電梯曳引鋼絲繩檢測(cè)儀及國(guó)內(nèi)鋼絲繩質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)建議

許建芹，鄒建華，黃 凱，徐海慧，董信華

（1.江蘇特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210003；2.貴州省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴陽 550003；3.上海且華虛擬儀器技術(shù)有限公司，上海 200032）

近年來，隨著中國(guó)城市化迅速推進(jìn)，中高層樓宇的不斷增加，國(guó)內(nèi)電梯保有量已達(dá)到200多萬臺(tái)且每年以15%～20%的速度遞增，這使得承擔(dān)電梯安全監(jiān)督檢驗(yàn)和維護(hù)保養(yǎng)人員的工作量急劇增加，電梯的安全事故時(shí)有發(fā)生，其中不乏電梯鋼絲繩斷裂導(dǎo)致的墜落事故［1］。

1 由電梯曳引鋼絲繩所引起的事故

由于電梯導(dǎo)軌偏差、輪對(duì)偏移、軸承質(zhì)量欠佳等機(jī)械問題，常常引起曳引鋼絲繩非正常疲勞的斷絲；因電梯井道中的水霧常會(huì)引起繩芯含油量不足，質(zhì)量欠佳的鋼絲繩發(fā)生銹蝕。據(jù)調(diào)查，檢驗(yàn)人員在澳門、上海、南京等地的某些電梯機(jī)房中多次見到滿屋紅塵，如圖1所示，經(jīng)檢驗(yàn)是鐵銹粉末。

圖1 上海某電梯機(jī)房中飛揚(yáng)的鐵銹粉末

圖2 香港大埔善雅樓電梯事故

圖3 歐美鋼絲繩檢測(cè)儀

近年來在武漢、杭州、無錫、北京、福州等地曾發(fā)生多起電梯事故，特別是2008年10月25日，香港大埔善雅樓L32號(hào)電梯突然跌至地坑，橋廂上8根曳引鋼絲繩中7根斷裂落至廂頂上，見圖2。

2006年，日本國(guó)內(nèi)用電梯曳引鋼絲繩發(fā)生42起斷繩事故。

2009年5月11日，英國(guó)著名地標(biāo)性建筑——倫敦塔橋也發(fā)生了電梯墜落事故。據(jù)天空電視臺(tái)報(bào)道，電梯曳引鋼絲繩斷裂是這起事故的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

近年來，電梯保有量的大幅增加和電梯安全事故有所抬頭的嚴(yán)峻形勢(shì)，使得國(guó)家主管部門更加重視電梯安全問題。一些地方主管機(jī)關(guān)相繼推行了電梯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制。應(yīng)用科學(xué)儀器檢測(cè)診斷鋼絲繩質(zhì)量是其中重要的一項(xiàng)內(nèi)容。

2 現(xiàn)有電梯曳引鋼絲繩探傷儀

2.1 歐美產(chǎn)品

目前國(guó)外共有23家公司研制鋼絲繩探傷儀，其中歐美各國(guó)至今還沒有專門針對(duì)電梯鋼絲繩檢測(cè)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)許多特檢機(jī)構(gòu)采購(gòu)波蘭或俄羅斯生產(chǎn)的檢測(cè)小直徑鋼絲繩的產(chǎn)品都不能有效檢測(cè)電梯鋼絲繩，這是由于電梯鋼絲繩中有多根鋼絲密集排列，間距很小，上述探傷儀根本無法安裝（圖3）。

2.2 日本產(chǎn)品

日本的電梯用量和產(chǎn)量很大，日本東京制鋼株式會(huì)社一直從事電梯鋼絲繩探傷儀的研制和開發(fā)。

日本產(chǎn)品是由傳感器和處理器兩大部件組成。當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)鋼絲繩斷絲，處理器實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。電梯鋼絲繩以不同的速度通過傳感器，處理器旋鈕可進(jìn)行選擇，旋鈕共有0.25，0.33，0.5和0.67m/s四個(gè)速度檔，稱作頻率采樣。檢波的波形曲線圖可以另接打印機(jī)，由人工對(duì)圖像進(jìn)行分析判定。

2.3 國(guó)內(nèi)MTC公司產(chǎn)品

由于鋼絲繩是無限不確定長(zhǎng)，歐美和日本還是用傳統(tǒng)模擬量處理，信號(hào)采集點(diǎn)間隔較大，常發(fā)生漏檢，檢測(cè)速度較低，日本的小于2m/s，美國(guó)的小于3m/s。

鋼絲繩專業(yè)十分冷門，20年來國(guó)內(nèi)堅(jiān)持研究的只有鞍山KST、洛陽TCK和上海MTC三家公司。上海MTC公司于1997年成功開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)，由計(jì)算機(jī)直接采樣處理的MTC鋼絲繩探傷儀，實(shí)現(xiàn)了定性、定量、定位的鋼絲繩的高速檢測(cè)，目前已經(jīng)升級(jí)至第五代。

圖4 鋼絲繩檢測(cè)探傷儀傳感器

圖5 MTC產(chǎn)品檢測(cè)電梯曳引鋼絲繩現(xiàn)場(chǎng)

專門用于電梯曳引鋼絲繩檢測(cè)的探傷儀傳感器有兩種，分別為哈夫整體的EA型和馬鞍座插的EH型。前者用于普通纏繞的間距稍大電梯曳引鋼絲繩，后者用于復(fù)式纏繞的間距較小電梯曳引鋼絲繩（圖4）。

MTC產(chǎn)品為目前正積極推進(jìn)的老舊電梯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作出了重要貢獻(xiàn)，也為電梯制造和維保單位鑒別鋼絲繩狀態(tài)提供了科學(xué)依據(jù)，圖5為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片。

3 多回路電梯曳引鋼絲繩檢測(cè)儀

3.1 目前的多回路探傷儀

因?yàn)槊坎侩娞荻加?～8根密集排列的曳引鋼絲繩，應(yīng)用MTC單回路探傷儀時(shí)，只能一根一根地檢測(cè)，電梯必須多次上上下下，對(duì)于目前眾多的電梯，需要花費(fèi)檢測(cè)人員的大量時(shí)間。

如果傳感器采用多回路，就能應(yīng)對(duì)多根密集排列的電梯曳引鋼絲繩檢測(cè)。近年來洛陽TCK公司及日本東京制鋼研究了多回路電梯曳引鋼絲繩探傷儀（圖6）。

圖6 多回路電梯曳引鋼絲繩檢測(cè)儀

上述多回路鋼絲繩檢測(cè)儀存在的最大問題是采用對(duì)多回路的采樣信號(hào)進(jìn)行相加的方法來處理，無法區(qū)別是哪一根鋼絲繩上的缺陷。每次檢測(cè)時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲的瞬間用記號(hào)噴槍噴射白漆，然后再用單回路探傷儀進(jìn)行二次復(fù)檢以確認(rèn)缺陷位置。此外，采用減少采樣點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)多回路檢測(cè)，速度仍然小于2m/s，常常發(fā)生漏檢，結(jié)果的準(zhǔn)確性大打折扣。

3.2 改進(jìn)的多回路探傷儀

為了實(shí)現(xiàn)電梯曳引鋼絲繩的科學(xué)檢測(cè)，必須解決以下問題：

（1）適合多根密集排列鋼絲繩裝卸的傳感器。

（2）大量采樣信號(hào)在線實(shí)時(shí)報(bào)警高速處理器。

（3）能分別顯示每根鋼絲繩缺陷的執(zhí)行軟件。

3.2.1 綜合勵(lì)磁和相位采樣傳感器

如圖7為根據(jù)漏磁和磁通原理設(shè)計(jì)的傳感器［2－3］。由永久磁鋼、銜鐵和鋼絲繩構(gòu)成的磁回路，必須在瞬間使鋼絲繩達(dá)到磁化飽和，所以選用的是高磁場(chǎng)強(qiáng)度和高抗頑力的永久磁鋼，而銜鐵則應(yīng)以導(dǎo)磁力良好的工業(yè)純鐵制作。相應(yīng)采樣磁敏元件布置如圖8。

圖7 綜合勵(lì)磁裝置

圖8 相位采樣磁敏元件的布置

3.2.2 高速信號(hào)處理器

采用ARM技術(shù)完成A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換和主要運(yùn)算。其中CISC和RISC為快速處理并傳輸?shù)哪K；寄存結(jié)構(gòu)為32位的31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器；指令結(jié)構(gòu)為支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集的模塊。

采用FPGA技術(shù)高速對(duì)每個(gè)專題進(jìn)行計(jì)算。其邏輯單元配置CLB邏輯模塊和IOB輸入模塊，通過內(nèi)部靜態(tài)存貯信號(hào)單元上加載編程軟件。

3.2.3 執(zhí)行軟件

建立新的應(yīng)對(duì)多根密列電梯曳引鋼絲繩超大量采樣信號(hào)進(jìn)行分析、判定處理的數(shù)學(xué)模型，即可設(shè)計(jì)出操作自如的電腦軟件界面。

4 電梯曳引鋼絲繩科學(xué)檢測(cè)的推薦標(biāo)準(zhǔn)

4.1 目前中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 18775－2002《電梯維修規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)家質(zhì)檢總局頒布的電梯鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)基本相同。后者規(guī)定在選定部位的6d或30d長(zhǎng)度范圍內(nèi)（d為鋼絲繩直徑，繩端處也應(yīng)作為選擇范圍之一），目測(cè)檢查鋼絲繩的可見斷絲數(shù)。必要時(shí)用鋼絲繩探傷儀全長(zhǎng)檢測(cè)或分段抽測(cè)。對(duì)多層股鋼絲繩應(yīng)用鋼絲繩探傷儀進(jìn)行檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)鋼絲繩公稱直徑減少7%時(shí)，即使未發(fā)現(xiàn)斷絲，該繩也應(yīng)報(bào)廢，且曳引繩不應(yīng)有過度磨損、斷股等缺陷，斷絲數(shù)不應(yīng)超過報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)?？梢姷臄嘟z數(shù)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 電梯鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)

由上可知，目前中國(guó)的電梯鋼絲繩制造和報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，一是在一批鋼絲繩上割下一段作為樣繩，進(jìn)行拉、彎、扭的試驗(yàn)，根本無法判別整根鋼絲繩的斷絲、變形、松股等缺陷；二是依據(jù)傳統(tǒng)的人眼看、手摸、尺量的檢查結(jié)果來擬定的，易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷看不見，外部缺陷難發(fā)現(xiàn)的情況。

現(xiàn)有的電梯鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，將斷絲和磨損列為兩項(xiàng)，如果在整根鋼絲繩上的某一點(diǎn)同時(shí)發(fā)生斷絲和磨損并同時(shí)達(dá)到某一臨界值，現(xiàn)有的電梯鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)將難以適用，這顯然是不夠科學(xué)的［4－5］。

4.2 南非標(biāo)準(zhǔn)

世界上第一臺(tái)鋼絲繩電磁無損檢測(cè)裝置是南非人于1906年發(fā)明的。多年來南非對(duì)各行業(yè)的鋼絲繩在線檢測(cè)已形成了一整套相當(dāng)規(guī)范的體系。其將鋼絲繩缺陷歸納為七類，明確告之受測(cè)鋼絲繩是否可以繼續(xù)使用。

這七類是：斷絲、金屬截面積、銹蝕、繩徑、長(zhǎng)度、松股、彎曲，其中前兩項(xiàng)是應(yīng)用儀器檢測(cè)，后五項(xiàng)是應(yīng)用目視、尺量、手摸等方式對(duì)儀器檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，將斷絲量與金屬截面積變化量綜合計(jì)算。檢測(cè)人員出具報(bào)告很方便，其報(bào)廢依據(jù)是［6］：

式中：Rw為儀器顯示或人工檢測(cè)的鋼絲繩斷絲量的百分比值；Rpw為依據(jù)不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的斷絲的允許百分比值；Pw為儀器顯示或人工檢測(cè)的鋼絲繩金屬截面積減少的百分比值；Rpd為依據(jù)不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的金屬截面積減少的允許百分比值。

當(dāng)DF≥1時(shí)，鋼絲繩報(bào)廢。

4.3 對(duì)我國(guó)電梯曳引鋼絲繩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的改進(jìn)建議

參照南非標(biāo)準(zhǔn)，建議對(duì)我國(guó)電梯曳引鋼絲繩的評(píng)估等級(jí)進(jìn)行如表2所示改進(jìn)。

表2 建議電梯曳引鋼絲繩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)

基于上述評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定風(fēng)險(xiǎn)類別見表3。

表3 建議電梯曳引鋼絲繩風(fēng)險(xiǎn)類別表

表2所列的確立電梯曳引鋼絲繩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)的方法，目前是根據(jù)應(yīng)用鋼絲繩探傷儀檢測(cè)得出的斷絲數(shù)量、磨損百分比，結(jié)合使用頻率、服務(wù)年限、自身經(jīng)驗(yàn)研究決定的，其中人為的因素相當(dāng)大。

儀器已經(jīng)定量告知哪里斷絲、斷幾根，哪里磨損、磨損的百分比；而且又有使用頻率、服務(wù)年限的量化數(shù)值。那么，建議參照南非標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的等級(jí)與其建立一個(gè)函數(shù)關(guān)系，使工作人員能方便地通過電腦計(jì)算得出科學(xué)的結(jié)論。

5 結(jié)語

隨著老舊電梯風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的推進(jìn)，電梯曳引鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)將發(fā)揮越來越大的作用。文章介紹了目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的鋼絲繩檢測(cè)儀，結(jié)合國(guó)內(nèi)的MTC產(chǎn)品，指出鋼絲繩檢測(cè)儀的發(fā)展方向。最后指出目前國(guó)內(nèi)的電梯曳引鋼絲繩的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)不能很好地適應(yīng)鋼絲繩檢測(cè)的實(shí)際情況，建議參照南非的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂適應(yīng)我國(guó)實(shí)際情況的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，從而為電梯曳引鋼絲繩的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

［1］香港機(jī)電工程.香港大埔善雅樓電梯事故調(diào)查報(bào)告［J］.中國(guó)電梯，2009（4）：4－47.

［2］許建芹，黃凱，徐?；?，等.“探空飛梭”游藝機(jī)鋼絲繩在線檢測(cè)和評(píng)估的解決方案［J］.無損檢測(cè)，2012，34（11）：14－20.

［3］董信華，康宜華.基于虛擬儀器技術(shù)的鋼絲繩定性、定量、定位檢測(cè)［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2006，20（增刊）：31－33.

［4］金浩，申明.電梯鋼絲繩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的探討［J］.中國(guó)電梯，2009（5）：56－60.

［5］陳斌.一起電梯鋼絲繩斷股事故的調(diào)查分析［J］.中國(guó)電梯，2009（6）：59－61.

［6］The South African Bureau of Standarads Condition assessment of steel wire ropes on mine winders，1996［S］.