浅议电梯曳引钢丝绳的强度控制
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【摘要】在高层建筑中，电梯显得更为重要。曳引钢丝绳是电梯的重要结构件，它是电梯悬挂装置的重要组成部分,其作用主要是悬吊轿厢和配重，并在曳引机的作用下提升或下放轿厢。可见，曳引钢丝绳的强度如何，将直接决定着电梯能否安全运行。文章首先阐述了电梯曳引钢丝绳的强度分级，然后介绍了制绳钢丝、曳引轮槽表面硬度的匹配与控制方法，最后指出了高强度曳引电梯钢丝绳的优点。
【关键词】电梯；曳引钢丝绳；强度
1 引言
电梯是现代建筑物的重要组成部分，特别是随着城市化进程不断加快，建筑物高度越来越高，各种摩天大楼不断刷新着建筑物的高度。在高层建筑中，电梯显得更为重要。曳引钢丝绳是电梯的重要结构件，它是电梯悬挂装置的重要组成部分,其作用主要是悬吊轿厢和配重，并在曳引机的作用下提升或下放轿厢。可见，曳引钢丝绳的强度如何，将直接决定着电梯能否安全运行。下面，本文就对来探讨一下电梯曳引钢丝绳的强度级别与强度控制。
2 电梯曳引钢丝绳的强度分级
在电梯运行过程中,曳引钢丝绳绕着曳引轮、导向轮或反绳轮做双向的往复运动,在此过程中钢丝绳需要承受单向或双向的弯曲应力;在电梯加速过程中,钢丝绳承受的纵向拉应力是一个变量,磨损与疲劳的复合作用是造成钢丝绳内部钢丝断裂的主要原因。
按照GB 8903―2005《电梯用钢丝绳》的规定,电梯曳引钢丝绳外层股外层丝包括1180 , 1320, 1370, 1570, 1620, 1770, 1960 MPa等强度级别,内层丝包括1570, 1620,1770,1960MPa等强度级别。电梯制造商实际订购的电梯绳绝大部分为双强度级产品,即外层股外层丝选用1320～1620 MPa强度级别钢丝,内层丝为1770MPa的双强度级别钢丝绳。
选用低强度外层丝的钢丝绳,其外层丝的表面硬度较低,在钢丝绳与曳引轮组成的摩擦副中,即使在钢丝绳沿纵向的外表面积远大于曳引轮绳槽表面积的情况下,钢丝绳的外层丝也首先被磨损,即外层丝的磨损量明显大于曳引轮轮槽,这样可以延长曳引轮的使用寿命,且钢丝绳因磨损与疲劳的复合作用造成的断丝,发生在外层股外层丝的几率要大于内层丝,这样便于发现钢丝绳存在的安全隐患,有利于观察电梯绳损坏情况并及时更换新钢丝绳。
3 制绳钢丝、曳引轮槽表面硬度的匹配及控制方法
3.1 制绳钢丝表面硬度的波动
钢丝的力学性能与其化学成分和金相组织存在着密切的联系,索氏体化处理可以确保冷拉后得到高强度高韧性的碳素钢丝。钢丝在拉拔加工过程中,位错密度进一步上升,索氏体片层间距进一步减小,随着变形织构的形成,钢丝抗拉强度、表面硬度上升,塑性、韧性下降,即通过加工硬化得到高强度钢丝。按照钢铁材料的一般性能规则,材料的强度与硬度应该成一定的对应关系,但由于冷拉碳素钢丝在力学性能上存在着严重的各向异性,钢丝抗拉强度的测定是在纵向上进行的,钢丝表面硬度测定是在径向上进行的,冷拉钢丝表面的硬度不能按碳素钢硬度的普遍对应原则进行简单推定,需要进行实际测试,钢丝加工过程的诸多因素对表面硬度有影响,包括钢丝成分、金相组织、拉拔过程、拉拔速度、拉丝模具等,因而钢丝表面硬度波动范围较大。
3.2 制绳钢丝表面硬度的控制方法
为了得到与曳引轮绳槽表面硬度匹配的钢丝,电梯制造商选择了外层丝强度较低的双强度钢丝绳,如外层股外层丝是1320或1370MPa级。钢丝绳制造企业将钢丝强度控制在较低水平的手段不多,主要方法是选用含碳量低的盘条并降低拉拔半成品钢丝的总压缩率等。使用水箱拉丝机生产时,亚共析钢索氏体化后冷拉总压缩率控制在82%～92%,可以得到强度、韧性最佳组合的碳素钢丝,有利于钢丝绳耐疲劳性能的提高。但为了得到低强度而降低总压缩率,甚至采用低于80%的总压缩率,钢丝强度符合要求但韧性却有所降低,降低了钢丝绳的使用性能。
3.3 曳引轮绳槽表面硬度与钢丝绳表面硬度匹配
任何工程材料表面都有一定的粗糙度和波纹度,相对运动物体的接触表面实际上是这些凸峰顶端间的接触,摩擦力等于相互啮合部分被剪切或挤压变形所需的力与相互接触部分分子引力的合力。摩擦的过程就是黏结与滑移交替进行的过程,材料的变形、黏着以及相对运动将黏着点撕裂时产生的材料转移或者剥落给材料所造成的损失就是黏着磨损。当黏结强度高于两金属材料强度时,剪切破坏主要发生在较软金属表层内,有时也发生在硬金属表层内。
曳引轮-曳引钢丝绳摩擦副的磨损机制有表面疲劳磨损、磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损和冲击磨损或振动磨损等类型],其中以黏着磨损和表面疲劳磨损为主要磨损方式。GB/T24478―2009《电梯曳引机》中规定“曳引轮绳槽应采用与钢丝绳性能相匹配的材质,曳引轮绳槽表面的材质应均匀,其硬度差不应大于15HB”,该标准仅对绳槽表面硬度差有规定,而对硬度值并无明确规定。依照上述磨损机制,为了延长曳引轮和钢丝绳的使用时间,曳引轮绳槽表面硬度与钢丝绳表面硬度的匹配是关键,笔者认为钢丝绳的外层股外层丝的表面硬度应略低于曳引轮绳槽表面硬度,为了与1770或1960MPa的曳引电梯钢丝绳配套使用,必须提高曳引轮绳槽的表面硬度,其HRC值应达到58～63。曳引轮一般使用高强度球墨铸铁制造,为了使其表面硬度HRC值提高到58～63,可供选择的工艺方法很多,如表面淬火技术、热喷涂技术、热堆焊技术等,使用其中一种或其中某两种组合,均可以达到硬度要求,热堆焊与表面淬火的组合技术使用比较广泛。
4 高强度曳引电梯钢丝绳的优点
在钢丝绳结构、直径完全相同的情况下,随着钢丝绳抗拉强度级别的提高,钢丝绳最小破断拉力随之提升,安全系数随之增大。一方面在最小破断拉力相同情况下,高强度较低强度钢丝绳直径要减小,同时可以提高曳引轮直径与钢丝绳直径之比,有利于提高钢丝绳的耐疲劳性能,延长钢丝绳使用寿命;或者可以减小曳引轮直径,而钢丝绳单位长度质量随着直径的减小而下降,可以降低钢丝绳的使用量,节约钢材。另一方面,随着小机房或无机房电梯的兴起,众多电梯公司都选择采用小直径电梯绳作为曳引主绳的设计,适应小巧的曳引系统以尽量节省空间。《电梯制造与安装安全规范》中允许最小直径为8mm,直径10mm曳引钢丝绳已成为电梯设计的主流,采用直径更小的8mm曳引钢丝绳的比例也在逐年增加。
5 讨论
笔者认为提高曳引轮绳槽表面硬度的方法在技术上是可行的,随着建筑技术的不断发展，对电梯的运行速度要求越来越高，为了保证运行安全，首先要保证曳引钢丝绳有足够的强度。提高钢丝绳强度的办法有多种，如淘汰强度级别较低的曳引钢丝绳,代之以高强度钢丝绳，如1960/2160、1770/1960MPa等。还可以改进钢丝绳的制造工艺，如可以使用钢帘线用盘条来制造钢丝绳,可以大大提高钢丝绳的强度。这是因为钢帘线用盘条采用的是特殊的冶炼技术，其所用钢材中杂质含量较低，无明显中心偏析、表面脱碳等缺陷，仅含有A、D两类杂质，且后者≤0.5级，呈塑形且尺寸在0.5μm以下，用这种钢材加工出来的帘线钢盘条具有材质纯净、极限压缩率较高、化学成分波动小以及力学性能均匀等诸多优点。因此可以说，钢帘线用盘条是制造拽引钢丝绳的理想材料。
参考文献：
[1]涂益友,周兴海,刘伟,等.大应变冷拔钢丝的强化模型[J].材料热处理学报,2009(1).
[2]刘文刚,许云华,方亮,等.冷拉珠光体钢丝的组织演变及性能变化[J].热加工工艺材料热处理,2006(16).