浅谈曳引电梯钢丝绳的安全系数
时间：2022-10-02 05:22:20
[摘要]本文根据GB 7588-2003的相关要求对特定情况下的电梯的钢丝绳安全系数进行核算。
对于曳引电梯无论悬挂比是1：1，还是2：1均需用到钢丝绳，所以说钢丝绳与电梯的运行及安全有着千丝万缕的关系。电梯用钢丝绳指的是曳引钢丝绳，曳引绳承受着电梯的全部悬挂重量，并在电梯运行中绕着曳引轮、导向轮或反绳轮牵引轿厢及对重。所以对电梯用钢丝绳要求具有较高的强度、挠性及耐磨度。本文将就上置式、速度1.0m/s的有机房曳引式电梯按国标的要求对钢丝绳的安全系数进行核算。
1、电梯用钢丝绳的分类和标记
电梯钢丝绳一般是圆形的股状结构，主要有绳股和绳芯组成。钢丝是钢丝绳的基本组成部件，绳股由钢丝组成，电梯钢丝绳一般为6股和8股。如在水力发电站中安装电梯，为了防腐，有时也要求电梯钢丝绳需要镀锌。
1）按强度分可分为单强度钢丝绳及双强度钢丝绳。
单强度钢丝绳：外层绳股的外层钢丝具有和内层钢丝相同的抗拉强度，如内层、外层钢丝全部都是1570MPa；
双强度钢丝绳：外层绳股的外层钢丝的抗拉强度比内层钢丝低，如外层钢丝绳为1370MPa，内层钢丝绳为1770MPa。
2）按绳芯可分为纤维芯和钢芯。
纤维芯：纤维芯应符合GB/T 15030中优等品的要求，也可使用合成纤维制成，绳芯中应加入适量剂。剂应具有防锈功能。
钢芯：钢芯分为独立的钢丝绳（IWR）和钢丝绳股新（IWS）。
3）钢丝绳标记示例（按照GB 8903-2005）
结构为8x19西鲁式，绳芯为纤维芯，公称直径为13mm，钢丝公称抗拉强度为1370/1770（1500）MPa，表面状态光面，双强度配置，捻制方法为右交互捻的电梯用钢丝绳标记为：
13 NAT 8X19S+FC-1500（双）ZS-GB 8903-2005。
注：a）ZS代表右交互捻钢丝绳，绳右捻，股左捻；b）标记中的数字8代表组成钢丝绳的绳股数量为8；c）标记中的数字19代表组成每股的钢丝数量为19；d）标记中S代表西鲁式，也有瓦林吞式（用W表示）及填充式（用Fi表示）。
2、钢丝绳的安全系数计算
本文就上置式、速度1.0m/s的有机房曳引式电梯按GB 7588-2003的要求进行核算。该方法考虑得到：
a）在钢丝绳驱动的设计中使用传统材料制作各个部件，如钢（铸铁）曳引轮；
b）钢丝绳符合国家标准；
c）在正常的维护和检查下，钢丝绳有足够的寿命。
2-1、电梯参数
1）有机房（机房上置），额定载重Q=1050kg
2）曳引比I，本文取2
3）速度1.0m/s
4）顶层高度4150mm
5）底坑深度1350mm
6）提升高度27m（9层9站9门，按3m每层考虑）
7）轿厢自重P=1200kg
8）对重重量P对重=1672.5kg（平衡系数按0.45）
9）曳引轮槽型40度V型槽下部带95度切口
10）曳引轮直径Dt=400mm
11）导向轮直径D2=400mm
12）反绳轮直径D3=400mm（轿厢及对重侧）
13）钢丝绳直径dr=10，型号为10 NAT 8×19S+NF-1500（双）ZS- GB 8903-2005
14）钢丝绳根数n=5
电梯钢丝绳绕绳示意如图1；
钢丝绳参数如表1；曳引轮槽型参数如表2；
表1
表2
图1
2-2、安全系数计算
GB7588-2003第9.2.2条要求如下：
悬挂绳的安全系数应按附录N（标准的附录）计算。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；
c）对于卷筒驱动电梯为12；
安全系数是指装有额定载荷的轿厢停靠在最低层站时，一根钢丝绳的最小破断负荷（N）与这根钢丝绳所受的最大力（N）之间的比值。
1）滑轮的等效数量 Nequiv的计算
弯折次数以及每次弯折的严重弯折程度导致钢丝绳的劣化。同时，绳槽的种类（U型或V型）以及是否有反向弯折也有影响。每次弯折的严重弯折程度可以等效为一定数量的简单弯折。简单弯折定义为钢丝绳运行于一个半径比钢丝绳名义半径大5%至6%的半圆槽。
简单弯折的数量相当于一个等效的滑轮数量Nequiv，其数值从下式得出：
Nequiv=Nequiv（t）+ Nequiv（p）
Nequiv（t）――曳引轮的等效数量；
Nequiv（p）――导向轮的等效数量。
Nequiv（t）查表2得出为6.7；Nequiv（p）按下式计算，
Nequiv（p）=Kp*（Nps+4*Npr）
Kp――跟曳引轮和滑轮直径有关的系数，按下式计算得出，
Nps――引起简单弯折的滑轮数量，本文取2；
Npr――引起反向弯折的滑轮数量，本文取0（因反向弯折仅在钢丝绳与两个连续的静滑轮的接触点之间的距离不超过绳直径的200倍时才考虑）。
Kp=（Dt/Dp）4=（400/400）4=1
Dt――曳引轮的直径；
Dp――除曳引轮及对重反绳轮外的所有滑轮的平均直径，本文为400。
Nequiv（p）=1*2=2
Nequiv=Nequiv（t）+ Nequiv（p）=8.7
2）曳引绳的计算安全系数Sf
Sf是根据电梯绕绳系统、曳引轮的槽角等参数计算得出，计算公式如下：
3）钢丝绳的实际安全系数Sf’
Sf’是根据电梯钢丝绳所受的力及钢丝绳的自身参数计算得出，计算公式如下：
N――一根钢丝绳的最小破断载荷，本文取44KN；
T――载有额定负载的轿厢停靠在最低层站时的钢丝绳上的最大静载荷；
W――轿厢侧总重量。
W=（P+Q+P钢丝绳）*g=（P+Q+i*H总*q*n）*g=（1200+1050+2*32.5*0.345*5）*9.8=23.15 （KN）
H总――井道总高，本文为32.5m。
结论：Sf’>Sf，且Sf’>12，所以钢丝绳安全系数满足GB7588-2003要求 注：本文钢丝绳数量n为5。
三、结语
对于曳引电梯选用钢丝绳的最小破断载荷与轿厢侧重量之比得出的系数（即实际安全系数Sf’）必须大于GB7588-2003附录N中计算的结果（计算安全系数Sf）与GB7588-2003第9.2.2条中要求的安全系数（12或16，根据钢丝绳条数选取）两者中的最大值。从上面公式的计算可以看出，通过加大曳引轮直径或加大绳轮直径或减小绳槽切口角度β，可减小Sf，从而可以减小Sf’，继而可选用强度较小的钢丝绳；通过增加钢丝绳条数n，可以加大Sf’；通过减小轿厢重量，可以加大Sf’；改变悬挂比i或改变钢丝绳最小破断载荷N也可以改变钢丝绳的安全系数。但是改变了上述的参数同样会引起曳引力等一系列电梯参数的变化，所以在实际设计中时，要从整体出发，选择最优的方案，但无论如何，都必须满足国标的要求，而且应留有适当的余量。电梯钢丝绳是电梯的重要部件，它关系到电梯的正常使用与乘客的人身安全。不仅在设计上要保证其具有足够的安全性，定期的检查维护也是十分重要的。无论设计时电梯钢丝绳的安全系数有多高，但如果在使用过程中不注意维保就会发生危险（近年来就常有因电梯维保不到位，导致发生故障引起伤亡的报道），因为钢丝绳在曳引轮上的运行寿命受到磨损和钢丝交变应力的限制，对大多数情况来说，只要观察出外部有明显的钢丝破断现象就应更换钢丝绳，而这些只有专业技术人员才能判断。所以一定要找有资质的电梯维保公司对电梯进行定期的维保。
参考文献
[1]GB 7588-2003《电梯制造与安装安全规范》
[2]GB 8903-2005《电梯电梯用钢丝绳》
[3]朱昌明等编著.《电梯与自动扶梯 原理 结构 安装 测试》 第1版.上海交通大学出版社，1995
