探析钢带使用寿命的影响因素

2018-03-14虞杰

中国特种设备安全 2018年2期

虞杰

(宁波市特种设备检验研究院宁波 315000)

1998年美国奥的斯公司在全球最先提出并通过钢带曳引系统的理论论证，次年完成全球首台钢带曳引系统电梯的制造与安装，并申请了专利。从此，钢丝绳不再是被用做电梯曳引系统的唯一媒介，钢带技术逐步被采用。随着美国奥的斯钢带专利技术的推广，迅达、西子奥的斯、蒂森、日立等一线电梯品牌也开始生产采用钢带作为曳引系统的电梯，并大量投入市场。其中，又以迅达3300AP/3600AP和西奥GeN2/GeN2 CORE居多。但是，钢带技术能否被电梯市场广为接受，仍有待实际考验。

1 复合曳引钢带的定义

根据GB/T 7024—2008《电梯、自动扶梯、自动人行道术语》中的定义，钢带是由多股钢丝被聚氨酯等弹性体包裹形成的扁平状曳引轿厢用的带子[1]。与传统钢丝绳由绳股和绳芯构成不同，钢带用聚氨酯等弹性体取代绳芯，对钢丝进行有效的包裹，起到对钢丝防锈和防磨损的作用[2]；钢带的结构与钢丝绳绳股的排列方式（见图1）也有所不同，采用横排的方式将多根钢丝排列在一起（见图2）。目前，国内电梯厂家生产的钢带多为12芯、16芯、20芯和24芯，每一芯的规格结构多为19+8×7。

图1 钢丝绳排列方式简图

图2 钢带排列方式简图

2 影响钢带寿命的因素

作为悬挂装置的一种，钢带在电梯的运行过程中起到了拖动和牵引载荷的重要作用，是乘客乘梯的基本安全屏障。如何从设计上满足检规和国标的要求以提升钢带本身的性能指标，如何切实有效地发现安装、使用、维保过程中所存在的缺陷至关重要。部分厂家认为钢带安全系数高，重量更轻可以减小轿厢的噪音和震动，正常使用寿命是传统钢丝绳的3倍，但是笔者通过钢带在电梯行业的应用实践认为厂家宣称的优点并不完全正确，钢带从本质上就是由多根细钢丝绳组成，随着钢丝绳的变细，不可避免地降低了钢丝绳的直径和总断面积，使钢丝绳的重量和破断拉力下降，为了实现同样的曳引条件就必定要增加钢带的根数。如此一来，使得安装及防范钢带的张力不均更加困难，甚至会降低钢带的使用寿命。所以，钢带使用寿命的影响因素是全方位的，需要从设计、安装、使用和保养多方面进行考量。

2.1 设计、选用因素

●2.1.1 钢带的曲率半径

在设计上，钢带的曲率半径是由曳引轮、导向轮及反绳轮的节径和位置所决定，不同的节径和不同的位置基本决定了钢带在实际使用上的弯曲次数和弯曲应力。弯曲应力和各个轮子的节径成反比，节径越大，弯曲应力也就越小。GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中9.2.1项规定，不论钢丝绳的股数多少，曳引轮、滑轮或卷筒的节圆直径与悬挂绳的公称直径之比不应小于40[3]，D曳引轮≥40d钢芯。在钢带弯曲的过程中，钢带中的钢丝产生相对位移。在其内部，钢丝与弹性体、钢丝与钢丝之间均存在着磨损。弯曲应力越大，内部的磨损越大，甚至还会产生局部压痕，随着应力长期的集中，钢丝会因此而断丝。在钢带的委托型式试验过程中，弯曲疲劳试验也是重要的一项。需要检测钢带在1/12最小设计破断载荷的张紧力下反复折弯200万次后，正反表面是否存在裂痕和损伤。钢带钢芯直径较小，常见的不超过2mm，使得曳引轮的直径做到80mm即可，相对于钢丝绳的曳引轮大幅度减小了钢带曳引轮的直径，这是钢带电梯的优势所在。笔者认为设计各个轮子时，可以适当增大曲率半径和轮绳比，这样可以有效减小钢带的弯曲应力，是增加钢带的寿命有效措施之一。

●2.1.2 绕绳和导向轮的布置方式

钢带曳引系统电梯的曳引比大多采用2∶1，但是不同厂家在绕绳和导向轮的结构布置上多种多样。钢带绕过轮子的数量和包角，分别决定了摩擦的次数和摩擦系数，很大意义上决定了钢带的磨损量（详见2.1.3），另外，钢带的弯折次数、每次弯折的严重弯折程度以及扭曲程度增加了局部应力集中的可能，也是影响钢带磨损的因素之一。并且钢带的表面弹性包裹层抗扭、抗弯折能力较弱，需要尽量减少钢带在安装过程中的反向扭曲。例如，图3～图4为几种常见的电梯结构布置图，其中GeN2钢带由于两面均为扁平面，且在安装的过程中只要求钢带在绕行曳引轮时需为工作面，绕行对重及轿厢反绳轮时则无须工作面，使得GeN2钢带在绕绳布置中没有扭曲；迅达Poly-V钢带的工作面为齿面，另一面为扁平面，绕行曳引轮、对重及轿厢反绳轮时均要求工作面绕行，则如图4所示在绕绳布置时必然存在反向扭曲。可见，对于同样尺寸的电梯井道，不同厂家不同型号的电梯的布置方式也并不相同，如何优化布置方式对增加钢带的寿命起着重要的作用。

图3 GeN2和其他钢带结构布置图

图4 3300和3600结构布置图

●2.1.3 考虑安全系数的影响

设计上，安全系数是否满足电梯配置的要求也会影响到钢带的寿命。安全系数指的是零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中9.2.2项要求：在任何情况下，其安全系数不应小于下列值：a）对于用三根或三根以上钢丝绳的曳引驱动电梯为12；b）对于用两根钢丝绳的曳引驱动电梯为16[3]。另外，附录N给出了计算悬挂绳安全系数Sf设计的方法：

其中曳引轮和导向轮弯折次数、每次弯折的严重程度、绳槽种类及是否有反向弯折决定了滑轮的等效数量Nequiv的量化值，同样轮绳比的情况下，滑轮等效数量越小安全系数越高。在钢带失效应力设计中，一般将钢带最小设计破断载荷作为基本参数，新钢带的破断力（即试验破断载荷）必须大于等于最小设计破断载荷，使得实际安装的钢带安全系数Sf试验大于等于Sf设计，即

式中：

T——钢带最小设计破断载荷，N；

m——曳引比；

n——悬挂绳根数；

P——空轿厢重量，kg；

Q——额定载重量，kg；

q——单根绳百米质量，kg/m；

H——提升高度，m；

gn——重力加速度，kg/N。

从式（2）中可以看出，T即钢带最小设计破断载荷决定了Sf试验的大小，芯数越多，最小设计破断载荷越大，安全系数就越高。钢带使用环境越复杂或者越恶劣，实际计用安全系数值也就越大，设计时需充分留有安全系数余量才能使得钢带的使用寿命更长久。

2.2 安装因素

●2.2.1 曳引轮与导向轮垂直度及平行度调整

曳引轮与导向轮垂直度的调整是用水平尺检测两根主机支承梁是否水平以及支承梁之间的水平度，使其水平度的偏差不超过1/1000。然后，在主机支承梁与防振橡胶垫片之间插入垫片来调整曳引轮的垂直度（见图5），或者在导向轮支承梁与导向轮轴支承之间插入垫片来调整导向轮的垂直度[4]。许多电梯厂家在曳引机的顶部设置了水平仪，便于检查曳引机是否水平，如果不水平可以通过调整螺栓松紧直到水平（见图6）。

曳引轮与导向轮的平行度是通过调整导向轮的位置来进行的。在曳引轮和导向轮轮缘上分别挂一个线坠，使线坠经过曳引轮和导向轮轮缘的另一端时，垂直偏差不超过4/1000。另外，再拉一条细线分别经过曳引轮和导向轮，使该细线与曳引轮和导向轮相交的4个测量点偏差控制在0～1.5mm之内，调整方法如图7所示。

调整了曳引轮与导向轮垂直度及平行度，可以使得钢带在运行过程中不至于被斜拉，也使得钢带与曳引轮和导向轮的接触充分完全，受力均匀，增加钢带的使用寿命。

图5 红色方框为调整曳引机垂直度的垫片和螺栓

图6 曳引机的垂直度调整

图7 曳引轮与导向轮平行度调整示意图[4]

●2.2.2 钢带的张力是否均匀

拉伸载荷是钢带在电梯运行过程中所承受主要载荷和变化量。在安装时，应将各根钢带在运行过程中所承受的载荷调试成基本相同。GB/T 10060—2011《电梯安装验收规范》中5.5.1.9项规定，至少应在悬挂钢丝绳或链条的一端设置一个自动调节装置，用来平衡各绳或链间的张力，使任何一根绳或链的张力与所有绳或链之张力平均值的偏差均不大于5%[5]。如果各根钢带在安装过程中张力不均匀，会导致其中一根甚至几根钢带与曳引轮轮槽之间的压应力增大，加速钢带的磨损，减少钢带的使用寿命。有些安装单位会在安装结束后，测量补偿弹簧的长度，使各个弹簧的长度相等，允许的最大偏差为±1mm。

2.3 维护保养因素

市面上电梯维保单位众多，但是水平参差不齐。对于许多非原钢带制造单位，由于没有受过相对专业的培训，导致如何有针对性地对钢带曳引电梯进行维保的能力和意识不足。笔者认为在日常维保时，保养单位应注重以下几点：1）钢带需要经常检查工作面是否干净，确保工作面上没有油污的污染。与钢丝绳有所不同，钢带不需要进行定期润滑，也不需要补充适量油脂，一旦沾上油污，必须使用干或湿的布进行擦拭，切勿使用无水酒精、丙酮或任何形式的溶剂，这样会损伤钢带表面介质，减少钢带寿命。2）要注重钢带伸长率和对重缓冲距的控制。根据部分钢带制造厂商提供的资料显示，钢带的伸长率约为0.05%～0.08%，相对于常用曳引钢丝绳伸长率为0.7%～1.0%，钢带的伸长率明显减小，很大程度上减轻了维保单位需要定期收钢丝绳的负担。但是，为确保顶部和底坑的空间，定期测量对重缓冲距不可忽视。3）需要检测钢带在每个滑轮轮槽中的位置是否正确、是否居中。当钢带不居中时（亦称为跑偏现象），会导致整根钢带的拉压应力不均匀，使应力集中在与轮槽相接触的那部分，造成对该部分钢带内部钢丝的过度损耗，甚至会导致断丝现象的发生。4）维保单位应注重TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》中的5.1要求：“采用其他类型悬挂装置的，悬挂装置的磨损、变形等应当不超过制造单位设定的报废指标[6]。”制造单位设定的报废指标会在提供给使用单位的用户手册中标明，如图8为某品牌电梯给出的报废例图评估，属于下图任何情形之一的，必须更换所有钢带。当然，有些钢带电梯采用了RBI钢带检测装置（如图9所示），RBI是由负责钢带检测的集成电路板单元和短接连接器组成。当RBI安装完成并与电梯控制系统以合适的接线方式连接后，集成电路板单元将检测钢带的阻值，通过实时测量的阻值与被作为标准值的初始测量阻值来比较，将信息反馈给控制系统，有助于及时发现钢带是否有断丝的情况，可以增加钢带的整体使用寿命。