高速電梯主軸組件失效分析及檢測方法研究*

蘇萬斌,江葉峰,徐 鋒,易燦燦

(1.嘉興市特種設備檢驗檢測院，浙江 嘉興 314050；2.寧波宏大電梯有限公司，浙江 寧波 315000；3.武漢科技大學，湖北 武漢 430081)

0 引言

高速電梯主軸組件是電梯曳引機的核心部件，主軸組件在長期變速變載運行中承載著較大的沖擊轉矩和彎矩[1，2]，主軸本體及軸承的輕微失效都有可能導致主機的異響或者振動，嚴重失效可能導致曳引輪位移、輪槽磨損以及鋼絲繩滑出輪槽等，給電梯的使用埋下嚴重的安全隱患。特別是在超高速電梯中，一旦發生主軸斷裂或者軸承損壞，將直接導致電梯事故，后果不堪設想[3]。為此，本文結合高速電梯曳引機主軸的工作環境，對主軸組件失效模式及失效機理進行分析，并提出一種新的高速電梯曳引機主軸失效的檢測思路。

1 高速電梯曳引機結構原理

按運行速度來劃分，電梯主軸的布置形式分為雙支撐懸臂結構和雙支撐簡支結構[4]。高速電梯主要采用雙支撐簡支結構的永磁同步無齒輪曳引機，主要由支架底座組件、主軸組件(包含主軸和軸承)、曳引輪、鉗式制動器等組成，如圖1所示。雙支撐簡支結構永磁同步無齒輪曳引機的工作原理是通過快速電流跟蹤的變頻裝置和高精度速度傳感器(編碼器)的檢測、反饋以及控制，主軸和曳引輪以同步轉速進行轉動；同時，由電動機直接驅動曳引輪，通過曳引輪與鋼絲繩的摩擦來實現電梯轎廂的上下運動[5]。

高速電梯的主軸組件主要用于安裝曳引輪，主軸組件在整個高速電梯曳引系統中起到了承載、傳動力和扭矩的作用，主軸組件的強度對曳引系統的穩定性和安全性起著至關重要的作用[6]。由通用的雙支撐簡支結構永磁同步無齒輪曳引機的主軸組件布局結構可知，在主軸的一端需要承載驅動電機施加在其上的驅動扭矩T2；在主軸支點中間受到電梯曳引系統中轎廂、對重等產生的載荷力，致使產生徑向載荷F；同時由于曳引輪安裝在主軸上，運行中的曳引系統產生的載荷會直接作用到主軸上，致使主軸會受到電梯運行系統產生的變載扭矩T1。雙支撐簡支結構受力示意圖如圖2所示。

1-支架底座組件；2-鉗式制動器；3-主軸組件；4-曳引輪

圖2 雙支撐簡支結構受力示意圖

高速電梯主軸組件徑向載荷F主要包括靜載荷、動載荷和附加載荷[7，8]。靜載荷主要包括傳動主軸自身的重量和安裝到傳動主軸上的槽輪、軸承、轉子以及編碼器自重等，此外還包括電梯載重、電梯轎廂自重、對重重量、曳引鋼絲繩重量、隨行電纜重量、補償裝置重量及曳引輪重量。動載荷是由于電梯運行過程中，轎廂上下運動，且有時空載，有時滿載，使得轎廂的載荷始終在上下波動，鋼絲繩載荷也在上下波動，傳動主軸受到的載荷力在不斷地變化；另外，即使轎廂內的載荷固定，電梯在上下運行中，經過加速-勻速-減速過程，受到慣性力的作用，鋼絲繩傳遞到槽輪上的載荷力也在不斷變化，槽輪安裝在傳動主軸軸端位置，這種載荷力的不斷變化同時又會傳遞給傳動軸，使作用在傳動軸上的載荷力在不停地變化。高速電梯實際運行過程中，曳引機主軸還會受到一些附加載荷，如慣性力、沖擊力以及軸承座變形產生的附加力等。

2 高速電梯主軸組件的失效分析

2.1 高速電梯主軸組件的失效模式及其表現特征

高速電梯主軸額定轉速為4 m/s～10 m/s，甚至更高，電梯的曳引輪、軸承及制動器等都安裝在主軸上，主軸本體在工作中承載著轉矩和彎矩，并通過回轉運動將力矩傳遞給槽輪。主軸長期服役于高速變載工況下，在外負荷、轎廂、對重等載荷作用下會影響主軸的動平衡特性，最直接、明顯的表現特征就是主軸振動加劇和溫度升高。高速電梯主軸軸承最普遍和典型的失效模式是滾動體和內外滾道的嚴重磨損。軸承在設計制造安裝過程中主軸與軸承內圈之間、軸承內圈-滾動體-軸承外圈之間、軸承外圈與軸承座之間均是間隙配合。當主軸在高速運轉下受到特定的載荷，尤其是啟制動過程中的沖擊載荷時，這些間隙之間就會有沖擊，另外軸承轉動時軸承中的潤滑油會產生流體噪聲和振動，嚴重時會導致軸承乃至整根主軸組件的振動。

由高速電梯曳引機主軸組件的結構原理和實際受力分析可知，高速電梯曳引機主軸組件受到徑向載荷、驅動扭矩和變載扭矩的作用，在結構上除了要達到設計要求之外，還應重視加工和裝配過程中的工藝問題。由于主軸在設計時強度和剛度系數很高，相對于主軸本體而言軸承可靠性更為薄弱。所以，高速電梯曳引機主軸組件的失效模式只要分析主軸軸承的失效模式即可，軸承是高速電梯主軸組件的主要薄弱環節，主軸軸承的失效所產生的表現特征是軸承振動劇烈及其溫度升高，因此本文主要針對高速電梯主軸軸承的失效進行分析。

2.2 高速電梯主軸軸承的失效機理分析

高速電梯曳引機主軸軸承在工作中喪失其規定的功能，導致故障或不能正常工作的現象稱為失效。軸承的失效可分為早期失效和正常失效兩種。按其失效機理可大致分為：磨損失效、接觸疲勞失效、塑性變形失效、腐蝕失效、斷裂失效和游隙變化失效等幾種基本形式。高速電梯主軸長期服役于高速變載工況下，除了正常的軸承疲勞磨損外，更多情況是軸承的磨損、打滑失效引起的摩擦磨損。主軸軸承發生磨損失效的原因如下：

(1) 主軸組件受變載扭矩引起的軸承失效。主軸組件承擔電梯運行過程中的驅動電機動力輸出和載荷扭矩、啟動過程中的加速扭矩、減速過程中的減速扭矩和制動過程中的沖擊扭矩等，主軸組件承載工況復雜，服役過程中疲勞是其主要失效形式。在電梯正常載荷狀況下，主軸上受到垂直方向的彎矩，在啟動加速和減速過程中，受到彎曲應力與扭轉應力，在停電等非正常工況下，載荷對主軸組件產生很大的沖擊作用，作為主軸組件最薄弱的軸承處最容易產生失效，軸承嚴重的疲勞失效會導致整個曳引系統癱瘓，甚至使整機喪失啟動、減速、制動等功能。

(2) 主軸組件裝配不當引起的軸承失效。高速電梯主軸長期承受著機械沖擊和反復換向，對于主軸及軸承的裝配精度要求非常高。主軸本體與軸承、主軸組件與曳引機本體安裝時如果發生傾斜、軸承座未完全托住軸承等則會導致整套軸承各零件之間受力狀態發生變化，這種受力狀態的變化在軸承運轉過程中會轉變成一種局部應力，會加速軸承的失效。另外，軸承安裝時如果配合游隙增大，工作表面形貌變化而喪失旋轉精度，使軸承的振動加劇，直至不能正常工作。

(3) 軸承本身質量缺陷引起的軸承失效。軸承的制造加工是個復雜的過程，有很多原因會引起軸承本身質量缺陷。軸承制造要經過鑄造、鍛造、熱處理、車削、磨削和裝配等工序，軸承的使用性能和可靠性都受到加工工藝的影響，尤其是軸承的熱處理和磨削加工，直接與軸承的失效有關。由于軸承的加工精度等差異，即使相同尺寸、相同材料以及同一批生產出來的軸承，在完全相同的條件下工作，它們的壽命也會不相同。因此，如果選用了存在質量缺陷的軸承，發生失效的概率也就加大。

3 高速電梯主軸組件的失效檢測技術與方法

對于高速電梯曳引機主軸組件現有的失效檢測一般是通過拆卸后檢測和轎廂內的間接綜合性能檢測來實現。失效主軸的拆卸檢測是通過對外觀分析[9-13]，并結合主軸材料的化學成分、顯微組織和非金屬夾雜物進行檢測，主要集中在曳引機主軸發生槽輪脫落、折斷、開裂、彎曲和支撐傳動主軸的軸承受力變形失效的檢測；另外通過轎廂內的間接綜合性能檢測來實現對曳引機的振動和噪聲的檢測，但現有的檢測儀器和技術均無法進一步對主軸組件的失效進行檢測分析。高速電梯主軸顯著的失效表現特征就是軸承溫度升高和振動，當主軸組件發生故障時，其振動和溫度信號會表現出明顯的非線性、非平穩性。對于非線性、非平穩振動和溫度信號，需要采用合適的時頻分析方法提取故障特征分量。

高速電梯主軸組件中的軸承在運轉過程中由于摩擦的原因會發熱，并且當軸承表面出現磨損或損傷后，這種摩擦會加劇，因而發熱也會增加，軸承的溫度也會升高。當軸承的振動甚至整個主軸的振動加劇時，這種振動的加劇可以通過某些振動參數的變化體現出來。因此，建立主軸組件失效特征與振動、溫度之間的在線分析系統進行主軸的失效性能分析，是主軸安全性能評估的一條新思路，主軸失效檢測系統如圖3所示。

圖3 主軸失效檢測系統

4 結語

高速電梯主軸組件作為電梯曳引機的核心部件，相對于普通低速電梯而言，高速電梯曳引機主軸在長期的變速變載中運行，高速電梯主軸組件的性能決定著整個曳引機乃至整體的安全性能，主軸組件的輕微失效均有可能產生嚴重的后果，在實際使用與檢驗過程中，一旦發現主軸組件周圍存在異響或者振動現象，對其進行有針對性的失效檢測有著極其重要的現實意義。