基于ANSYS的電梯鋼絲繩失效檢測有限元分析

陳征宇 葉玉龍

（安慶市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心，安徽安慶246000）

0 引言

隨著樓房高度的不斷增加，對電梯的需求量也在不斷增加。電梯出現(xiàn)故障會給人們的生命安全帶來較大的安全隱患，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，電梯的故障類型中，由于鋼絲繩出現(xiàn)的問題占據(jù)較大的比重。因此，為了提高電梯的可靠性和安全性，必須定期對電梯鋼絲繩進行失效檢測，及早排查電梯的安全隱患，保障電梯可以安全穩(wěn)定運行。電梯鋼絲繩有多種失效形式，例如：截面積變小，發(fā)生變形、斷裂、磨損。在一些歐洲國家，已經(jīng)制定了鋼絲繩人工視覺檢測和無損檢測相結(jié)合的檢測辦法和相關(guān)標準，我國也制定了多種檢測標準。

本文主要介紹幾種常見的檢測辦法，并利用ANSYS有限元分析軟件，對鋼絲繩模型進行仿真研究，分析鋼絲繩失效的原理，并提出一定的解決辦法。

1 電梯鋼絲繩失效檢測方法

電梯鋼絲繩無損檢測有多種方法，如LF檢測法、LMA檢測法、弱磁傳感器檢測技術(shù)。

LF檢測法主要是利用磁場的原理，當鋼絲繩發(fā)生磨損、斷絲、生銹等現(xiàn)象時，出現(xiàn)問題的部位就會發(fā)生磁場的變化，通過對磁場信號變化的監(jiān)測，就可以判定鋼絲繩是否失效。

LMA檢測法主要是利用電磁學的原理，金屬材料內(nèi)部的磁通量和金屬的面積呈一定的線性關(guān)系，當金屬的面積發(fā)生變化時，其磁通量也會發(fā)生變化，由此可以判定鋼絲繩是否出現(xiàn)問題。

隨著我國科技水平的不斷提高，弱磁傳感器檢測技術(shù)在電梯鋼絲繩檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也在很大程度上推動了電梯鋼絲繩檢測技術(shù)的進步。其主要原理是通過傳感器采集磁場信號，經(jīng)過編碼后輸入計算機，然后對電梯鋼絲繩出現(xiàn)問題的位置進行判斷。這種檢測方法效率相對較高，對保證電梯的安全運行發(fā)揮了非常重要的作用。

2 電梯鋼絲繩受力數(shù)值仿真

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文主要以應(yīng)用最多的小區(qū)住宅房的電梯鋼絲繩為例，進行模型的建立和網(wǎng)格的劃分，鋼絲繩規(guī)格型號主要是采用8*19S+FC-8mm、8*19S+FC-10mm。為了簡化仿真模型和減少網(wǎng)格的數(shù)量，本文主要以一根鋼絲繩為計算模型，通過三維軟件SolidWorks進行模型建立，并導(dǎo)入Workbench中進行仿真計算，采用mesh模塊進行網(wǎng)格劃分，由于鋼絲繩的結(jié)構(gòu)相對簡單，因此采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后，節(jié)點數(shù)為38 026，單元數(shù)為8 355，對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查后可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以保證模型計算精度。網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

圖1 模型劃分網(wǎng)格

2.2 邊界條件的設(shè)置

一般的高層住宅電梯可載十人左右，電梯自身的重量約為300 kg，乘客的重量約為700 kg，因此在電梯鋼絲繩模型上施加10 000 N的拉力，電梯鋼絲繩圍繞滾輪轉(zhuǎn)動，滾輪部分設(shè)置為固定的約束。鋼絲繩的材料往往不僅是單純的結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過加權(quán)處理后，對鋼絲繩的材料屬性進行設(shè)置。

2.3 求解計算

邊界條件設(shè)置完成以后，即開始對鋼絲繩進行受力分析，主要考慮鋼絲繩的變形、應(yīng)力，因此在求解結(jié)果中選擇查看總應(yīng)力、總變形、局部應(yīng)力進行計算，如圖2～圖4所示。

圖2 電梯鋼絲繩應(yīng)力云圖

圖3 電梯鋼絲繩總變形云圖

圖4 電梯鋼絲繩應(yīng)力局部云圖

由計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中主要發(fā)生在電梯鋼絲繩和滾輪接觸的地方，且拉動電梯的一側(cè)要比配重的一側(cè)應(yīng)力集中更為明顯，不考慮網(wǎng)格密度對結(jié)果的影響，可以認為此時的應(yīng)力集中最大值為3 000 MPa。通過觀察應(yīng)力云圖還可以發(fā)現(xiàn)，在鋼絲繩與滾輪剛接觸的地方應(yīng)力集中較為明顯，這種應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致鋼絲繩在此處出現(xiàn)明顯的磨損，滾輪在應(yīng)力的作用下也較容易出現(xiàn)磨損，從而會影響電梯的安全運轉(zhuǎn)，因此在對電梯鋼絲繩進行檢測時，應(yīng)著重對以上描述的兩個位置進行檢測。通過觀察電梯鋼絲繩變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，電梯鋼絲繩的變形較小，因此在電梯鋼絲繩檢測時，可以適當減少鋼絲繩變形檢測所占的比重。

模型設(shè)置的鋼絲繩的直徑為10 mm，為了仿真電梯鋼絲繩磨損后的應(yīng)力集中變化情況，將模型的直徑改為9.2 mm，即模擬鋼絲繩磨損0.8 mm后的應(yīng)力集中情況。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，電梯鋼絲繩的直徑變小以后，鋼絲繩的應(yīng)力集中情況更加嚴重，最大的應(yīng)力值已經(jīng)達到了4 600 MPa，由此可見，當電梯鋼絲繩出現(xiàn)磨損后，更容易發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，會進一步加劇電梯鋼絲繩的磨損，從而影響電梯的安全穩(wěn)定運行。

因此，在電梯檢測的過程中，要重點檢測電梯鋼絲繩的直徑，當發(fā)現(xiàn)鋼絲繩磨損到一定的程度后，要盡早更換，防止意外的發(fā)生。

圖5 電梯鋼絲繩磨損后應(yīng)力云圖

3 電梯鋼絲繩的潤滑檢測

一般情況下，新售的鋼絲繩的潤滑處理效果較好，在出廠前已經(jīng)按照標準完成了校驗，但電梯鋼絲繩在使用的過程中潤滑油脂會逐漸減少，當潤滑油脂減少到一定程度以后，不僅會降低鋼絲繩的防腐效果，而且會加劇鋼絲繩的磨損，也會縮短鋼絲繩的使用壽命。為了將鋼絲繩的腐蝕、磨損的危害降到最低程度，必須對電梯鋼絲繩的潤滑進行定期檢查。

4 結(jié)語

電梯的安全與人們的生活息息相關(guān)，因此在電梯鋼絲繩檢測的過程中必須堅持嚴謹認真的原則，盡可能減少電梯故障的發(fā)生，保障人們的出行和安全。在鋼絲繩檢測的過程中，要注重檢測的鋼絲繩的磨損、腐蝕和潤滑，鋼絲繩的磨損主要發(fā)生在鋼絲繩與滾輪首先接觸的位置，在應(yīng)力集中較大的位置也較容易發(fā)生磨損。