电梯曳引钢丝绳强度级别讨论.docx

do i: 10. 3969 / j. issn. 1003 - 4226. 2010. 06. 021电梯曳引钢丝绳强度级别讨论崔影 ,刘艳 ,刘震 ,杨冕君(天津高盛钢丝绳有限公司 , 天津300220)摘 要 简述电梯钢丝绳执行强度级别现状 ,直径 10 mm 曳引钢丝绳已成为电梯设计的主流 ,采用直径 8 mm 曳引钢丝绳的比例也在逐年增加 。针对电梯曳引钢丝绳 、曳引轮绳槽表面硬度对曳引力大小及摩擦副磨损的影响 ,通 过多种表面处理技术 (表面淬火 、热喷涂 、热堆焊 )提高曳引轮绳槽的表面硬度 ( HRC值达到 5863) ,使其与 1 770或 1 960 M Pa强度级别制绳钢丝表面硬度相匹配 。严格按照电梯制造与安装安全规范 中的电梯应满足的曳引条件设计选用电梯曳引钢丝绳 ,并借助如电梯钢丝绳专用无损探伤仪等对钢丝绳状况进行监测 。提出高强度电梯曳 引钢丝绳可以使用钢帘线用盘条制造的学术观点 。关键词 电梯曳引钢丝绳 ;制绳钢丝 ;曳引轮 ;强度级别 ;硬度 ;曳引力中图分类号TG115. 5S tren g th leve l d iscu ss ion of w ire rope for tra c t ion dr ive l if tCU I Ying , L IU Ya n , L IU Zh e n , YAN G M ia n 2jun( T ian jin Goldsun W ire R ope L td. , T ian jin 300220, Ch ina)A b stra c t To in troduce the execu ting p re sen t situa tion of strength grade of w ire rop e fo r lift. D iam e te r 10 mm trac tion rop eis m a in trend of lift de sign, the p ropo rtion of adop ting d iam e te r 8 mm trac tion rop e ha s been inc rea sing w ith yea rs. A im ing a t the influence of lift trac tion w ire rop e, su rface ha rdne ss of trac tion sheave rop e groove on trac tion fo rce and fric tion p a ir wea ring, su rface ha rdne ss ( HRC va lue reache s from 58 to 63) of trac tion sheave rop e groove can be inc rea sed th rough a lo t of su rface trea tm en t techno logy such a s su rface ha rden ing, the rm a l sp raying, the rm a l su rfac ing, wh ich m a tche s w ith su rface ha rdne ss of 1 770 M Pa o r 1 960 M Pa grade stee l w ire fo r rop e. W ire rop e fo r trac tion d rive lift is se lec ted acco rd ing to trac2 tion de sign cond ition sa tisfied by lift in S afety ru les for the construction and insta lla tion of electric lif ts stric tly, w ire rop e con2 d ition is mon ito red by u sing non2de struc tive flaw de tec to r sp ec ia l p u rpo se fo r lift w ire rop e. The academ ic p e rsp ec tive of h igh strength lift trac tion d rive w ire rop e p roduced by w ire rod fo r stee l co rd is p u t fo rth.Keyword s w ire rop e fo r trac tion d rive lift; stee l w ire fo r rop e; trac tion sheave; strength grade; ha rdne ss; trac tion fo rce1 电梯曳引钢丝绳及其强度级别曳引钢丝绳是电梯悬挂装置的重要组成部分 , 承受着轿厢和配重的质量 ,依靠其与曳引轮绳槽间 的摩擦力将曳引机产生的动力传递到轿厢并驱动它做升降运动 。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 1 180 , 1 320 ,1 370 , 1 570 , 1 620 , 1 770 , 1 960 M Pa等强度级别 ,内层丝包括 1 570 , 1 620 , 1 770 , 1 960 M Pa 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 1 320 1 620 M Pa 强度级别钢丝 ,内层丝为 1 770 M Pa 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 ,有利第 6期崔 影 ,等 :电梯曳引钢丝绳强度级别讨论71于观察电梯绳损坏情况并及时更换新钢丝绳 。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2 制绳钢丝 、曳引轮槽表面硬度的匹配及控制方法2. 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 1 - 3 。 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 4 - 5 ,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 6 ,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 ,表 1是部分制绳钢丝 表面硬度的实测值 。表 1 部分制绳钢丝表面硬度的实测值Ta b le 1 M e a su re d va lu e o f su rfa c e ha rdn e s s o f p a rtia l s te e l w ire fo r rop e 7 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 / T 24478 2009电梯 曳引机 中第 4. 2. 3. 7 条款“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 8 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 1 770 或 1 960 M Pa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5863。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 。硬度 HV0. 5值钢号强度级别及范围 /M Pa1 370 ( 1 4201 650)1 570 ( 1 6201 850)4538043042047055 65 1 770 ( 1 820 2 050 ) 470 520 2. 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 1 320 或 1 370 M Pa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 。2. 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3 高强度曳引电梯钢丝绳的优点及选用时应该关注的问题3. 1 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 (表 2 ) ,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 (表 3 ) ,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 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 金属制品第 36卷72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 8 mm ,直径 10 mm 曳引钢丝绳已 成为电梯设计的主流 , 采用直径更小的 8 mm 曳引钢丝绳的比例也在逐年增加 。表 2 不同钢丝绳抗拉强度的最小破断拉力Ta b le 2 M in im um b re a k in g fo rc e o f d iffe re n t w ire ro p e te n s ile s tre n g th 制缺陷与钢丝质量决定断丝的发生部位 。发生在钢丝绳内部的断丝不能通过肉眼识别 ,为了全面掌握 钢丝绳的磨损及断丝数量 ,必须借助于仪器对钢丝绳 状 况 进 行 监 测 , 如 电 梯 钢 丝 绳 专 用 无 损 探 伤 仪 11 。磨损速率与钢丝绳及曳引轮绳槽表面硬度 、电梯载荷大小的变化 、运行速度的快慢 、起动加速度 的高低等因素密切相关 ,同时应该注意钢丝绳表面硬度在初始状态 、磨损发生后是否有所变化 ,以及钢 丝绳断丝数量与时间 、使用频次的关联规律等等 ,电梯制造厂家应该摸索并逐渐掌握其中的规律性 。最小破断拉力 / kN钢丝绳结构1 370 /1 770 M Pa1 770 M Pa1 960 M Pa8 19 S + N F108 19 S + N F1344. 051. 957. 44 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 ,随着电梯速度的不断上升 ,选用高强 度的曳引钢丝绳 ,可以提高电梯安全系数 ,降低钢丝绳的直径 ,提高曳引轮直径与钢丝绳直径的比 ,淘汰1 620 M Pa及以下强度级别电梯曳引钢丝绳 ,代之以1 770 , 1 770 /1 960 , 1 770 /2 160 , 1 960 , 1 960 /2 160M Pa等高强度级钢丝绳 ,且这种高强度曳引钢丝绳 可以使用钢帘线用盘条制造 ,由于钢帘线用盘条在 冶炼过程中采用的特殊技术 ,优质帘线钢盘条具有 化学成分波动小 、材质纯净 、力学性能均匀 、极限压 缩率较高 , 钢 中 仅 含 A 类 和 D 类 夹 杂 , 且 D 类 夹 杂 0. 5 级 , 尺寸 5m 并呈塑性 , 无明显中心偏 析 、表面脱碳等缺陷 12 ,其夹杂物控制水平明显优 于现在使用的各类制绳碳素盘条 13 ,有利于提高电 梯钢丝绳的耐疲劳性能 14 。这种学术观点是否正 确 ,有待于实践的检验 。参考文献74. 387. 697. 0表 3 不同强度级别对应的绳径Ta b le 3 C o rre spo nd in g ro p e d iam e te r o f d iffe re n t s tre n g th g ra d e强度级别 / M Pa绳径 /mm1 370 /1 77010. 51 7709. 51 9609. 0注 :钢丝绳结构 8 19S + N F,最小破断拉力 45 kN。3. 2 选用高强度曳引电梯钢丝绳应关注的问题3. 2. 1 曳引力 电梯曳引力是衡量电梯性能的一项重要指标 ,关系到电梯的安全性及运行的可靠性和舒适感 。根 据曳引传动原理及曳引电梯工作情况 ,电梯曳引力设计计算主要包括 3个方面 : ( 1 )制动工况 ,必须保 证防滑要求 ; ( 2 )滞留工况 ,必须满足打滑要求 ; ( 3 )进行超载静态试验 。 在曳引力相关计算中涉及到钢丝绳的参数包括 :曳引轮与钢丝绳之间的摩擦因数 、曳引绳根数 、 曳引绳每延米质量 、曳引绳最大垂高 、曳引绳最小破断载荷 、抗拉强度等 9 , 在选 用高 强 度曳 引电 梯 钢 丝绳后 ,曳引计算中涉及的某些参数可能发生变化 ,如摩擦因数 , 要严格按照电梯制造与安装安全规范 中的电梯应满足的曳引条件进行设计 、校核 ,并 做好曳引试验 ,检验电梯曳引能力 10 。3. 2. 2 钢丝绳使用过程中状况监测 选用高强度曳引电梯钢丝绳时 ,其磨损 、断丝规律可能与低强度或者双强度级钢 丝 绳有 一定 的 差 异 ,钢丝绳表面磨损速率可能会下降 ,而断丝的发生与钢丝在钢丝绳中所在位置的相关性会降低 ,钢丝 绳的捻制质量将是决定性因素 ,即钢丝绳的各类捻 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, 30 ( 1) : 28 - 31.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 , 35 ( 16 ) : 35.徐萍 ,王伯健 , 宋清华 , 等 . 冷拉 珠光体钢丝的抗拉强 度与真应变的关系 J . 兵器材料科学与工 程 , 2009,32 ( 3) : 56 - 58.邹庆化 . 金属材料强度与硬度之间的相关关系 J . 金 属热处理 , 1993 ( 1) : 53 - 55.中国计量科学研究院 . 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D IN 21254 /121991 起重钢绳 单层 圆股钢绳 结构品种 8 35 S / /中钢集团郑州金属 制品研究院 ,宁夏恒力钢铁集团有限公司 . 国外钢丝 绳标准汇编 . 郑州 : 中钢集团 郑 州 金 属 制 品 研 究 院 ,2001: 509.(收稿日期 : 2010 - 05 - 31)作者简介1964年生 ,高级工程师 ,咸阳宝石钢管钢绳有限公 司产品研发部副主任 ,宝鸡石油机械有限责任公司 技术专家 。1980年生 ,咸阳宝石钢管钢 绳有限公司产品研发部工程师 。1984年生 ,咸阳宝石钢管钢 绳有限公司产品研发 部助理工程师 。先捻制 1层钢丝再捻制 2 层钢丝平行捻复合捻股的股标记方法 ,期望引起标准制定者对此问题的关注 。参考文献 12 1 中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 . GB / T 87062006 / ISO17893: 2004钢丝绳 术语 、标记和分类 S . 北京 : 中国 标准出版社 , 2006.中华人民共和国标准计量局 . GB 110274 圆股钢丝 绳 S . 北京 :中国标准出版社 , 1974.中华人民共和国冶金工业部 . GB 891888 优质钢丝绳 S . 北京 :中国标准出版社 , 1988.中华人民共和国冶金工业部 . YB / T 522593 粗直径 钢丝绳 S . 北京 :中国标准出版社 , 1994.国 家 技 术 监 督 局 . GB / T 8918 1996 钢 丝 绳 S . 北 京 :中国标准出版社 , 1996.中国国家标准化管 理委员会 . GB 89182006 重要用 途钢丝绳 S . 北京 :中国标准出版社 , 2006.中国国家标准化管理委员会 . GB / T 201182006 一般用途钢丝绳 S . 北京 :中国标准出版社 , 2006.中国国家标准化管理委员会 . GB 20067 2006 粗直径 钢丝绳 S . 北京 :中国标准出版社 , 2006.中华人民共和国冶金工业部 . GB 870688 钢丝绳 术 语 S . 北京 :中国标准出版社 , 1