三角股电梯曳引钢丝绳力学特性及失效分析

2024-05-16张玲

中国特种设备安全 2024年4期

张玲

（陕西省特种设备检验检测研究院西安 710000）

随着国民经济的快速发展、人们生活的极大改善,电梯正快速融入我们的生活[1]。我国电梯保有量从2012 年的245.33 万台逐年递增,到2021 年达到了879.98 万台,如图1 所示。随着地上空间利用的增加,电梯使用数量持续攀升,由此导致的安全事故也不断增加[2]。在电梯安全事故中,经常发生由于制动不及时导致轿厢冲顶或者直接蹲底事故,这两类事故占总事故的15%左右[3-4]。分析事故发生原因,结合电梯使用现状以及技术现状进一步改进电梯零部件结构,降低事故发生率十分必要[5-6]。在电梯的提升系统中,最为关键的2 个部件是曳引轮和曳引钢丝绳,二者通过摩擦副相互作用,通过电机的正反转实现轿厢的提升和下降[7-9]。因此,如何改善曳引钢丝绳和曳引轮的结构或者改善二者之间的接触效果,提升电梯的安全提升能力,对保证电梯的安全运行意义重大[10]。

图1 2012—2021年我国电梯保有量及增长速率

西鲁式电梯曳引钢丝绳具有耐磨性强的优势,是目前在电梯曳引提升中常用的钢丝绳型号,但是该型号的钢丝绳外侧钢丝较粗,容易出现断丝现象,造成电梯提升系统失效,引发电梯安全事故[11]。相比于西鲁式钢丝绳,三角股钢丝绳具有表面耐磨和外部钢丝柔软的特点,具有很好的力学特性,并且与绳槽的接触面比较大,能够很好地改善电梯的提升效果[12]。考虑将三角股钢丝绳引入电梯曳引系统中,分析三角股钢丝绳在电梯曳引环境下的力学承载效果,对提升电梯曳引系统的可靠性具有重要意义。Thenevin 等人[13]在梁假设的基础上同时考虑了拉伸和扭转载荷,分析了直线状态下螺旋钢丝相同承载和摩擦系数下的应力和应变。Kmet 等人[14]通过数值模拟和实验研究分析了弯曲状态下钢丝绳的受力承载能力。上述研究全部针对的是圆股钢丝绳,针对三角股钢丝绳在电梯曳引状态下的研究还未见报道。因此,本文以电梯曳引三角股钢丝绳为研究对象,建立三角股钢丝绳的数据和几何模型,建立三角股绳槽匹配的绳槽模型,进而建立二者的有限元模型,分析其受力效果,探索三角股曳引钢丝绳的失效形式,以降低电梯运行安全隐患,提升电梯安全性。

1 电梯曳引系统结构与常见故障分析

电梯曳引系统是整个电机中最为关键的系统之一,该系统主要由曳引机、曳引钢丝绳以及导向轮等结构件组成[15],如图2 所示。通过上述结构件的协同工作,为电梯提供必要的动力,实现了电梯的升降。

图2 电梯曳引系统结构

电梯曳引系统常见的失效形式主要表现为钢丝绳与绳槽的磨损失效和打滑等,这是由于二者之间的硬度存在一定的差异,导致钢丝绳在承载情况下与绳槽产生滑擦,进而导致绳槽表面产生磨痕,引发钢丝绳与绳槽当量摩擦系数的改变,出现提升打滑现象。由于电梯轿厢在提升和降落过程中,钢丝绳在弯曲和直线状态周期性变化,因此疲劳损伤也是钢丝绳的一种常见失效原因。总体来看,导致电梯曳引钢丝绳以及绳槽失效的根本原因在于摩擦磨损。寻求一种新的曳引钢丝绳和绳槽结构,进一步提升电梯曳引系统的可靠性,本研究提出一种三角股钢丝绳与新型绳槽结构。该结构能够有效改善钢丝绳与曳引轮之间的当量摩擦系数,改善钢丝绳的服役环境和力学承载特性,对提升电梯曳引系统的可靠性具有重要实践意义。

2 电梯三角股钢丝绳及曳引轮槽建模

建立精确的电梯曳引轮槽及三角股钢丝绳的几何模型,对分析三角股钢丝绳在电梯曳引提升过程中的承载特性至关重要。本研究在借助空间曲线几何原理、确定钢丝绳结构的基础上,推导三角股螺旋钢丝绳的钢丝中心线的空间表达式,为钢丝绳的力学特性研究和仿真模拟提供理论基础和有限元几何模型。

如图3 所示,把直线状空间三角股曲线Qs转变为圆弧线Ls,需找到D点与Y点坐标关系。其中线段O′T长为R,是所需要绘制的圆弧钢丝绳的半径,可根据人为输入得到不同半径圆弧钢丝绳模型。为了得到模型,需要保证UD=TY,UD的长即为D点的x坐标,则O′Y=R+x,U点在z方向的坐标即为弧线段OT的长度,即OU=z(θ)=,OT弧线所对应的圆心角为ψ=z(θ)/R[z（θ)-螺旋角为θ时,点U在z方向的坐标值]。

图3 弯曲状外层丝推导示意图

根据图4 及空间坐标关系,得弯曲状三角股绳外层丝曲线参数方程见式（1）,而弯曲状三角股绳中心丝曲线参数方程见式（2）。联立式（1）和式（2）,令R=50 mm,ψ=30°,弯曲状三角股钢丝绳模型长度为12.2 mm,绘制得到图5所示的弯曲状三角股绳模型。因三角股钢丝绳几何形状的特殊性,电梯曳引轮绳槽结构改进为V 型,以适应三角股绳外部轮廓,与V 型绳槽装配,绳槽模型圆心角为14°,半径为50 mm,如图6 所示。

图4 三角股绳的横截面结构简图

式中：

xs、ys、zs——分别为弯曲状三角股绳外层丝在o-xyz坐标系中的坐标值；

ρi——第i根钢丝的旋转半径；

zi——第i根钢丝在z方向的坐标值；

r——弧线段半径；

k——钢丝旋转周期；

j——当前层钢丝的数目；

Gb——极坐标与直角坐标转换参数；

α——钢丝绳的螺旋升角；

q——钢丝绳旋向,取值为1 时为左旋,取值为-1时为右旋；

x（n)、y（n)、z（n)——分别为第n根钢丝弯曲状三角股绳中心丝在o-xyz坐标系中的坐标值；

t——无实际意义；

xzw、yzw、zzw——分别为直线状三角股绳中心丝在o-xyz坐标系中的坐标值；

m——中心钢丝的数目,一般取3 的整数倍。

3 电梯三角股钢丝绳曳引状态下力学仿真分析

3.1 电梯曳引钢丝绳有限元建模

电梯曳引钢丝绳由C80 碳素钢盘条冷拉而成,表面经过镀锌处理,可增加其耐磨性和抗腐蚀性,其材料性能参数见表1。

电梯曳引钢丝绳在工作过程中主要承受拉力作用,模拟电梯实际运行过程中钢丝绳的运行情况,建立仿真模型时,将钢丝绳的一端设为自由端,另一端设为固定端,模拟钢丝绳的实际承载情况。运用Abaqus 有限元软件建立电梯曳引钢丝绳有限元模型,并模拟电梯提升载荷状态,沿钢丝绳轴线方向施加1 kN 的载荷,建立电梯曳引弯曲状钢丝绳的有限元模型,如图7 所示,其中钢丝之间的摩擦系数为0.115,网格的结构为C3D8R。

图7 电梯曳引状钢丝绳有限元模型

3.2 仿真结果分析

根据电梯的受载情况,对弯曲三角股钢丝绳施加轴向载荷,讨论捻角变化时三角股钢丝绳的力学性能,分析三角股钢丝绳在电梯运行过程的适应性。12°、16°和20°捻角的弯曲状三角股钢丝绳整体Von Mises应力分布,如图8 所示,在临近固定端的第二外层丝,其远离芯丝表面（区域F）随捻角的增大,应力集中区域分布逐渐拓宽,应力逐渐增大,可见捻角的增加会加剧外层丝与绳槽之间的磨损。

图8 不同捻角弯曲状三角股绳应力云图

在图8 所示的圆心角为8.35°的横截面应力云图,未与轮槽接触的外层钢丝,存在经过钢丝轴线的小应力中性面,且沿三角形几何分布；在横截面方向,应力集中主要出现在三角形的几何顶点（图9 所示顶点位置）处；截面应力以中心轴线近似呈左右对称分布。由图8 可得,随捻角的增大,中心丝应力呈阶梯状,并且逐渐增大。由图10 中心丝在钢丝加载端-固定端应变分布曲线可知,当捻角为12°时,应变变化均匀,而捻角增大时,应变曲线逐渐变为波浪状,且波峰和波谷数值明显增大。当捻角为16°时出现小波峰,而在20°时出现明显突变的P1、P2、P3、P4、P5波峰点,表明在捻角增大时,相同轴向力下,侧丝对中心丝的挤压力更大,加剧了中心丝的应变。因此,捻角增加对弯曲状三角股绳中心丝影响较大,大捻角中心丝更易发生应力屈服及疲劳破坏。

图9 三角股钢丝绳单丝结构图

图10 不同捻角中心丝应变

在圆心角为8.35°的截面处,A顶点和C顶点第一外层丝环向应力对比如图11 所示。分析三角股钢丝绳与轮槽的接触情况可知,图9 所示的A点与B点对称,其受力情况完全一致,因此本研究仅考虑A点的受力情况。3 种捻角股绳A顶点丝在180°～240°区域,应力相对小于同丝的其他环向角度区域应力。位于A顶点、C顶点的第一外层丝,分别与第二外层丝和中心丝接触,应力更大,最大应力均出现在近中心丝端；随着捻角的增加,几何顶点处钢丝环向应力均增大,加剧了三角形几何顶点处外层丝的磨损。

图11 不同捻角条件下相同顶点处环向应力对比

图11 为环向应力对比图,其封闭曲线所围绕面积的大小,可定性代表此顶点丝应力集中的程度,提取图示封闭曲线相对面积,得到图12 所示不同顶点丝应力曲线面积与捻角之间关系。由图12 可知,相同捻角下,C顶点处相对面积明显大于A顶点相对面积,表明在弯曲三角股绳中,与绳槽接触的C顶点处钢丝,更易在拉伸载荷下,受到其余钢丝在股绳曲率中心方向上的交错挤压,导致局部应力相对较大。

图12 不同捻角绳股相同顶点曲线面积对比

4 电梯三角股钢丝绳磨损失效分析

电梯曳引三角股钢丝绳的使用寿命和绳内各丝之间的接触应力有密切的关系,由图13（a）、图13（b）和图13（c）的中心丝接触应力云图发现,由于外层丝结构捻角的存在,钢丝绳在轴向载荷作用下,各层丝间存在相互滑动,丝间间隙逐渐减小,外层丝交错挤压,导致中心丝产生剪切应力和径向应力。

图13 不同捻角下中心丝接触应力云图

由图13 可知,三角股中心丝与其他中心丝接触应力呈点接触式分布,有明显的螺旋分布规律,接触应力分布规律与其接触的外层丝捻角有关,且接触应力的最大值明显与钢丝绳捻角相关。当捻角α为12°时,接触应力为229.6 MPa；当捻角α为16°时,接触应力为430.5 MPa；当捻角α为20°时,接触应力为648.6 MPa。

通过对比分析3 种捻角下的三角股钢丝绳与曳引轮绳槽接触产生的接触表面形状来看,采用三角股钢丝绳及其配套的轮槽结构,有效增加了绳与轮之间的接触面积,即增大当量摩擦系数,改善了钢丝绳的服役条件和力学承载特性,能一定程度上提升电梯曳引系统可靠性。此外,三角股钢丝绳及其配套的轮槽接触面大多呈椭圆状分布,而且钢丝绳捻角越大接触面积越小,此时三角股钢丝绳更易发生凹坑磨损。因此,为进一步保证电梯曳引系统的安全可靠性,应选择捻角较小的三角股钢丝绳型号,以改善接触应力分布,避免过大磨损导致钢丝断裂。