還需進(jìn)行靜態(tài)曳引檢查試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中耗費(fèi)巨大人力和物力，且砝碼試驗(yàn)時(shí)存在安全隱患。

目前針對(duì)曳引輪輪槽磨損與曳引能力關(guān)系的研究多是定性判斷，少有定量研究，尤其是對(duì)磨損深度與曳引系數(shù)關(guān)系的研究則更少。本文通過(guò)幾何分析建立了磨損與輪槽特征幾何角度的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)一步對(duì)最常用的帶切口半圓形輪槽當(dāng)量摩擦因數(shù)、曳引系數(shù)與磨損深度關(guān)系進(jìn)行了定量分析。

1 曳引輪輪槽結(jié)構(gòu)

輪槽磨損對(duì)曳引輪曳引能力的影響主要通過(guò)改變輪槽幾何特征尺寸，從而進(jìn)一步改變當(dāng)量摩擦因數(shù)，最終體現(xiàn)為對(duì)曳引系數(shù)的改變。常見(jiàn)輪槽型式主要有半圓形輪槽、帶切口半圓形輪槽和帶切口V形輪槽。3種常見(jiàn)輪槽槽形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要尺寸包括輪槽角度γ、下部切口角度β和槽底擬合圓半徑R。槽底擬合圓圓心位于曳引輪輪槽節(jié)圓上，節(jié)圓半徑隨輪槽磨損不斷變小，因此，可根據(jù)節(jié)圓圓心距離槽邊沿的距離c對(duì)輪槽磨損程度進(jìn)行定量評(píng)估。半圓形輪槽由于曳引能力較小，一般不直接用于曳引輪提升轎廂，該型式輪槽常用于導(dǎo)向輪、反繩輪等無(wú)需承載大載荷的應(yīng)用場(chǎng)合，此外，半圓形輪槽可認(rèn)為是帶切口半圓形輪槽的特例，即下部切口角度為零的帶切口半圓形輪槽[8]。V形槽根據(jù)制造工業(yè)的不同，可分為硬化處理的V形槽和未經(jīng)硬化處理的V形槽，硬化處理的V形槽較難磨損，未經(jīng)硬化處理的帶切口V型槽在新槽初始磨損階段，由于特殊的V形結(jié)構(gòu)，鋼絲繩將發(fā)生變形，不再保持近似圓形截面，因此該種輪槽曳引能力比帶切口半圓形輪槽更大，而隨著磨損的進(jìn)行，V形將進(jìn)一步向半圓形過(guò)渡，帶切口V型輪槽多用于重載貨梯中。本文將重點(diǎn)分析使用最多的帶切口半圓形輪槽。

圖1 曳引輪輪槽形狀

2 槽形角度與磨損深度關(guān)系

忽略鋼絲繩磨損導(dǎo)致其公稱直徑的變化，由圖1（b）中幾何關(guān)系可知，對(duì)于帶切口半圓形輪槽，磨損不會(huì)對(duì)其切口角度β產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)選用的鋼絲繩公稱直徑與輪槽尺寸匹配時(shí)，輪槽磨損不改變槽底圓弧曲率半徑，則當(dāng)帶切口半圓形槽磨損深度為δ時(shí)槽底圓弧的圓心相對(duì)于槽間邊緣下降δ距離時(shí)圖1（b）中尺寸c將變?yōu)閏＋δ。為便于幾何分析，將槽底圓弧圓心下降δ距離等效于該輪槽輪廓的左右兩邊直線段上升δ距離，分析原理如圖2所示。槽底圓弧半徑為R，磨損δ深度后輪槽直線段AA1變化到BB1位置，同時(shí)槽底圓弧與輪廓直線段切點(diǎn)由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，輪槽初始角度為γ，則磨損后變?yōu)棣谩洹Ｎ茨p時(shí)輪槽底部圓弧段切線為AA′，磨損后輪槽圓弧段的新切線為BB′。由角度關(guān)系可知：

圖2 帶切口半圓槽輪槽角度變化分析原理

且有：

將式（2）代入式（1），整理后可得輪槽角度與磨損深度關(guān)系：

圖2中，當(dāng)輪槽磨損量為δ0時(shí)，槽底擬合圓最外側(cè)D點(diǎn)隨磨損過(guò)程下降到接觸輪槽輪廓直線段時(shí)，輪槽角度γ′將減小到0，若進(jìn)一步磨損該角度將不再變化。δ0對(duì)應(yīng)未磨損時(shí)輪槽D點(diǎn)與E點(diǎn)距離，其值為：

以槽底圓弧直徑為10 mm的帶切口半圓形輪槽為例，對(duì)于25°~50°的6種不同初始輪槽角度，輪槽角度隨輪槽磨損深度變化關(guān)系如圖3所示。初始輪槽角度γ越大，則輪槽角度磨損變化到零時(shí)的臨界磨損量δ0越大，且在磨損初期，輪槽角度急劇變小。當(dāng)初始開(kāi)口角度為25°時(shí)，當(dāng)磨損量達(dá)到0.55 mm時(shí)輪槽角度已減小到0。GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全技術(shù)規(guī)范》（下文簡(jiǎn)稱GB 7588—2003）附錄M規(guī)定，對(duì)于半圓槽和帶切口半圓槽，任何情況下，輪槽角度不應(yīng)小于25°，對(duì)于V形槽，輪槽角度不應(yīng)小于35°[9]。

圖3 帶切口半圓槽輪槽角度與磨損深度關(guān)系曲線

3 曳引系數(shù)與磨損深度關(guān)系

根據(jù)參考GB 7588—2003，反映輪槽曳引能力大小的曳引系數(shù)定義為：

式中：G為曳引系數(shù)；f為當(dāng)量摩擦因數(shù)；α為鋼絲繩在曳引輪上的包角，單位為弧度。

輪槽曳引能力大小最終決定于當(dāng)量摩擦因數(shù)和鋼絲繩在輪槽上的包角。對(duì)于曳引比為1∶1的單繞式曳引系統(tǒng)，當(dāng)曳引輪某個(gè)輪槽發(fā)生不正常磨損時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系，包角與輪槽磨損量間關(guān)系為：

式中：W為曳引輪與導(dǎo)向輪軸線的水平距離；H為曳引輪與導(dǎo)向輪軸線的鉛錘距離；D為未發(fā)生磨損曳引輪的節(jié)圓直徑。

電梯安裝后，W和H一般不發(fā)生改變，D與輪槽出廠規(guī)格有關(guān)，這3個(gè)系數(shù)可看作常數(shù)。根據(jù)式（6）可知，輪槽磨損將使包角減小，但由于磨損量δ遠(yuǎn)小于曳引輪與導(dǎo)向輪軸線間的距離為W2＋H2，輪槽磨損對(duì)包角的減小程度并不明顯，故磨損導(dǎo)致的包角變化對(duì)曳引能力的影響可忽略不計(jì)[10]。

參考GB 7588—2003附錄M，對(duì)于半圓形輪槽和帶切口半圓形輪槽，當(dāng)量摩擦因數(shù)可表示為[9]：

式中：μ為摩擦因數(shù)，裝載工況下取值0.1。

對(duì)于未經(jīng)硬化處理的V形槽，為了限制由于磨損而導(dǎo)致的曳引條件急劇惡化，下部切口是必要的，磨損將改變下部切口角度，從而改變當(dāng)量摩擦因數(shù)，轎廂裝載和緊急制停工況下，當(dāng)量摩擦因數(shù)與切口角度關(guān)系為：

對(duì)于經(jīng)硬化處理后的V形槽，其當(dāng)量摩擦因數(shù)與輪槽下部切口角度和摩擦因數(shù)有關(guān)，由于輪槽表面硬度較大，不易被鋼絲繩磨損，暫不考慮該情況。

由式（3）、式（5）和式（7）可計(jì)算出帶切口半圓槽曳引系數(shù)與磨損深度關(guān)系，計(jì)算半圓形輪槽時(shí)β′取值為零，計(jì)算帶切口半圓形輪槽時(shí)β′取初始切口角度計(jì)算。

以鋼絲繩包角為160°、槽底圓弧直徑為10 mm、切口角度為90°、初始輪槽角度為45°的帶切口半圓槽曳引輪為例，裝載工況下曳引系數(shù)與磨損深度關(guān)系如圖4所示。在磨損初始階段，曳引系數(shù)隨磨損深度的變大而變大，磨損越大其變化程度越不明顯，當(dāng)磨損量達(dá)到0.98 mm時(shí)，由于輪槽角度減小到0，鋼絲繩圓周的一半已經(jīng)嵌入輪槽，曳引系數(shù)不再進(jìn)一步變大，曳引系數(shù)最終提高到1.774，相對(duì)于未磨損時(shí)的1.635提高了8.5%。

圖4 帶切口半圓槽曳引系數(shù)與磨損深度關(guān)系曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

曳引輪的曳引能力與當(dāng)量摩擦因數(shù)和鋼絲繩在曳引輪上的包角有關(guān)，而磨損對(duì)包角的影響是及其微弱的，而當(dāng)量摩擦因數(shù)是輪槽槽形角和摩擦因數(shù)的函數(shù)。通過(guò)研究輪槽磨損深度與槽型角的幾何關(guān)系，并建立曳引系數(shù)與磨損深度數(shù)學(xué)關(guān)系，可對(duì)輪槽曳引能力進(jìn)行定量分析，為輪槽磨損程度評(píng)估提供參考。若鋼絲繩與曳引輪輪槽表面狀況不發(fā)生改變，則輪槽磨損越嚴(yán)重曳引能力越大。在電梯實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在鋼絲繩表面銹蝕、輪槽表面被外部油污污染等因素影響下，曳引輪與鋼絲繩間摩擦因數(shù)將改變，同樣會(huì)導(dǎo)致曳引能力變化。尤其是在曳引輪－鋼絲繩界面過(guò)潤(rùn)滑狀態(tài)下，例如變速箱泄漏的油飛濺至鋼絲繩或曳引輪輪槽上，將導(dǎo)致曳引能力急劇下降，導(dǎo)致電梯曳引能力驗(yàn)證試驗(yàn)失敗，使用時(shí)極有可能發(fā)生轎廂運(yùn)動(dòng)失控。對(duì)曳引能力變化進(jìn)行判斷時(shí)應(yīng)考慮輪槽磨損狀況和輪－繩間界面狀況，并結(jié)合兩方面因素進(jìn)行綜合分析。