電梯用曳引媒介檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究

陳 述,汪 宏,劉延雷,李偉忠,房書繼

(杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，浙江 杭州 310018)

0 引言

19世紀(jì)中期，電梯作為垂直空間內(nèi)的交通工具開始進(jìn)入人們的視野并逐漸得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市中的高層建筑越來越多。電梯已經(jīng)成為現(xiàn)代城市建設(shè)中不可缺少的運(yùn)輸工具[1]，數(shù)量增長(zhǎng)迅速。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局公布的數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國(guó)在用電梯數(shù)量為786.55萬(wàn)臺(tái)。我國(guó)已成為全球重要的電梯制造基地和電梯市場(chǎng)。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，從安全聯(lián)鎖、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)到曳引媒介，各類新型節(jié)能安全技術(shù)及新材料的應(yīng)用，為電梯行業(yè)的技術(shù)水平提升帶來新機(jī)。這既是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能增效政策，又是電梯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[2]。其中，曳引媒介的更替尤為突出。近年來，市場(chǎng)上以非鋼絲繩為曳引媒介的電梯產(chǎn)品層出不窮。奧的斯公司在2000年開發(fā)了采用扁平復(fù)合鋼帶作為曳引媒介的新型電梯。迅達(dá)公司3300系列電梯采用纖維曳引繩作為曳引媒介。

曳引媒介是電梯的重要部件，作為轎廂和主機(jī)之間的連接，承受整個(gè)轎廂及乘客的載荷。一方面，長(zhǎng)期承載拉應(yīng)力的曳引媒介，在使用過程中易出現(xiàn)疲勞、磨損甚至驟斷現(xiàn)象[3]；另一方面，井道陰濕環(huán)境易引起曳引媒介的銹蝕，各類損傷導(dǎo)致的承載能力下降，為設(shè)備及乘客人身安全帶來隱患。因此，對(duì)電梯用曳引媒介開展行之有效的檢驗(yàn)檢測(cè)具有重要意義[4-5]。本文以復(fù)合鋼帶及鋼絲繩為主要研究對(duì)象，基于電梯用曳引媒介檢驗(yàn)檢測(cè)方法開展討論，介紹了鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展，并對(duì)復(fù)合鋼帶電梯檢驗(yàn)檢測(cè)方法進(jìn)行探討，最后結(jié)合探討提出未來研究方向。

1 曳引媒介的發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)電梯常用的曳引媒介主要有鋼絲繩和復(fù)合鋼帶兩大類。鋼絲繩使用時(shí)間長(zhǎng)，相關(guān)檢驗(yàn)檢測(cè)方法豐富，專家學(xué)者開展的研究也較多。復(fù)合鋼帶電梯起步較晚。由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和現(xiàn)有檢驗(yàn)檢測(cè)方法的局限性，使基于復(fù)合鋼帶電梯的檢驗(yàn)檢測(cè)及研究相對(duì)較少。

電梯中的曳引裝置主要起承重和驅(qū)動(dòng)的作用，是電梯中的重要零部件[6]，而曳引媒介更是其中的核心零配件。與傳統(tǒng)鋼絲繩相比，復(fù)合鋼帶對(duì)繩股進(jìn)行了重新排布，在維持鋼絲繩強(qiáng)度的前提下增大了曳引力。新技術(shù)采用聚氨脂層取代了繩芯，包裹在鋼絲繩股周圍的復(fù)合層起到了防銹和防磨損的作用。復(fù)合鋼帶以質(zhì)量輕、折彎半徑小、曳引噪聲小、不需要定期潤(rùn)滑等特點(diǎn)受到各大電梯廠商的關(guān)注，市場(chǎng)占有率不斷攀升。奧的斯機(jī)電首先完成了鋼帶曳引系統(tǒng)的理論論證和實(shí)梯制造。隨后，各大電梯制造商也推出了以復(fù)合鋼帶為承載部件的電梯產(chǎn)品[7]。

另一方面，2018年老舊小區(qū)電梯加裝寫入了政府工作報(bào)告，電梯加裝工程受到重視。加裝電梯多采用無(wú)機(jī)房結(jié)構(gòu)并采用復(fù)合鋼帶作為曳引元件。隨著各地加裝電梯工作的推進(jìn)，復(fù)合鋼帶電梯市場(chǎng)銷量逐年增長(zhǎng)。盡管復(fù)合鋼帶電梯在工藝、結(jié)構(gòu)、維保、檢驗(yàn)檢測(cè)方面都與鋼絲繩電梯存在差異，但GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中并未對(duì)復(fù)合鋼帶電梯提出特殊要求；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》中，同樣也沒有針對(duì)復(fù)合鋼帶電梯的檢驗(yàn)要求；電梯用非鋼絲繩懸掛裝置的標(biāo)準(zhǔn)于2021年6月正式實(shí)施。另外，市場(chǎng)上缺乏符合計(jì)量要求的便攜式的檢測(cè)設(shè)備，一線檢驗(yàn)人員對(duì)于復(fù)合鋼帶電梯的檢驗(yàn)(尤其是鋼帶內(nèi)部鋼絲缺陷的檢測(cè))缺乏可操作性。復(fù)合鋼帶的鋼絲繩股包裹在聚氨酯內(nèi)部，內(nèi)部鋼絲的直徑變小或斷絲，其損傷或斷裂狀況不易被察覺，直接影響復(fù)合鋼帶的承載能力和使用性能，對(duì)電梯安全運(yùn)行形成重大隱患[8]。

2 電梯用曳引媒介檢測(cè)技術(shù)

近年來，我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的總體水平與綜合實(shí)力已經(jīng)得到大幅度的提升，將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到電梯用曳引媒介檢測(cè)是行之有效的方法[9]。鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是指在不破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼絲繩內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)鋼絲繩的安全性能作出評(píng)價(jià)。鋼絲繩的失效形式一般分為繩股斷裂、繩徑縮小、伸長(zhǎng)變形和銹蝕破損4類[10]。鋼絲的斷裂一般發(fā)生在與滑輪的接觸面。如果破斷發(fā)生在外部往往可見，通過宏觀檢測(cè)即可發(fā)現(xiàn)；但內(nèi)部鋼絲的破斷就需要無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[11]。目前，常用方法主要包括磁檢測(cè)和非磁檢測(cè)技術(shù)[12]。

2.1 鋼絲繩曳引電梯檢驗(yàn)檢測(cè)

TSG T7001—2009中有對(duì)曳引媒介為鋼絲繩的檢驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)下列3種情況之一時(shí)，該鋼絲繩應(yīng)當(dāng)報(bào)廢：①出現(xiàn)籠狀畸變、繩芯擠出等情況；②斷絲分散出現(xiàn)在整條鋼絲繩等情況；③磨損后的鋼絲繩直徑小于公稱直徑的90%。根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME 1571—2001《鐵磁性鋼絲繩電磁檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》要求，鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)原理分為3類：交流電磁類、直流和永磁類、漏磁類。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21837—2008《鐵磁性鋼絲繩電磁檢測(cè)方法》在參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際，增加了“剩磁類方法”。目前常采用的電磁無(wú)損檢測(cè)法具有無(wú)損、非接觸和實(shí)時(shí)的特點(diǎn)[13]。這種方法可在保證鋼絲繩的力學(xué)性能的前提下，對(duì)鋼絲繩的機(jī)械性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)等進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和相應(yīng)的準(zhǔn)則對(duì)鋼絲繩狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[14]。該方法因靈敏度高、可靠性好、成本低而得到廣泛應(yīng)用[15]。

1906年，南非科學(xué)家R.Colson和C.McCann研制的鋼絲繩電磁無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，采用交流(alternating current,AC)勵(lì)磁法勵(lì)磁，用于測(cè)量鋼絲繩的截面積損失。但由于集膚效應(yīng)和渦流損失，該方法存在檢測(cè)滲透深度低和檢測(cè)過程中鋼絲繩劇烈發(fā)熱等缺點(diǎn)。1925年開始，德國(guó)的科研人員才成功開發(fā)出實(shí)用的電磁鋼絲繩檢測(cè)儀器，可以用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[16]。1925～1955年，國(guó)外研究者開發(fā)了大量基于直流(direct current,DC)方法的鋼絲繩檢測(cè)儀器。基于DC方法的儀器因直流勵(lì)磁與檢測(cè)線圈安裝方面的困難，同時(shí)存在儀器結(jié)構(gòu)龐大和操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，逐漸被永磁法替代[17]。1964年，H.R.Weischedel使用永磁體作為勵(lì)磁源，研發(fā)了一款鋼絲繩電磁檢測(cè)儀器[18]。1978年，B.G.Marchent發(fā)明了一款利用永磁體和電磁體磁化鋼絲繩用來檢測(cè)鋼絲繩缺陷的儀器[19]。1995年，加拿大的研究人員提出了金屬面積變化 (total change in metallic area，TCMA)檢測(cè)的概念，即經(jīng)過一段時(shí)間的使用后鋼絲繩金屬橫截面積相對(duì)出廠時(shí)金屬橫截面積的變化程度，突破了金屬橫截面積損失(loss of metallic cross-sectional area,LMA)檢測(cè)需要尋找檢測(cè)基準(zhǔn)的缺陷[20]。1999年，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的J.M.Nussbaum設(shè)計(jì)出2套由30個(gè)霍爾元件組成的檢測(cè)陣列構(gòu)成的傳感器，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，在斷絲的空間定位方面獲得了成功[21]。2018年，Kaur.Akshpreet發(fā)明了一種基于漏磁原理的新型鋼絲繩測(cè)試儀。該儀器將霍爾效應(yīng)傳感器安裝在磁軛內(nèi)部，只要鋼絲繩的缺陷通過傳感器，就能產(chǎn)生缺陷信號(hào)[22]。

我國(guó)對(duì)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代初期，直至70年代初研發(fā)出第一代TGS型鋼絲繩探傷設(shè)備[23]。80年代，華中科技大學(xué)的楊叔子、康宜華等開始研究鋼絲繩斷絲檢測(cè)技術(shù)，研制出MTC-94型鋼絲繩探傷儀和GDJY系列鋼絲繩斷絲定量檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了斷絲的定量檢測(cè)[24-25]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和撫順煤礦分院于1994年成功研制了GST型鋼絲繩探傷儀。該儀器可同時(shí)進(jìn)行局部缺陷(localized fault，LF)和LMA損傷檢測(cè)[26]。2006年，金屬磁記憶技術(shù)被應(yīng)用于鋼絲繩損傷診斷性檢測(cè)。該技術(shù)無(wú)需人工勵(lì)磁裝置，運(yùn)用高靈敏探頭即可直接接收鋼絲繩缺陷在地磁場(chǎng)作用下的漏磁信號(hào)[27]。2013年，江蘇省特檢院的許建芹、鄒建華等提出了研究多回路電梯曳引鋼絲繩高速探傷設(shè)備的基本方法[28]。2020年，黃博思等開展電梯鋼絲繩漏磁檢測(cè)試驗(yàn)研究，將漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于電梯鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)[29]。2021年，西安科技大學(xué)的路正雄、郭衛(wèi)等開發(fā)了一種基于平行磁化NdFeB磁體段的新型鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)儀。該儀器具有較高的靈敏性和有效性[30]。

2.2 復(fù)合鋼帶電梯檢驗(yàn)檢測(cè)

復(fù)合鋼帶作為電梯曳引媒介，由若干根平行布置的鋼絲繩芯外敷高分子材料聚氨酯融合而成。工作時(shí)，鋼絲繩芯承載著鋼帶上的絕大部分載荷。現(xiàn)行電梯允許使用其他類型懸掛裝置(如復(fù)合鋼帶)，但GB 7588—2003缺乏覆蓋復(fù)合鋼帶制造和安裝安全要求的內(nèi)容，TSG T7001—2009中同樣沒有與復(fù)合鋼帶檢驗(yàn)匹配的條目，而多項(xiàng)與電梯用非鋼絲繩懸掛裝置的標(biāo)準(zhǔn)還未落地實(shí)施。因此，一線檢驗(yàn)人員無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)合鋼帶內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)檢測(cè)，只能參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)鋼絲繩的檢驗(yàn)要求和方法，同時(shí)結(jié)合制造單位產(chǎn)品說明書中的相關(guān)規(guī)定對(duì)復(fù)合鋼帶進(jìn)行檢驗(yàn)。

復(fù)合鋼帶正常磨損過程經(jīng)歷3個(gè)階段：鋼帶聚氨酯表面磨亮、表面看到鋼絲痕跡和鋼絲外漏。

復(fù)合鋼帶是新型曳引媒介，在使用過程中除正常磨損外還時(shí)常發(fā)生強(qiáng)度損失問題，如斷股、磨損等，影響電梯的正常運(yùn)行。由于目前市場(chǎng)上電梯復(fù)合鋼帶產(chǎn)品類型較少，相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)方法也比較少，主要存在以下3種無(wú)損檢測(cè)方法：磁通量檢測(cè)法[31]、壽命設(shè)定法和電阻檢驗(yàn)法[32]。目前，電梯生產(chǎn)廠家主要采用電阻檢驗(yàn)法，監(jiān)測(cè)電梯復(fù)合鋼帶的斷股缺陷。

Lei HuaMing和 Tian GuiYun提出了一種磁通量檢測(cè)法來檢測(cè)電梯用鋼帶中斷絲的無(wú)損檢測(cè)方法。該方法使用一對(duì)傳感器檢測(cè)鋼帶，形成差分信號(hào)，對(duì)斷絲數(shù)量的檢測(cè)有較高精確度。江蘇省特檢院的胡曉通過對(duì)鋼帶電阻檢測(cè)法的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了鋼帶繩芯電阻變化率與鋼帶強(qiáng)度之間的關(guān)系，提出了將壽命設(shè)定法和電阻測(cè)量法結(jié)合的綜合檢測(cè)方法。山西惠達(dá)澳星科技有限公司提出了一種電梯復(fù)合鋼帶無(wú)損檢測(cè)裝置及方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)精度低、容易漏檢、抗干擾能力差和準(zhǔn)確性差的問題。該檢測(cè)方法處于原理樣機(jī)階段，尚未商品化[33]。洛陽(yáng)威爾若普檢測(cè)技術(shù)有限公司研發(fā)了W-GDAJ型電梯復(fù)合鋼帶安監(jiān)裝置。該裝置可以對(duì)復(fù)合鋼帶內(nèi)部鋼芯斷裂進(jìn)行識(shí)別，但無(wú)法確定復(fù)合鋼帶的斷芯位置。此外，該裝置需要固定安裝，不便于攜帶。對(duì)于檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)而言，該儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的檢驗(yàn)檢測(cè)。

上述電磁無(wú)損檢測(cè)方法尚不能很好地解決復(fù)合鋼帶橫截面變化和斷裂缺陷，但隨著無(wú)損檢測(cè)理論和技術(shù)的發(fā)展[34]，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多新型無(wú)損檢測(cè)儀器。如：超聲相控陣能很好地檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷，但是需要在被檢鋼帶表面涂抹耦合劑。復(fù)合鋼帶主要依靠摩擦傳遞動(dòng)力，在鋼帶表面涂抹耦合劑以減小復(fù)合鋼帶與曳引輪之間的摩擦力，甚至有可能發(fā)生打滑現(xiàn)象。數(shù)字射線檢測(cè)能夠探測(cè)到物體內(nèi)部的宏觀幾何缺陷而不破壞物體本身，但是設(shè)備復(fù)雜、成本較高，使用時(shí)需保證一定的隔離距離，很難推廣應(yīng)用于在役電梯復(fù)合鋼帶的檢驗(yàn)檢測(cè)。

3 現(xiàn)狀分析

綜上所述，電梯曳引媒介的檢測(cè)還存在以下3個(gè)方面的問題。首先，檢驗(yàn)檢測(cè)方法單一。電磁檢測(cè)法應(yīng)用較廣，但只能檢測(cè)復(fù)合鋼帶的宏觀缺陷。鋼帶顯微結(jié)構(gòu)的改變和疲勞損傷尚無(wú)合適的檢測(cè)方法。其次，勵(lì)磁磁路單一。常規(guī)的勵(lì)磁裝置大而笨重，且對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)的鋼絲繩勵(lì)磁效果不理想且難度較大。最后，定量定位檢測(cè)不準(zhǔn)確。復(fù)合鋼帶的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在并排的多根鋼絲繩中確認(rèn)缺陷的位置，對(duì)精確性要求更高[35]。

針對(duì)上述問題，借鑒鐵磁性鋼絲繩缺陷檢測(cè)技術(shù)，曳引媒介檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展可以從以下幾個(gè)方面推進(jìn)。

①優(yōu)化檢測(cè)方法設(shè)備。將漏磁場(chǎng)和磁通量傳感元件集成于一個(gè)電磁傳感器中，提出一種差分式雙磁路的弱磁無(wú)損檢測(cè)方法。進(jìn)一步研究鋼帶內(nèi)部鋼絲缺陷弱磁檢測(cè)理論、鋼帶內(nèi)部鋼絲缺陷的電磁響應(yīng)特性和研制差分式雙磁路電磁檢測(cè)傳感器，為在役電梯復(fù)合鋼帶缺陷檢測(cè)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

②加快標(biāo)準(zhǔn)、檢規(guī)修訂。目前，各類相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)規(guī)程等還在制定中或未落地，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、檢驗(yàn)、維保等多環(huán)節(jié)需形成合力，加快政策落地執(zhí)行。

③多領(lǐng)域交叉融合研究。將磁檢測(cè)等方法引入電梯檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域，可促進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)在新領(lǐng)域的應(yīng)用；同時(shí)，圍繞曳引媒介的使用需求，倒逼本領(lǐng)域技術(shù)提升。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電梯用復(fù)合鋼帶檢驗(yàn)檢測(cè)中的檢測(cè)精度、損傷識(shí)別、性能評(píng)價(jià)等問題，綜合分析了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外電梯用復(fù)合鋼帶無(wú)損檢測(cè)的相關(guān)研究成果，總結(jié)并提出今后的研究方向。首先，介紹了目前投入使用的電梯用復(fù)合鋼帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具體分析了電梯用復(fù)合鋼帶對(duì)鋼絲繩的優(yōu)勢(shì)。其次，介紹無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，著重論述了現(xiàn)今電梯用復(fù)合鋼帶和鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)研究和應(yīng)用狀況。其中，鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要包括交流電磁法、永磁法、漏磁法和剩磁法。復(fù)合鋼帶的檢測(cè)方法主要包括磁通量檢驗(yàn)法、壽命設(shè)定法和電阻檢驗(yàn)法。最后，在對(duì)比當(dāng)前無(wú)損檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，提出了差分式雙磁路的弱磁無(wú)損檢測(cè)方法，指出了電梯復(fù)合鋼帶缺陷檢測(cè)的研究趨勢(shì)。