電梯典型曳引鋼絲繩張力不均現象的研究分析

周顯元，王進，芮道道

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院，湖南 長沙 410117）

0 引言

電梯曳引鋼絲繩作為電梯的重要部件，一方面懸掛承受著轎廂、對重以及乘客的重量，另一方面與曳引輪摩擦牽引實現轎廂上下運動。電梯是八大類特種設備之一，根據《特種設備法》的規定，必須對在用電梯進行定期檢驗，在現場檢驗工作中，發現有曳引鋼絲繩張力不均的現象存在，典型情況如圖1、圖2所示，電梯鋼絲繩為5根，圖中的鋼絲繩編號都是一一對應，編號相同說明對應同一根鋼絲繩。圖1所示為轎廂側鋼絲繩繩頭在轎廂處于頂層時和轎廂處于底層時的狀況，當轎廂在頂層時，轎廂側3#和5#鋼絲繩張力較小，其余3根鋼絲繩張力較大，轎廂在底層時，情況則相反，圖2所示為對重側鋼絲繩繩頭在轎廂處于頂層時和轎廂處于底層時的狀況，轎廂在頂層時，對重側3#和5#鋼絲繩張力較大，其余3根鋼絲繩張力較小，轎廂在底層時，情況則相反。

圖1 轎廂側鋼絲繩繩頭張力狀況

圖2 對重側鋼絲繩繩頭張力狀況

根據電梯相關標準要求，電梯鋼絲繩之間張力差不應大于5%，如果鋼絲繩張力嚴重不均會對電梯的安全使用產生較大影響[1]：①大大縮短鋼絲繩和曳引輪的使用壽命，給使用單位帶來沉重的負擔，造成整個社會的巨大浪費。②容易產生鋼絲繩跳槽，存在重大安全隱患。③曳引能力減小，當電梯緊急制動情況下，鋼絲繩在曳引輪上滑移超過限度，存在重大安全隱患。④對電梯的乘坐舒適性影響明顯，甚至報故障自動停梯，影響正常使用。

本文通過對電梯的張力情況進行研究，分析其內在原因，提出改善和避免此種現象的措施。

1 鋼絲繩張力調整情況工作介紹

本文以圖1和圖2所示繩頭電梯為例，檢驗后出具鋼絲繩張力調整意見，與使用單位溝通了解到，該臺電梯更換過3根鋼絲繩，雖然維保公司建議全部更換，但使用單位考慮使用成本，沒有選擇全部更換，只更換了3根鋼絲繩，編號分別為：1#、2#、4#，更換后就出現了鋼絲繩張力不均的現象。該臺電梯現場檢驗發現鋼絲繩張力不均后的調整過程筆者全程參與，圖1和圖2所示鋼絲繩繩頭的狀態是經過調整之后的狀況。更換過的1#、2#、4#鋼絲繩繩頭螺桿已經沒有調整空間，選擇在轎廂側繩頭處依次截短長度為170mm、190mm、130mm的鋼絲繩，截短的長度相對于舊鋼絲繩多截短了100mm，因為考慮到新舊鋼絲繩的彈性模量的區別[2]，彈性模量是指材料在彈性變形階段，應力與應變之間的比例系數，新鋼絲繩開始時彈性模量較小，受拉后彈性變形大，隨著使用時間的增加，彈性模量增加，彈性變形變小，恢復各自的繩頭裝置，慢車全程運行多次，鋼絲繩基本走順，后面根據相應的張力調整方法多次重復的調節，都無法達到理想的效果，情況如圖1和圖2所示，這種張力難以調整至符合要求的情況在現實中非常具有典型性，應主要考慮兩方面的原因：①新舊鋼絲繩之間彈性模量差別大；②新舊鋼絲繩在曳引輪上的旋轉半徑不同，后文將主要從這兩方面來研究分析其機理，并且分析某一因素時都是假定另外一種因素不產生影響。

2 鋼絲繩彈性模量的差別對張力的影響分析

不但新舊程度的鋼絲繩之間的彈性模量區別大，不同批次制造的鋼絲繩彈性模量也會有明顯的區別，當轎廂停在中間樓層時，通過調節繩頭螺桿實現鋼絲繩之間張力均衡，轎廂上下運行后，鋼絲繩會經過曳引輪，當轎廂向下運行時，對重側的鋼絲繩會經過曳引輪來到轎廂側[3]。在電梯運行過程中，轎廂的重量是從空載到額載、從最低樓層到最高樓層變化的，對重的重量與轎廂的重量差別大，轎廂側與對重側的鋼絲繩張力差別也會大，如果鋼絲繩之間彈性模量差別大，鋼絲繩的彈性變形程度也會明顯不同，鋼絲繩在軸向力作用下的彈性變形：ε=σ／Es，式中ε為鋼絲繩的軸向應變，σ為鋼絲繩受的軸向應力，Es為彈性模量。在彈性范圍內變形可以進行下列公式的近似推導：

由公式1和公式2推倒出下面公式3和公式4：

上式中，L為張緊狀態但幾乎無變形時鋼絲繩長度；A為鋼絲繩的截面積；△L1為鋼絲繩受力F1時鋼絲繩的伸長量，△L2為鋼絲繩受力F2時鋼絲繩的伸長量；Es為鋼絲繩彈性模量；△L為鋼絲繩受到不同拉力情況下伸長量的區別，△F為鋼絲繩受到拉力大小差值。

假定有1#、2#、3#鋼絲繩承載重物的總重量（6G），開始時3根鋼絲繩長度相同，每根承載的重量都是2G，1#、3#鋼絲繩模擬的是舊鋼絲繩，假設彈性模量為1.1Es,2#鋼絲繩為新鋼絲繩，假設彈性模量為Es，當重物的重量變為3G時，按照理想狀態應該是每根鋼絲繩承載的重量為G，但因為鋼絲繩彈性模量的區別，鋼絲繩承載的重量會有所不同，承載的重量發生變化而鋼絲繩系統達到新的平衡后，每根鋼絲繩的變形量△L是相同的，設舊鋼絲繩的最終張力為FO，張力變化量為△FO，設新鋼絲繩的最終張力為FN，變化量為△FN,根據題設列出下面的公式5和公式6：

列方程組如下：

從上面的計算結果可以得出，如果鋼絲繩之間的彈性模量差別比較大，即使轎廂停在某個位置時將張力調整均衡，電梯運行，對重側與轎廂側質量差別明顯，鋼絲繩經過曳引輪，彈性模量不同的鋼絲繩的張力會發生不同的變化[4]。

3 鋼絲繩在曳引輪處旋轉直徑對張力的影響分析

鋼絲繩在曳引輪處旋轉直徑的不同可能有兩方面原因：鋼絲繩直徑的差別；曳引輪槽磨損程度的不同。現場用寬口游標卡尺測量現場5根鋼絲繩直徑，1#、2#、4#新鋼絲繩的直徑與3#、5#鋼絲繩的直徑基本沒有區別，在此忽略，現場測量鋼絲繩的旋轉直徑，測量位置選擇靠近曳引輪處，在垂直方向用鋼板尺緊靠鋼絲繩[5]，發現3#、5#鋼絲繩與鋼板尺之間存在明顯間隙，其他3根新換鋼絲繩沒有間隙，用塞尺測量間隙尺寸，3#鋼絲繩處間隙尺寸0.15mm，5#鋼絲繩處間隙0.4mm，換算后，3#鋼絲繩旋轉直徑比1#、2#、4#鋼絲繩小0.3mm，5#鋼絲繩旋轉直徑比1#、2#、4#鋼絲繩小0.8mm，曳引輪的節圓直徑為450mm，忽略鋼絲在曳引上打滑的影響，曳引輪每轉動一圈，3#鋼絲繩經過曳引輪的長度比1#、2#、4#鋼絲繩短0.94mm（π×0.3），5#鋼絲繩經過曳引輪的長度比1#、2#、4#鋼絲繩短2.5mm（π×0.8）。樓層27層，每層高度3m，轎廂從底層運行到頂層，曳引輪大概需要旋轉120圈，以5#鋼絲繩為例，經過曳引輪的鋼絲繩長度相比1#、2#、4#鋼絲繩短了300mm，第一會造成5#鋼絲繩的張力變化很大，這就能夠很好的說明了5#鋼絲繩繩頭張力變化程度很大，第二會造成鋼絲繩在曳引上的滑移嚴重，這也能很好說明了在電梯運行過程當中繩頭突然跳動的現象，更是進一步加劇曳引輪的磨損。

4 結語

本文通過研究一種典型的電梯曳引鋼絲繩張力不均現象，分析其產生原因主要有兩個方面：①新舊鋼絲繩之間彈性模量差別大對張力的影響；②曳引輪繩槽磨損差異或者鋼絲繩直徑區別導致的鋼絲繩在曳引輪處的旋轉直徑的不同。據此提出減少和避免此種情況的建議措施：①鋼絲繩需要更換時應當全部更換，保證鋼絲繩之間彈性模量差別不大；②電梯如果出現鋼絲繩張力不均現象應及時調整，如果張力調整不及時而使曳引輪繩槽磨損差異較大，這種情況就會造成鋼絲繩張力難以調整，只有通過更換曳引輪才能解決問題。這為改善廣大在用電梯的使用狀況、減輕使用單位電梯維護成本提供理論指導，具有重要的社會意義。