某電梯鋼絲繩斷裂失效分析

邱康勇, 吳繼權(quán), 丁二喜

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

某電梯鋼絲繩斷裂失效分析

邱康勇, 吳繼權(quán), 丁二喜

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

某小區(qū)電梯在空載運行時鋼絲繩發(fā)生斷裂，導(dǎo)致電梯突然停止運行。通過現(xiàn)場勘查、宏觀觀察、化學(xué)成分分析、破斷拉伸試驗、掃描電鏡分析的方法，對鋼絲繩的斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明：鋼絲繩起裂源位于鋼絲心部，斷裂性質(zhì)為一次性韌性斷裂，斷裂是由單根鋼絲繩過載造成的。

電梯；鋼絲繩；韌性斷裂；過載

鋼絲繩作為電梯最主要的安全部件之一，其質(zhì)量直接關(guān)系到電梯的安全運行及人們的生命財產(chǎn)安全。某小區(qū)電梯在空載運行時突然停止運行，經(jīng)維保人員檢查發(fā)現(xiàn)轎廂停在7樓與8樓之間的位置，其中一根鋼絲繩發(fā)生斷裂，斷繩一端卡在對重上。為了查明該電梯鋼絲繩斷裂失效的原因，防止類似事故再發(fā)生，筆者對其進行了一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 現(xiàn)場勘察

該電梯投入使用時間2 a(年)多，業(yè)主入住數(shù)量不到一半。據(jù)業(yè)主代表反映，電梯使用頻率不高。鋼絲繩的制造標準為GB 8903-2005《電梯用鋼絲繩》，其中的非強制內(nèi)容與鋼絲繩制造商協(xié)商確定。鋼絲繩規(guī)格型號為8×19S+NF-φ8 mm，右交互捻，最小破斷載荷為33.5 kN，外層鋼絲強度等級為1 620 MPa，內(nèi)層鋼絲和中心絲強度等級為1 770 MPa。鋼絲的原材料如下：外層鋼絲為60優(yōu)質(zhì)鋼，內(nèi)層鋼絲為45優(yōu)質(zhì)鋼，中心鋼絲為60優(yōu)質(zhì)鋼，鋼絲原材料均執(zhí)行GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》。

如圖1所示，電梯曳引輪上共有6根鋼絲繩，右側(cè)3根是新繩，左側(cè)3根為舊繩。斷裂鋼絲繩原本位于曳引輪最右側(cè)，維保人員已將斷裂鋼絲繩換下，另外兩根未發(fā)生斷裂的鋼絲繩也一起被更換為新的鋼絲繩，剩下靠左側(cè)的3根鋼絲繩未更換。

圖1 鋼絲繩分布情況Fig.1 Distribution of the steel wire ropes

1.2 宏觀觀察

對斷裂的鋼絲繩進行宏觀觀察，鋼絲繩斷口形貌如圖2所示，鋼絲繩斷口本為松散狀，用手握緊后斷口面基本平齊。鋼絲繩表面狀況如圖3所示，表面附有大量黑色油垢，鋼絲繩表面鋼絲局部有輕微的磨損現(xiàn)象。對鋼絲繩直徑進行測量，結(jié)果為7.98～8.15 mm，尚未達到鋼絲繩報廢尺寸。在鋼絲繩斷口附近進行觀察，鋼絲繩表面沒有發(fā)現(xiàn)斷絲現(xiàn)象[1]。

圖2 鋼絲繩斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of the steel wire rope

圖3 鋼絲繩表面狀況Fig.3 Surface condition of the steel wire rope

1.3 化學(xué)成分分析

在斷裂鋼絲繩上取一小段解散，將外層、內(nèi)層及中心鋼絲分開，清潔表面污垢，然后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和碳硫分析儀進行化學(xué)成分分析。鋼絲的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，可見所有鋼絲均符合GB/T 699-2015的技術(shù)要求。

1.4 破斷拉伸試驗

從斷裂鋼絲繩上取樣進行破斷拉伸試驗，以檢驗材料的力學(xué)性能是否滿足相關(guān)技術(shù)標準要求[2]。

表1 鋼絲化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))

鋼絲繩強度等級為非標等級，由客戶與制造商商定，強度等級要求為最大破斷力≥33.5 kN。試驗結(jié)果顯示鋼絲繩的破斷力為35.50，35.73，34.43 kN，可見結(jié)果符合該型號鋼絲繩的強度等級要求。

1.5 掃描電鏡分析

將鋼絲繩斷口切取下來，清洗干凈后置于掃描電鏡內(nèi)進行觀察。圖4為斷口的低倍形貌，可見斷口平齊，其中部分鋼絲局部有擠壓、磨損等損傷[3]。圖5為鋼絲的正斷斷口形貌，可見斷口有明顯縮頸現(xiàn)象，斷頭呈錐形，為典型的拉伸斷裂形貌。鋼絲的斷裂源位于鋼絲心部，最外側(cè)為最終斷裂區(qū)。圖6為鋼絲中心部位的放大形貌，可見斷口表面有大量的等軸韌窩，且韌窩周圍伴生二次裂紋[4]。由圖7～9可見部分鋼絲受到不同程度的擠壓、磨損等損傷，斷裂源均位于鋼絲的心部，外側(cè)為最終斷裂區(qū)，表明鋼絲斷裂的主要原因與鋼絲局部受到損傷無直接關(guān)系[5]。斷裂鋼絲中心部位局部放大形貌可見韌窩邊緣清晰，棱角分明，表明其為新鮮斷口，是由于受到軸向拉應(yīng)力而造成的斷裂。

圖4 鋼絲斷口低倍形貌Fig.4 Fracture morphology of the steel wire at low magnification

圖5 鋼絲正斷斷口形貌Fig.5 Traction fracture morphology of the steel wire

圖6 鋼絲斷口中心部位形貌Fig.6 Morphology of the fracture center of the steel wire

圖7 受擠壓鋼絲斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of the extruded steel wire

圖8 受磨損鋼絲斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of the worn steel wire

圖9 受擠壓及磨損鋼絲斷口形貌Fig.9 Fracture morphology of the steel wire under extrusion and wear

2 分析與討論

鋼絲繩材料的化學(xué)成分符合標準技術(shù)要求，破斷拉伸試驗結(jié)果也符合該型號鋼絲繩的強度等級要求。經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩表面鋼絲局部有輕微的磨損現(xiàn)象，但尚未達到鋼絲繩報廢尺寸，鋼絲繩斷口附近也沒有發(fā)現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。經(jīng)掃描電鏡分析，鋼絲繩斷口以杯狀斷口為主，并且多股鋼絲斷口基本平齊。鋼絲斷裂源位于鋼絲心部，表面局部受到輕微的擠壓、磨損，但與鋼絲繩斷裂無直接關(guān)系。斷裂鋼絲中心部位局部放大形貌可見韌窩邊緣清晰，棱角分明，表明其為新鮮斷口，是由于受到軸向拉應(yīng)力而造成的斷裂。

電梯正常運行時，曳引輪上6根鋼絲繩受力分布均勻。由于鋼絲繩斷裂后斷繩一端卡在對重上，由此可推斷，鋼絲繩在運行過程中可能是由于單根鋼絲繩脫離繩槽或有異物進入繩與繩槽之間，導(dǎo)致鋼絲繩局部被卡住。同時電梯繼續(xù)運行，此時鋼絲繩由原來6根均勻受力變成單根受力，被卡住的鋼絲繩另一頭繼續(xù)被拉拔，當(dāng)載荷超過鋼絲繩的最大許用應(yīng)力時，該鋼絲繩發(fā)生一次性過載斷裂。

3 結(jié)論及建議

該鋼絲繩的斷裂性質(zhì)為一次性韌性斷裂，斷裂是由單根鋼絲繩過載造成的。

建議定期對電梯鋼絲繩進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題并采取措施，保證電梯安全運行；對整個小區(qū)電梯鋼絲繩的受力均勻情況及鋼絲繩定位情況進行排查，預(yù)防類似情況再次發(fā)生。

[1] 孫智,江利,應(yīng)鵬展,等.失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[2] 石德珂,金志浩.材料力學(xué)性能[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1999.

[3] 蔡澤高,劉以寬,王承忠,等.金屬磨損與斷裂[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1985.

[4] 倪忠進.鋼絲繩力學(xué)特性及失效機理研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2008.

[5] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

Failure Analysis on Fracture of Steel Wire Ropes of an Elevator

QIU Kangyong, WU Jiquan, DING Erxi

(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test, Shenzhen 518029, China)

The steel wire ropes of the elevator in a housing estate fractured during no-load operation, which led to a sudden stop running of the elevator. Through the site investigation, macroscopic observation, chemical composition analysis, breaking tensile testing and scanning electron microscope analysis, the fracture reasons of steel wire ropes were analyzed. The results show that: the crack source of the steel wire rope was located in the core of the steel wire rope; the fracture mechanism was one-time ductile fracture; the fracture was caused by the overload of single steel wire rope.

elevator; steel wire rope; ductile fracture; overload

質(zhì)量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705017

2016-07-21

邱康勇(1987-)，男，工程師，學(xué)士，主要從事金屬材料的理化檢驗及機械零件失效分析工作，295717869@qq.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)05-0375-03