电梯典型曳引钢丝绳张力不均现象的研究分析

周显元，王进，芮道道

（湖南省特种设备检验检测研究院，湖南 长沙 410117）

0 引言

电梯曳引钢丝绳作为电梯的重要部件，一方面悬挂承受着轿厢、对重以及乘客的重量，另一方面与曳引轮摩擦牵引实现轿厢上下运动。电梯是八大类特种设备之一，根据《特种设备法》的规定，必须对在用电梯进行定期检验，在现场检验工作中，发现有曳引钢丝绳张力不均的现象存在，典型情况如图1、图2所示，电梯钢丝绳为5根，图中的钢丝绳编号都是一一对应，编号相同说明对应同一根钢丝绳。图1所示为轿厢侧钢丝绳绳头在轿厢处于顶层时和轿厢处于底层时的状况，当轿厢在顶层时，轿厢侧3#和5#钢丝绳张力较小，其余3根钢丝绳张力较大，轿厢在底层时，情况则相反，图2所示为对重侧钢丝绳绳头在轿厢处于顶层时和轿厢处于底层时的状况，轿厢在顶层时，对重侧3#和5#钢丝绳张力较大，其余3根钢丝绳张力较小，轿厢在底层时，情况则相反。

图1 轿厢侧钢丝绳绳头张力状况

图2 对重侧钢丝绳绳头张力状况

根据电梯相关标准要求，电梯钢丝绳之间张力差不应大于5%，如果钢丝绳张力严重不均会对电梯的安全使用产生较大影响[1]：①大大缩短钢丝绳和曳引轮的使用寿命，给使用单位带来沉重的负担，造成整个社会的巨大浪费。②容易产生钢丝绳跳槽，存在重大安全隐患。③曳引能力减小，当电梯紧急制动情况下，钢丝绳在曳引轮上滑移超过限度，存在重大安全隐患。④对电梯的乘坐舒适性影响明显，甚至报故障自动停梯，影响正常使用。

本文通过对电梯的张力情况进行研究，分析其内在原因，提出改善和避免此种现象的措施。

1 钢丝绳张力调整情况工作介绍

本文以图1和图2所示绳头电梯为例，检验后出具钢丝绳张力调整意见，与使用单位沟通了解到，该台电梯更换过3根钢丝绳，虽然维保公司建议全部更换，但使用单位考虑使用成本，没有选择全部更换，只更换了3根钢丝绳，编号分别为：1#、2#、4#，更换后就出现了钢丝绳张力不均的现象。该台电梯现场检验发现钢丝绳张力不均后的调整过程笔者全程参与，图1和图2所示钢丝绳绳头的状态是经过调整之后的状况。更换过的1#、2#、4#钢丝绳绳头螺杆已经没有调整空间，选择在轿厢侧绳头处依次截短长度为170mm、190mm、130mm的钢丝绳，截短的长度相对于旧钢丝绳多截短了100mm，因为考虑到新旧钢丝绳的弹性模量的区别[2]，弹性模量是指材料在弹性变形阶段，应力与应变之间的比例系数，新钢丝绳开始时弹性模量较小，受拉后弹性变形大，随着使用时间的增加，弹性模量增加，弹性变形变小，恢复各自的绳头装置，慢车全程运行多次，钢丝绳基本走顺，后面根据相应的张力调整方法多次重复的调节，都无法达到理想的效果，情况如图1和图2所示，这种张力难以调整至符合要求的情况在现实中非常具有典型性，应主要考虑两方面的原因：①新旧钢丝绳之间弹性模量差别大；②新旧钢丝绳在曳引轮上的旋转半径不同，后文将主要从这两方面来研究分析其机理，并且分析某一因素时都是假定另外一种因素不产生影响。

2 钢丝绳弹性模量的差别对张力的影响分析

不但新旧程度的钢丝绳之间的弹性模量区别大，不同批次制造的钢丝绳弹性模量也会有明显的区别，当轿厢停在中间楼层时，通过调节绳头螺杆实现钢丝绳之间张力均衡，轿厢上下运行后，钢丝绳会经过曳引轮，当轿厢向下运行时，对重侧的钢丝绳会经过曳引轮来到轿厢侧[3]。在电梯运行过程中，轿厢的重量是从空载到额载、从最低楼层到最高楼层变化的，对重的重量与轿厢的重量差别大，轿厢侧与对重侧的钢丝绳张力差别也会大，如果钢丝绳之间弹性模量差别大，钢丝绳的弹性变形程度也会明显不同，钢丝绳在轴向力作用下的弹性变形：ε=σ／Es，式中ε为钢丝绳的轴向应变，σ为钢丝绳受的轴向应力，Es为弹性模量。在弹性范围内变形可以进行下列公式的近似推导：

由公式1和公式2推倒出下面公式3和公式4：

上式中，L为张紧状态但几乎无变形时钢丝绳长度；A为钢丝绳的截面积；△L1为钢丝绳受力F1时钢丝绳的伸长量，△L2为钢丝绳受力F2时钢丝绳的伸长量；Es为钢丝绳弹性模量；△L为钢丝绳受到不同拉力情况下伸长量的区别，△F为钢丝绳受到拉力大小差值。

假定有1#、2#、3#钢丝绳承载重物的总重量（6G），开始时3根钢丝绳长度相同，每根承载的重量都是2G，1#、3#钢丝绳模拟的是旧钢丝绳，假设弹性模量为1.1Es,2#钢丝绳为新钢丝绳，假设弹性模量为Es，当重物的重量变为3G时，按照理想状态应该是每根钢丝绳承载的重量为G，但因为钢丝绳弹性模量的区别，钢丝绳承载的重量会有所不同，承载的重量发生变化而钢丝绳系统达到新的平衡后，每根钢丝绳的变形量△L是相同的，设旧钢丝绳的最终张力为FO，张力变化量为△FO，设新钢丝绳的最终张力为FN，变化量为△FN,根据题设列出下面的公式5和公式6：

列方程组如下：

从上面的计算结果可以得出，如果钢丝绳之间的弹性模量差别比较大，即使轿厢停在某个位置时将张力调整均衡，电梯运行，对重侧与轿厢侧质量差别明显，钢丝绳经过曳引轮，弹性模量不同的钢丝绳的张力会发生不同的变化[4]。

3 钢丝绳在曳引轮处旋转直径对张力的影响分析

钢丝绳在曳引轮处旋转直径的不同可能有两方面原因：钢丝绳直径的差别；曳引轮槽磨损程度的不同。现场用宽口游标卡尺测量现场5根钢丝绳直径，1#、2#、4#新钢丝绳的直径与3#、5#钢丝绳的直径基本没有区别，在此忽略，现场测量钢丝绳的旋转直径，测量位置选择靠近曳引轮处，在垂直方向用钢板尺紧靠钢丝绳[5]，发现3#、5#钢丝绳与钢板尺之间存在明显间隙，其他3根新换钢丝绳没有间隙，用塞尺测量间隙尺寸，3#钢丝绳处间隙尺寸0.15mm，5#钢丝绳处间隙0.4mm，换算后，3#钢丝绳旋转直径比1#、2#、4#钢丝绳小0.3mm，5#钢丝绳旋转直径比1#、2#、4#钢丝绳小0.8mm，曳引轮的节圆直径为450mm，忽略钢丝在曳引上打滑的影响，曳引轮每转动一圈，3#钢丝绳经过曳引轮的长度比1#、2#、4#钢丝绳短0.94mm（π×0.3），5#钢丝绳经过曳引轮的长度比1#、2#、4#钢丝绳短2.5mm（π×0.8）。楼层27层，每层高度3m，轿厢从底层运行到顶层，曳引轮大概需要旋转120圈，以5#钢丝绳为例，经过曳引轮的钢丝绳长度相比1#、2#、4#钢丝绳短了300mm，第一会造成5#钢丝绳的张力变化很大，这就能够很好的说明了5#钢丝绳绳头张力变化程度很大，第二会造成钢丝绳在曳引上的滑移严重，这也能很好说明了在电梯运行过程当中绳头突然跳动的现象，更是进一步加剧曳引轮的磨损。

4 结语

本文通过研究一种典型的电梯曳引钢丝绳张力不均现象，分析其产生原因主要有两个方面：①新旧钢丝绳之间弹性模量差别大对张力的影响；②曳引轮绳槽磨损差异或者钢丝绳直径区别导致的钢丝绳在曳引轮处的旋转直径的不同。据此提出减少和避免此种情况的建议措施：①钢丝绳需要更换时应当全部更换，保证钢丝绳之间弹性模量差别不大；②电梯如果出现钢丝绳张力不均现象应及时调整，如果张力调整不及时而使曳引轮绳槽磨损差异较大，这种情况就会造成钢丝绳张力难以调整，只有通过更换曳引轮才能解决问题。这为改善广大在用电梯的使用状况、减轻使用单位电梯维护成本提供理论指导，具有重要的社会意义。