曳引驱动电梯对重反绳轮轴断裂失效原因分析
时间：2022-12-06 20:00:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
卢咸定，周叶平，兰清生，汪有韬
（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院，南昌 330052）
根据2021年全国特种设备安全状况的通告：截至2021年年底，全国在用电梯达879.98万台，其中至少60%（约528万台）的电梯为曳引驱动电梯，曳引驱动电梯是靠曳引轮与悬挂轿厢与对重的钢丝绳的摩擦力，通过电机带动曳引轮转动使人们乘坐的轿厢上下移动。电梯对重是电梯曳引系统的一个组成部分，其作用是平衡轿厢的重量[1-2]。位于轿厢的另一边，通过曳引钢丝绳连接到轿顶上。对重在电梯曳引系统起到节能作用，因为在配重前理论计算使电梯载重最优化。对重主要由对重架、对重铁、对重反绳轮、轮轴、轮轴卡板、横板、防尘罩及防跳绳装置等组成，如图1所示，对重反绳轮通过轮轴固定在对重架的横板上，轮轴与对重反绳轮间共有2个滚动轴承相连接，通过轮轴卡板顶住轮轴卡槽防止轮轴在横板的轴孔上旋转，轮槽卡板用2个螺栓固定在横板上[3-4]。
由图1的结构可知，对重反绳轮轴一旦断裂，曳引钢丝绳将从对重架中脱落，导致轿厢发生坠落的风险，可见对重反绳轮轴是电梯安全运行重要的部件，本文从一起电梯对重反绳轮轴断裂失效的案列出发，通过宏观分析、硬度测试、金相检测和扫描电镜（SEM）等手段分析其断裂原因，提出相应的预防措施。
图1 对重反绳轮轴结构图
故障情况：2021年8月16日某小区20#楼1名乘客从29层进入该电梯（曳引驱动乘客电梯），预备乘电梯至1楼，当电梯运行至8楼时轿厢快速坠落，限速器动作，触发安全钳动作，电梯轿厢制停在4—5楼之间，可推测电梯运行至8楼时对重反绳轮轴（以下简称“反绳轮轴”）突然断裂，导致未脱槽的钢丝绳从反绳轮中脱出，轿厢与对重失去连接，轿厢和对重同时往下坠落。该乘客被关在电梯轿厢中，所幸乘客没有受到伤害。故障发生后，将反绳轮轴拆卸下来进行了详细的故障分析。
经查阅该电梯制造厂家提供的资料及现场确认：反绳轮轴所用材料为正火态45#钢，硬度要求HB156-228（相当于HV165～240）。钢丝绳硬度参考指标为HV460～490、抗拉强度大于等于1770 N/mm2、破断力大于等于33.2 kN。挂板原材料为Q235，硬度参考指标为HB120～180（相当于HV125～190）。现场进行勘查时发现，反绳轮倾斜且轮轴断裂，如图2（a）所示，对重框变形、部分对重块脱落；
对重缓冲器和对重防护栏被压坏，补偿链被对重块压住，如图2（b）所示。
图2 反绳轮轴断裂后现场照片
图3为反绳轮轮轴的宏观照片。图3（a）为未断侧轮轴的侧面图，经过测量轮轴外表面到轴根部的长度为41.3 mm。图3（b）为断侧轮轴的正面图，可看出2部分断口重合性良好，经过测量轮轴外表面到轴根部的长度为32.1 mm。比较图3（a）中未断侧轮轴的长度和图3（b）断侧轮轴的长度可知，相差9.2mm，稍大于钢丝绳直径8mm。图3（c）为断侧轮轴的侧面图，可看出2部分断口重合性不是很好，这是凹槽内边缘严重变形导致的，去除这部分变形2部分断口实际上重合性也挺好[5-7]。图3（d）为断侧轮轴底部的侧面图，可看到轮轴表面上存在一点点磨光的痕迹，但边缘轮廓立体、清晰完整。图3（e）为钢丝绳磨穿轮轴的痕迹，为了比对轮轴上的磨损痕迹和挂板上的磨损痕迹是否对得上，只能把挂板反着放去观察，从磨损的痕迹上看是吻合的，若把挂板正着放的话磨痕会更吻合。图3（f）为远离反绳轮的轮轴外侧断口，从中也可看到疲劳断裂特征，疲劳源靠近凹槽表面，在断口稍高区域也可看到钢丝绳的磨损痕迹[5]。
图3 反绳轮轮轴的宏观照片
3.1 反绳轮轮轴金相组织分析
图4为反绳轮轮轴的金相组织照片。由图4可知反绳轮轮轴的金相组织为铁素体+珠光体。
图4 反绳轮轮轴金相组织照片
图5 为反绳轮轮轴的金相组织SEM形貌照片，从图5中可清晰看出珠光体的层片状结构。
图5 反绳轮轮轴金相组织SEM形貌照片
3.2 反绳轮轮轴成分分析
图6为反绳轮轮轴的能谱成分分析结果。由图6可知，其能谱分析只检测到Fe元素，未检测到其他杂质元素。表1为反绳轮轮轴的碳硫分析结果，可知其碳含量为0.49%，在45#钢碳含量（0.42%～0.50%）范围内。
图6 反绳轮轮轴能谱成分分析结果
表1 反绳轮轮轴碳硫分析结果
3.3 反绳轮轮轴显微硬度分析
表2为反绳轮轮轴的显微硬度测试结果，其显微维氏硬度为175HV0.5，符合其硬度要求HB156～228（相当于HV165～240），但有点偏下限。
表2 反绳轮轮轴显微硬度测试结果
3.4 反绳轮轮轴断口分析
图7为钢丝绳与反绳轮轮轴断口的摩擦形貌照片。图7（a）为图3（f）中标注的钢丝绳磨损痕迹的形貌照片，可看出磨痕形貌与钢丝绳的形状吻合得很好。图7（b）为图7（a）中圆圈区域放大的形貌，可看出磨痕梨沟区域光滑平整，这是钢丝绳与轮轴严重磨损导致的。图7（c）为轮轴底部边缘区域磨损痕迹的形貌照片，可看出2个方向上的磨痕，一种是绕轮轴圆周方向的磨痕，这个是钢丝绳与轮轴磨损时留下的。
图7 钢丝绳与反绳轮轮轴断口的摩擦形貌照片
（1）试验结果表明反绳轮轮轴的材质、金相组织和硬度均满足要求。
（2）反绳轮轮轴断口中有疲劳和磨损的特征，其断裂主要是由使用过程中造成的疲劳和钢丝绳对轮轴磨损共同导致。
（3）该电梯发生故障的原因是钢丝绳从反绳轮中脱槽，钢丝绳绕着反绳轮轴一直摩擦运行，最终导致了反绳轮轴的疲劳断裂。
（4）反绳轮轮轴在电梯日常维护保养过程中应重点检查钢丝绳是否存在反绳轮脱槽现象，反绳轮防脱槽装置是否有效。
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