曳引驅(qū)動(dòng)乘客電梯非金屬對(duì)重反繩輪輪軸斷裂斷口形貌分析

汪有韜 周葉平 蘭清生 劉中華 李婷婷

(江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 南昌 330052)

電梯對(duì)重即平衡電梯轎廂重量的系統(tǒng)，是曳引驅(qū)動(dòng)電梯的重要組成部分，其主要作用是減少曳引主機(jī)的功率，減少電梯曳引輪或蝸輪上的力矩。近年來(lái)隨著電梯數(shù)量激增，電梯制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越大，非金屬材質(zhì)的對(duì)重反繩輪在額定速度2 m/s 以下的電梯中得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于非金屬材質(zhì)反繩輪導(dǎo)致的事故或者故障時(shí)有發(fā)生，2023 年4 月2 日發(fā)布的TSG T7001—2023《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則》A1.2.5.7 條規(guī)定“非金屬材質(zhì)反繩輪僅適用額定速度不大于1.75 m/s 的電梯；須標(biāo)識(shí)出制造單位名稱、制造日期、維護(hù)保養(yǎng)要求和報(bào)廢條件；維保單位按照制造單位要求進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；檢驗(yàn)各項(xiàng)試驗(yàn)后不得出現(xiàn)脫槽、輪軸偏轉(zhuǎn)、固定結(jié)構(gòu)變形等現(xiàn)象”，可見明顯提高了對(duì)非金屬反繩輪的檢驗(yàn)要求。為探究一起曳引驅(qū)動(dòng)乘客電梯因鋼絲繩從非金屬對(duì)重反繩輪脫槽后導(dǎo)致輪軸斷裂故障原因，本文通過(guò)反繩輪輪軸、輪軸掛板的材質(zhì)分析及其顯微硬度測(cè)試和反繩輪輪軸斷口形貌分析，得出非金屬對(duì)重反繩輪輪軸斷裂的主要原因，提出了非金屬對(duì)重反繩輪的設(shè)計(jì)和裝配建議。

1 電梯反繩輪輪軸斷裂現(xiàn)場(chǎng)介紹

2021 年某地一臺(tái)曳引驅(qū)動(dòng)乘客電梯在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)重反繩輪輪軸突然斷裂，導(dǎo)致電梯曳引鋼絲繩從反繩輪中全部脫出，轎廂與對(duì)重完全脫離，轎廂與對(duì)重同時(shí)往電梯井道底坑墜落，電梯轎廂因超速觸發(fā)電梯限速器動(dòng)作后，電梯安全鉗將電梯轎廂制停在導(dǎo)軌上，僅造成對(duì)重系統(tǒng)損壞，沒有造成嚴(yán)重的事故，對(duì)重墜落后現(xiàn)場(chǎng)反繩輪見圖1，反繩輪明顯向一側(cè)傾斜。

圖1 墜落現(xiàn)場(chǎng)反繩輪及掛板

2 電梯反繩輪和掛板宏觀形貌分析

圖2（a）為反繩輪的整體宏觀形貌，包括輪軸、尺寸較大的輪外圓圈和尺寸較小的輪內(nèi)圓圈。圖2（b）為掛板的宏觀照片，掛板表面出現(xiàn)多處磨損痕跡，包括鋼絲繩剛脫落時(shí)對(duì)反繩輪外圓圈和掛板磨損造成的輕微對(duì)磨區(qū)域1，反繩輪與掛板之間間隙約為5 mm 小于鋼絲繩直徑8 mm，鋼絲繩緊挨著快速旋轉(zhuǎn)的反繩輪導(dǎo)致輪外圓圈被磨薄了3 mm，這時(shí)反繩輪與掛板之間間隙約8 mm 有利于鋼絲繩進(jìn)一步向輪軸運(yùn)動(dòng)，而掛板只遭到輕微磨損（表面油漆未磨掉），隨后對(duì)反繩輪內(nèi)圓圈和掛板磨損造成對(duì)磨區(qū)域2（相較于對(duì)磨區(qū)域1 嚴(yán)重）以及反繩輪輪軸斷裂后鋼絲繩對(duì)掛板造成很嚴(yán)重的不對(duì)稱磨損[1]。

圖2 反繩輪和掛板的宏觀圖

圖3（a）為輪軸外側(cè)斷口，右下角存在明顯的凹槽，從中可初步看到疲勞斷裂特征（疲勞輝紋）靠近凹槽，也即是疲勞裂紋源，在斷口對(duì)面區(qū)域也可看到鋼絲繩的磨損痕跡，其他地方看不到明顯的鋼絲繩磨損痕跡。圖3（b）為斷側(cè)輪軸底部側(cè)面圖，可見輪軸靠近表面上存在被磨光的痕跡，邊緣輪廓立體清晰[2-4]。

圖3 輪軸外側(cè)斷口

3 檢測(cè)與結(jié)果

3.1 反繩輪輪軸斷口形貌分析

圖4 為鋼絲繩與反繩輪輪軸斷口的摩擦形貌掃描電子顯微鏡（SEM）圖。圖4（a）為圖3 中標(biāo)注的鋼絲繩磨損痕跡的形貌圖，可看出磨痕形貌與鋼絲繩的形狀非常吻合。圖4（b）為圖4（a）中白色方框區(qū)域放大的形貌，可看出磨痕梨溝區(qū)域光滑平整，這是鋼絲繩與輪軸嚴(yán)重磨損導(dǎo)致的。圖4（c）為輪軸底部邊緣區(qū)域磨損光亮處痕跡的形貌圖[5]，可看出2 個(gè)方向上磨痕，一種是繞輪軸圓周方向鋼絲繩與輪軸磨損的磨痕；另一種是與圖4（a）中磨痕方向一致且較圖4（a）中淺一點(diǎn)的磨痕，這個(gè)是在鋼絲繩與輪軸繞圓周磨損之后再發(fā)生的第2 次磨損。4（d）為圖4（c）中方框區(qū)域放大的形貌，2 個(gè)方向上的磨痕較為明顯。

圖4 鋼絲繩與反繩輪輪軸斷口的摩擦形貌照片

圖5 為反繩輪輪軸斷口裂紋源區(qū)的SEM 圖。圖5（a）為3 張形貌圖拼接而成的裂紋源處完整的形貌圖，從中可看到圓弧形的疲勞輝紋，疲勞輝紋最中心處即為裂紋源，如圖中標(biāo)注所示。圖5（b）為圖5（a）中裂紋源放大的形貌，可看出裂紋源處磨損非常嚴(yán)重，磨成了光滑平整的平面。圖5（c）、圖5（d）和圖5（e）分別為裂紋源附近的疲勞輝紋逐級(jí)放大的形貌圖，可進(jìn)一步確認(rèn)這些磨損平面是由于產(chǎn)生裂紋之后受到外部載荷作用產(chǎn)生一張一合的磨損導(dǎo)致的，由此可知反繩輪輪軸斷口具有疲勞斷裂特征[6]。

圖5 反繩輪輪軸斷口裂紋源區(qū)的形貌照片

圖6 為反繩輪輪軸斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌圖，從圖中也可見疲勞輝紋和磨損平面。

圖7 為反繩輪輪軸斷口底部邊緣區(qū)域的形貌圖，由圖7 可知該部分?jǐn)嗫诮?jīng)過(guò)了嚴(yán)重磨損且被磨損成非常平整的磨面，這可能是鋼絲繩與反繩輪輪軸反復(fù)磨損留下來(lái)的磨面，這部分磨面寬度大約為6 mm。

圖7 反繩輪輪軸斷口底部邊緣區(qū)的形貌照片

3.2 掛板與反繩輪輪軸成分分析

圖8為掛板的能譜成分分析結(jié)果，由圖8 可知，其能譜分析只檢測(cè)到Fe 元素，未檢測(cè)到其他雜質(zhì)元素，表1 為掛板碳硫元素分析結(jié)果，可知其碳含量為0.175%，在其材質(zhì)Q235 鋼碳含量（0.14%～0.22%）范圍內(nèi)[7]。同理測(cè)得反繩輪輪軸碳含量為0.49%，也在其材質(zhì)45 #鋼碳含量（0.42%～0.50%）范圍內(nèi)，可見掛板與反繩輪輪軸材質(zhì)均符合要求。

表1 掛板碳硫分析結(jié)果 %

圖8 掛板能譜成分分析結(jié)果

3.3 掛板、反繩輪輪軸、鋼絲繩顯微硬度分析

通過(guò)隨機(jī)拾取5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)計(jì)算平均值的方法，使用顯微硬度計(jì)測(cè)得掛板顯微硬度見表2，其顯微維氏硬度為133.2 HV0.5，符合其硬度要求HB120 ～180(相當(dāng)于HV125 ～190)。

表2 掛板顯微硬度測(cè)試結(jié)果

同樣方法測(cè)得反繩輪輪軸的顯微硬度，其顯微維氏硬度為175HV0.5，符合其硬度要求HB156 ～228(相當(dāng)于HV165 ～240)；斷股鋼絲繩的顯微維氏硬度為482.2 HV0.5，滿足其硬度參考指標(biāo)（HV460 ～490）。可見鋼絲繩硬度最大，掛板硬度最小。

3.4 曳引鋼絲繩磨損分析

圖9 為斷股鋼絲繩磨損圖，從圖9（a）中可看到斷股鋼絲繩呈直徑約為110 mm 的螺旋狀，它的半徑和輪軸的直徑相同，是受拉力繞輪軸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。圖9（b）為斷股鋼絲繩中間部分局部圖，從中也可看到磨損痕跡，呈亮白色的金屬光澤且反光。

圖9 斷股鋼絲繩磨損照片

4 分析與討論

通過(guò)上述檢測(cè)試驗(yàn)可知：掛板、反繩輪輪軸材質(zhì)和硬度均符合要求，且鋼絲繩硬度是反繩輪輪軸硬度的2.76 倍，是掛板硬度的3.62 倍，鋼絲繩與反繩輪輪軸或掛板接觸摩擦?xí)r比較容易對(duì)其造成磨損。

反繩輪輪軸存在凹槽加工缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力集中形成疲勞源；見圖10，由于卡位板底部與凹槽接觸區(qū)油漆被磨掉，且卡位板側(cè)面與疲勞源相對(duì)區(qū)的油漆也被磨損，說(shuō)明固定在卡槽的卡位板與凹槽之間存在摩擦，卡位板和卡槽之間的磨損嚴(yán)重，造成了反繩輪輪軸凹槽處疲勞源的形成。

圖10 卡位板磨損圖

輪軸斷口下邊緣附近區(qū)域有6 mm 寬度的磨損平面，斷股鋼絲繩中間部分表面有磨損痕跡，其斷股處表面磨損更嚴(yán)重，呈亮白色的金屬光澤且反光性好，表明鋼絲繩對(duì)反繩輪輪軸造成過(guò)磨損切削。

反繩輪與掛板之間的間隙小于鋼絲繩的直徑，由于摩擦力的作用使得鋼絲繩容易被反繩輪旋轉(zhuǎn)帶著一起上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)輪軸造成磨削切割。

從反繩輪掛板和卡位板磨損情況可看出，鋼絲繩與反繩輪輪軸接觸磨損之前，鋼絲繩對(duì)掛板的磨損是對(duì)稱的。從鋼絲繩繞輪軸圓周方向的磨痕看也是對(duì)稱磨損，但從另一個(gè)方向上的第2 次磨損痕跡來(lái)看時(shí)，鋼絲繩與反繩輪輪軸的磨損是不對(duì)稱的，表明此時(shí)反繩輪輪軸已發(fā)生松動(dòng)傾斜，即將斷裂，從第2 次磨損痕跡可看出鋼絲繩形狀痕跡，表明他們之間只是短暫少數(shù)的接觸摩擦。反繩輪輪軸發(fā)生傾斜和斷裂后就導(dǎo)致鋼絲繩對(duì)掛板的傾斜磨損。

反繩輪輪軸斷口中存在疲勞和磨損特征，且其斷裂是由使用過(guò)程中造成的疲勞和鋼絲繩對(duì)輪軸磨損共同導(dǎo)致的，其中疲勞裂紋產(chǎn)生時(shí)間要早于鋼絲繩對(duì)輪軸的磨損，疲勞斷裂是主要原因。

5 結(jié)論及建議

綜上，通過(guò)對(duì)斷裂反繩輪輪軸的斷口形貌分析可知對(duì)重反繩輪輪軸斷裂的直接原因是電梯鋼絲繩從對(duì)重反繩輪中脫槽導(dǎo)致鋼絲繩對(duì)輪軸的磨損，主要原因是疲勞斷裂。通過(guò)能譜成分分析和顯微硬度試驗(yàn)可知斷裂的反繩輪輪軸的材質(zhì)、顯微硬度和組織成分均滿足要求。曳引鋼絲繩從反繩輪中脫槽后鋼絲繩繞著輪軸一直摩擦運(yùn)行，最終導(dǎo)致了反繩輪軸的疲勞斷裂。

建議反繩輪輪軸的加工和設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少截面的突變形成應(yīng)力集中；卡位板的安裝應(yīng)與反繩輪輪軸保留足夠的間隙，避免與反繩輪輪軸形成摩擦；掛板與非金屬反繩輪應(yīng)留有大于鋼絲繩直徑的間隙；建議電梯生產(chǎn)企業(yè)在電梯設(shè)計(jì)過(guò)程中增加電梯反繩輪脫槽檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。