不同斷面形狀電梯曳引鋼絲繩承載特性分析

劉繼征 黃龍濤

陜西省特種設備檢驗檢測研究院 西安 710000

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，人們生活的極大改善，電梯正快速融入我們的生活[1]。我國電梯的保有量從2012 年的245.33 萬臺逐年遞增，到2021 年達到了879.98 萬臺，如圖1 所示。

圖1 2012 年～2021 年我國電梯保有量及增長速率

隨著電梯數量的增加，電梯曳引系統帶來的威脅人身安全的事故也會隨之增多[2]，且因電梯曳引系統曳引力不足，引起的轎廂沖頂、蹲底事故就占事故總量的七分之一左右[3，4]。從目前的電梯曳引系統技術發展情況看，提升其可靠性與安全性、保證電梯能夠長時間的安全穩定運行是電梯安全可靠運行的關鍵[5，6]。曳引輪與鋼絲繩作為電梯曳引系統的核心組成部件，在提升機構傳動過程中，曳引輪與鋼絲繩通過表面摩擦力起吊負載，即鋼絲繩與曳引輪的輪槽之間形成摩擦副，實現動力的傳輸[7，8]。鋼絲繩在繩輪輪槽的摩擦力作用下隨繩輪旋轉，通過電動機的正反轉實現電梯轎廂的升與降[9]。如何保證電梯繩輪與鋼絲繩之間具有較高摩擦力，同時又能減緩鋼絲繩的磨損退化，成為了電梯曳引系統可靠性研究的重點[10]。

目前，電梯廣泛使用的鋼絲繩結構為8×19 的西魯式鋼絲繩，其特點是外層鋼絲較粗、耐磨性強、柔軟性差[11]。盡管該鋼絲繩耐磨性強，但其屬于圓股鋼絲繩，在與繩輪溝槽接觸時磨損的是每股中最高的鋼絲，故容易出現斷絲。三角股和橢圓股[12]鋼絲繩由于工作時外表面與繩輪溝槽的接觸面積較大、耐磨性強、柔性好。因此，將圓股、三角股、橢圓股鋼絲繩作為電梯曳引鋼絲繩并對比分析其力學承載特性，對提升電梯曳引系統的安全可靠性至關重要。在鋼絲繩承載特性研究方面，Isabelle T 等[13]研究了不同曳引力水平下鋼絲繩的彎曲行為，分析了鋼絲繩側絲—側絲接觸點以及側絲—芯絲接觸點的壓力和摩擦力，揭示了電梯運行過程中鋼絲繩的磨損失效機理；Kmet S 等[14]采用實驗和數值仿真對比的方法，研究了拉伸載荷作用下圓股鋼絲繩繞繩輪彎曲時鋼絲繩的拉應力，結果表明其數值解與實驗值和理論值接近；然而，何種界面形狀鋼絲繩適合電梯曳引鋼絲繩目前并無報道。鑒于此，本文以電梯曳引系統中最為主要的鋼絲繩為研究對象，考慮影響曳引鋼絲繩壽命的彎曲和拉伸2 個重要因素，建立圓股、橢圓股、三角股鋼絲繩的幾何建模，分析其在電梯曳引系統中的力學性能。首先，分析電梯曳引系統的結構與失效形式；其次，建立3 種電梯曳引輪槽及鋼絲繩的幾何模型；最后，對3 種電梯鋼絲繩曳引狀態下的力學特性進行仿真分析，確定適合于電梯提升使用的鋼絲繩。

1 電梯曳引系統結構與常見故障

電梯曳引系統主要給整個電梯系統提供動力，保證電梯安全平穩的正常運行，一般主要由曳引機、鋼絲繩、導向輪等組成[15]，其結構如圖2 所示。

圖2 電梯曳引系統結構

曳引機包含曳引輪和制動器，曳引輪有4 ～6 個輪槽，每個輪槽內有1 根鋼絲繩，鋼絲繩的兩端分別固定在轎廂和對重上。曳引鋼絲繩直接纏繞在曳引輪和導向輪上，兩端連接質量不同的轎廂和對重，依靠繩兩端的質量差使繩與輪槽之間產生靜摩擦力，從而產生動力。導向輪則是為了保證轎廂與對重有足夠的空間進行相對運動，增加二者之間的距離。

電梯曳引系統常見的失效形式主要包括：1）鋼絲繩與繩槽的磨損失效，由于鋼絲繩與繩槽存在硬度差，長時間工作后鋼絲繩會產生嚴重的磨損變形；2）鋼絲繩與繩槽打滑，由于磨損導致曳引輪的接觸面狀態發生改變，影響了繩與輪之間的當量摩擦系數，導致鋼絲繩在輪槽上打滑；3）鋼絲繩的疲勞失效，電梯運行過程中鋼絲繩會遭到腐蝕和磨損作用，同時反復繞繩輪彎曲運行，最終導致疲勞失效。從電梯曳引系統常見的失效形式看，磨損是導致其失效的根本原因。

2 電梯彎曲狀鋼絲繩及曳引輪槽有限元模型

2.1 電梯曳引鋼絲繩幾何模型與材料參數

精確建立3 種電梯曳引輪槽及鋼絲繩的幾何模型，對分析鋼絲繩在電梯曳引提升過程中的承載特性至關重要。本文研究在借助空間曲線幾何原理確定鋼絲繩結構的基礎上，根據3 種鋼絲繩的鋼絲中心線的空間表達式[16，17]，建立鋼絲繩的集合模型，為提升鋼絲繩的力學特性研究和仿真模擬提供理論基礎和有限元幾何模型。

為系統對比異股與圓股鋼絲繩之間的優劣，建立相同截面面積的橢圓股、三角股和6×7+IWS 模型，截面積為

式中：dv為鋼絲直徑；Nv為鋼絲數目；v＝1 為橢圓股，v＝2 為三角股，v＝3 為6×7+IWS。

若要保證截面積相同，需S1＝S2＝S3，故有

令三角股繩d2＝0.3 mm 時，由N1＝29、N2＝27和N3＝49，分別得到d1＝0.29 mm，d3＝0.223 mm，則3 種鋼絲繩模型參數如表1、表2 所示。基于模型參數建立軸向載荷下的14°圓心角有限元模型，繪制得到如圖3 所示的彎曲狀圓股、橢圓股、三角股鋼絲繩模型；因橢圓股和三角股鋼絲繩幾何形狀的特殊性，電梯曳引輪繩槽結構改進為U 形和V 形，以適應三角股繩外部輪廓，與U 形和V 形繩槽裝配，繩槽模型圓心角同鋼絲一樣為14°，半徑為50 mm。

表1 彎曲狀橢圓股和三角股鋼絲繩幾何模型參數

表2 彎曲狀6×7+IWS 鋼絲繩幾何模型參數

圖3 電梯曳引鋼絲繩裝配圖

電梯曳引鋼絲繩由C80 碳素鋼盤條冷拉而成，表面經過鍍鋅處理，可增加其耐磨性和抗腐蝕性，其材料密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.02×105MPa，屈服強度為1 395 MPa，抗拉強度為2 040 MPa，斷裂伸長率為2.3%。

2.2 電梯曳引鋼絲繩邊界條件

考慮到鋼絲繩在電梯運行中主要承受到的是拉伸載荷，因此本研究采用的鋼絲繩邊界設置為一端固定，另一端拉伸，達到鋼絲繩在起重過程中與真實情況比較接近的受載。在Abaqus 有限元軟件中，繩槽設為剛體，對一端面運動耦合，耦合所有自由度，設置參考點并施加1 kN 軸向載荷，作為加載端。另一端面固定所有自由度，作固定端，同時對繩槽進行固定，以模擬電梯曳引系統沿軸線方向上的負載，

2.3 電梯曳引鋼絲繩網格劃分與接觸屬性

彎曲狀鋼絲繩網格模型，如圖4 所示。載荷拉伸過程中，繩內鋼絲會發生相對滑動，取鋼絲間摩擦系數為0.115，并利用小球接觸法對有限元模型的接觸單元進行搜索。法向接觸為硬接觸。幅值曲線采用光滑分析步，定義網格結構形式為C3D8R，提交Abaqus 分析作業進行計算。

圖4 彎曲狀鋼絲繩網格模型

3 電梯曳引鋼絲繩彎曲狀態承載特性分析

3.1 仿真結果分析

3.1.1 截面應力和中心絲接觸應力對比

選取圓心角7°位置橫截面為特征截面，橢圓股、三角股和6×7+IWS 的Von-Mises 等效應力云圖和截面最大、最小應力如圖5 ～圖7 所示。由圖可知，鋼絲繩截面絲間等效應力，均由中心絲向外波紋狀遞減，與繩槽接觸處應力較大。由于中心股中心絲沒有螺旋結構，3 種鋼絲繩中心絲的接觸區域的等效應力明顯大于其他絲。在摩擦力的作用和產生的彎曲效應的綜合作用下，絲間應力重新分布，使絲間局部應力在繩股的截面方向分布不均勻。三角股和6×7+IWS 鋼絲繩在軸向力的作用下，與繩槽底端接觸方式為點接觸，導致與繩槽接觸的部位存在應力集中；而橢圓股鋼絲繩與繩槽的接觸面積大，接觸方式為線接觸，應力集中狀況明顯優于上述2 種鋼絲繩，如圖5a，橢圓股鋼絲繩與繩槽接觸絲并無明顯應力突變。

圖5 橢圓股特征截面應力

為了得到繩截面間應力分布規律，現取圖5a 所示T1、T2、T3 路徑，圖6a 所示S1、S2、S3 路徑，圖7a所示Y1、Y2、Y3 路徑，提取應力得到圖8 所示截面路徑應力曲線。

圖6 三角股特征截面應力

圖7 6×7+IWS 特征截面應力

圖8 鋼絲繩截面方向應力分布

由圖8 可知，3 種相同截面積的鋼絲繩，在相同軸向載荷下，橢圓股中心絲應力峰值均小于三角股和6×7+IWS 的中心絲，距離為0.2 ～0.8，以0.5 距離比為對稱軸近似左右對稱。小于0.2 距離比為貼近中心絲鋼絲，而大于0.8 距離比為最外層與鋼繩槽接觸絲，表明在中心絲鄰近區域和繩槽鄰近區域鋼絲應力會發生一定的應力重新分布。由圖8c 所示6×7+IWS 路徑應力曲線可知，在距離比在0.7 之前，Y1、Y2 和Y3 應力曲線能夠較好吻合，具有相同的應力分布規律。在0.7之后，僅Y2 和Y3 具有相似的分布，Y1 路徑曲線卻出現遠高于Y2 和Y3 的應力值，甚至能達到截面應力的最大值，表明6×7+IWS 在與繩槽點接觸區，極易發生磨損。

鋼絲繩的使用壽命和繩內各絲之間的接觸應力有密切的關系，由圖9 的中心絲接觸應力云圖可得，由于外層絲結構捻角的存在，鋼絲繩在軸向載荷作用下，各層絲間存在相互滑動，絲間間隙逐漸減小，外層絲交錯擠壓，導致中心絲產生剪切應力和徑向應力。由圖9a 可知，橢圓股中心絲與其他中心絲接觸應力呈長條狀分布，接觸形式為線接觸，中心絲與外層絲間呈點接觸，同時由圖9 可得到驗證；而三角股中心絲接觸應力卻沒有條狀分布，可知三角股中心絲與第一外層絲間接觸方式為點接觸；6×7+IWS 接觸應力點分布較多，有明顯的螺旋分布規律，接觸應力分布規律與其接觸的外層絲捻角有關，且接觸應力的最大值明顯小于異股鋼絲繩中心絲。3 種鋼絲繩點接觸產生的接觸應力大多呈橢圓狀分布在鋼絲表面，點接觸相較于線接觸更易發生凹坑磨損。因此，應合理選擇鋼絲繩型號，改善接觸應力分布，避免過大磨損導致鋼絲斷裂。

圖9 單絲接觸應力云圖

提取圖5b、圖6b 和圖7b 中特征截面每絲的最大應力和最小應力值，經統計分析得到表3 的絲間應力數值。由表3 可知，橢圓股鋼絲繩的最大應力均值為1 082.3 MPa，相較其他2 種繩的1 425.9 MPa 和1 312.7 MPa 更小，表明整根繩的應力集中小，較三角股和6×7+IWS更不易磨損失效。橢圓股鋼絲繩的應力幅均值最小，為416.9 MPa，表明絲間應力分布更加均勻，而應力幅可以在一定程度上表征金屬材料的疲勞強度。因此，在同樣軸向力作用下，3 種彎曲鋼絲繩中，橢圓股鋼絲繩更不易受疲勞影響而發生疲勞斷裂。

表3 不同股繩截面應力 MPa

3.1.2 繩股應變對比

圖10 為3 種鋼絲繩的中心絲及側絲，從固定端到加載端的應變軸向分布演變曲線。由圖10 可知，中心絲和側絲應變都隨距離呈波浪狀分布，且分布具有明顯的周期性。由圖10a 可得，在中心絲，三角股各位置的應變量均大于橢圓股和6×7+IWS，在多個0.5 個距離比增量下的位置，應變劇烈增加了5 倍，表明三角股中心絲應變分布極不均勻，三角股中心絲較橢圓股和6×7+IWS 的中心絲，更易到達屈服極限而發生斷裂失效。明顯小于三角股和6×7+IWS，可以得到橢圓股中心絲和側絲各位置應變均勻，絲間具有較好的抵抗變形的能力。

圖10 絲間軸向應變分布

圖10 三角股中心絲及側絲曲線明顯高于其他2 種繩，且三角股中心絲在1.48 mm、4.02 mm、5.22 mm、5.89 mm、7.61 mm、8.55 mm、11.02 mm 處和側絲的3.02 mm、6.45 mm、10.39 mm 處有明顯的應變峰值。由圖10b 可以得知，三角股側絲有3 個典型的應變突變P1，P2 和P3，分別對應于圖11 的A 區、B 區和C 區。而橢圓股中心絲和側絲，無論是應變量的大小或極差，均

圖11 三角股鋼絲繩單絲結構圖

3.1.3 繩股變形對比

從圖12 中的3 種不同鋼絲繩的等效位移云圖可得，彎曲狀鋼絲繩變形量近似呈中心軸線左右對稱分布，并在同一橫截面上離繩槽越近的鋼絲變形量越小。主要是因為鋼絲繩在軸向載荷作用下，與繩槽接觸處發生的扭轉位移，受到與繩槽接觸時產生的應力的抑制作用，導致遠離鋼絲繩繩槽的鋼絲位移量相對更大。

圖12 鋼絲繩等效位移云圖和軸向位移云圖

橢圓股鋼絲繩在空間結構上近似MB-CVT 中金屬帶的履帶狀，扁而薄，會穩固在繩槽中，受軸向載荷作用時，絲間相互擠壓變形，可擠壓變形的剩余空間小，導致橢圓股鋼絲繩變形量較小。而三角股空間結構復雜，每根絲可受到多方向絲的壓力，可偏移方向多，相對變形量大。6×7+IWS 的側絲不同部位會隨應力的增加而扭轉到底端與繩槽接觸，這種扭轉移動相較于穩固的異股鋼絲繩，加劇了鋼絲繩的磨損，并與繩槽的接觸為點接觸，接觸面積小，應力更集中，使右交互捻的圓股鋼絲繩壽命較短。

從圖13 軸向力-伸長量曲線可知，在相同軸向力的作用下，彎曲狀橢圓股鋼絲繩伸長量最小，三角股鋼絲繩曲線斜率最大，更容易被拉伸，而6×7+IWS 的伸長率則趨于兩者之間，在軸向力為1 kN 時，橢圓股、三角股和6×7+IWS 與鋼絲繩加載端的伸長量分別為0.136 456 mm、0.360 1 mm 和0.219 715 mm。因此，可以得到彎曲橢圓股鋼絲繩抗拉性能最好，而三角股鋼絲繩剛度小，故橢圓股鋼絲繩最適宜用于電梯曳引系統。

圖13 鋼絲繩軸向力-伸長量曲線

4 結論

1）分析了電梯曳引系統的結構及其常見故障發生機理，發現接觸磨損是電梯曳引系統失效的根本原因；

2）提出將三角股鋼絲繩作為電梯曳引系統的鋼絲繩，并推導了繞曳引輪彎曲三角股鋼絲繩的數學方程，建立了鋼絲繩和繩輪的幾何模型；

3）相同截面積下的橢圓股、三角股和6×7+IWS鋼絲繩，應力均近似呈左右對稱分布，橢圓股鋼絲繩與繩槽接觸區域應力、變形量最小，分別為248.4 MPa 和0.136 456 mm，分布狀況更符合以摩擦力傳遞扭矩的電梯曳引系統中。