芳綸纖維繩在電梯技術(shù)中的應(yīng)用與研究

周躍峰

（大慶市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，黑龍江 大慶 163311）

0 引言

在電梯技術(shù)行業(yè)內(nèi)，關(guān)于曳引繩材質(zhì)的分析和研究一直在進(jìn)行。傳統(tǒng)電梯大多采用鋼絲繩作為曳引懸掛裝置，而近年來(lái)伴隨著電梯行業(yè)技術(shù)的不斷成熟，一些強(qiáng)度更好、更經(jīng)久耐用、重量更輕的曳引繩的需求量也越來(lái)越大。芳綸纖維繩是近年來(lái)電梯領(lǐng)域應(yīng)用頻率較高且備受業(yè)界好評(píng)的新型纖維材質(zhì)。芳綸纖維繩是芳香族聚酰胺纖維繩的商業(yè)用名稱，其與鋼絲繩相比具有更低的密度和更高的強(qiáng)度，并且憑借著尺寸穩(wěn)定性及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在電梯行業(yè)中的應(yīng)用具有更廣闊的空間。正因如此，芳綸纖維繩又被業(yè)內(nèi)稱贊為合成鋼絲繩，是傳統(tǒng)鋼絲繩的最佳替代品，尤其是超高層樓宇建筑中的電梯為了盡量減輕曳引繩的重量而廣泛使用芳綸纖維繩等輕質(zhì)材料。

1 電梯用曳引繩的基本性能要求

目前我國(guó)境內(nèi)使用占比最多的電梯曳引繩即為鋼絲繩材質(zhì)。根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)規(guī)范要求，鋼絲繩的強(qiáng)度值、耐磨性等指標(biāo)參數(shù)都具有明確的規(guī)范和數(shù)值要求。而關(guān)于纖維繩的安全檢測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還有待進(jìn)一步完善。芳綸纖維繩作為新晉出現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)材料，是非常適用于電梯曳引懸掛裝置的材料之一。其檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范可適當(dāng)結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有電梯產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并可在此基礎(chǔ)上結(jié)合芳綸纖維繩的自身特點(diǎn)和材質(zhì)特性，增加與其對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)目和功能測(cè)試要求[1]。參照我國(guó)電梯產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》來(lái)看，其對(duì)于電梯用鋼絲繩的核心技術(shù)參數(shù)與安全性能指標(biāo)的要求細(xì)目有如下5 點(diǎn)。1）應(yīng)用于電梯使用的曳引鋼絲繩的公稱直徑至少要在8 mm 以上。2）電梯用鋼絲繩的延伸率、耐磨性等指標(biāo)必須符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的數(shù)值要求。3）電梯曳引機(jī)曳引輪的節(jié)圓直徑與鋼絲繩的公稱直徑之比應(yīng)大于40。4）當(dāng)電梯設(shè)置有2 根鋼絲繩的驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，單根鋼絲繩的安全系數(shù)應(yīng)大于16，當(dāng)曳引機(jī)使用3 根以上鋼絲繩時(shí)，單根鋼絲繩安全系數(shù)應(yīng)大于12。5）用于曳引裝置的鋼絲繩至少需要具備包括轎廂裝置運(yùn)行、緊急制動(dòng)和轎廂滯留等多種工況在內(nèi)的基本曳引能力。

2 芳綸纖維繩用于電梯曳引懸掛裝置的技術(shù)分析

任何一種新型材質(zhì)的電梯繩在應(yīng)用層面都有其局限性。雖然芳綸纖維繩有著密度低、強(qiáng)度高和耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其在耐磨性能及耐高溫性能等方面的表現(xiàn)卻并不出色。針對(duì)這些缺點(diǎn)，在保證其優(yōu)勢(shì)得以充分利用的同時(shí)，應(yīng)盡量規(guī)避這些不足所造成的應(yīng)用安全問(wèn)題[2]。

2.1 芳綸纖維繩的強(qiáng)度要求

根據(jù)電梯行業(yè)鋼絲繩的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 8903—2018《電梯用鋼絲繩》規(guī)定，使用的鋼絲繩的公稱直徑應(yīng)大于8 mm。并且結(jié)合配套附表查詢其數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)的最小破裂荷載應(yīng)保證不低于30 kN。對(duì)比之下，芳綸纖維絲抗拉強(qiáng)度則高達(dá)約8.15 MPa，已經(jīng)達(dá)到普通鋼絲繩抗拉強(qiáng)度的8 倍左右，具體的芳綸纖維繩性能參數(shù)見(jiàn)表1。可以說(shuō)，在電梯上應(yīng)用芳綸纖維繩取代鋼絲繩能在保證安全性的前提下，提升電梯曳引繩的使用耐久性[3]。

芳綸纖維繩并不是只有優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其分子間作用力和單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，芳綸纖維的分子定向程度和結(jié)晶度整體較高，這就致使其分子間的作用力相對(duì)于其他類型的纖維材質(zhì)更弱。特別是在受到壓縮或剪切力的作用下，更容易使繩索整體產(chǎn)生意外斷裂。當(dāng)芳綸纖維作為曳引繩應(yīng)用在電梯上時(shí)，芳綸纖維繩必定要繞經(jīng)電梯的曳引輪。而此時(shí)承受的軸向壓縮力可能會(huì)引發(fā)軸向重復(fù)受壓而失效的現(xiàn)象。為了全面杜絕這類具有安全隱患的問(wèn)題，必須在投入使用的前期設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段，對(duì)芳綸纖維繩的繩股螺旋升角進(jìn)行反復(fù)的測(cè)定和客觀評(píng)估。在保證芳綸纖維繩軸向壓力接近0 時(shí)，才是合理的利用方式[4]。

表1 芳綸纖維繩的主要性能參數(shù)

2.2 芳綸纖維繩的耐磨性

芳綸纖維本身具有易磨損的特質(zhì)，而過(guò)度的磨損又會(huì)降低纖維繩的整體抗拉伸強(qiáng)度，安全系數(shù)的下降必然會(huì)導(dǎo)致重大的安全隱患。對(duì)此，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注并采取有效措施，在避免芳綸纖維耐磨性下降的基礎(chǔ)上，設(shè)置耐磨性更好的聚氨酯材料作為繩索的外層保護(hù)套。在其與曳引輪接觸擠壓時(shí)，保護(hù)芳綸纖維繩不受過(guò)度磨損，使其還能保持足夠的曳引力驅(qū)動(dòng)電梯正常運(yùn)行。對(duì)芳綸纖維繩進(jìn)行特殊處理，例如每根繩股表面進(jìn)行耐磨涂層處理等方式也有利于相鄰繩股間潤(rùn)滑性的增加，避免繩索內(nèi)部繩股間互相摩擦造成的損壞。還可以用特氟龍等特殊材質(zhì)填充芳綸纖維繩的繩股間隙，進(jìn)而確保曳引繩的截面呈圓形。當(dāng)處于其表面的峰谷凹陷附近時(shí)，保證其振動(dòng)的能量能夠滿足電梯運(yùn)行的實(shí)際需要。

2.3 芳綸纖維繩公稱直徑與曳引輪節(jié)圓直徑的比值關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用于電梯的曳引輪節(jié)圓直徑與鋼絲繩的公稱直徑比值應(yīng)不小于40。同時(shí)，為了最大程度地保證電梯曳引繩處于非疲勞運(yùn)行狀態(tài)，曳引輪的節(jié)圓直徑與芳綸纖維繩的公稱直徑比值均應(yīng)符合上述要求。從另一個(gè)角度來(lái)看，合理的纖維繩繩股螺旋升角以及對(duì)于曳引輪槽內(nèi)的襯里進(jìn)行合理造型等途徑，均可有效減輕纖維繩在滑輪上運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，采用這些措施可使當(dāng)曳引輪節(jié)圓直徑和芳綸纖維繩的公稱直徑之比小于16 時(shí)，能夠進(jìn)一步縮減電梯曳引機(jī)的尺寸，在滿足電梯功能要求的基礎(chǔ)上，最大限度地實(shí)現(xiàn)低能耗標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 保證足夠的曳引能力

電梯的安全平穩(wěn)運(yùn)行需要足夠的曳引動(dòng)力。電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式會(huì)直接影響電梯的運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)于曳引輪槽槽型的設(shè)計(jì)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它會(huì)關(guān)系到轎廂裝載和緊急制動(dòng)等復(fù)雜工況下纖維繩的曳引力分布情況。特別是對(duì)于轎廂或重壓實(shí)緩沖器，需要保證芳綸纖維繩在曳引輪上產(chǎn)生的曳引力均勻分布，避免曳引繩打滑等異常情況。另外，對(duì)于整體高度較大的電梯，在其運(yùn)行處于提升狀態(tài)時(shí)，要充分考慮轎廂的輕量化優(yōu)化路徑，并結(jié)合實(shí)際的曳引能力及電機(jī)最大功率配置等實(shí)際要求，設(shè)定合理的電梯曳引機(jī)與芳綸曳引繩配套方案。

2.5 耐火與耐候性能

為了全面保證電梯運(yùn)行過(guò)程的安全，曳引機(jī)和曳引繩在各類復(fù)雜工況及嚴(yán)苛環(huán)境下都應(yīng)保持最基本的運(yùn)行穩(wěn)定性。例如，在建筑物發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電梯報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)能和曳引機(jī)實(shí)現(xiàn)功能聯(lián)動(dòng)，響應(yīng)火災(zāi)報(bào)警裝置的報(bào)警信號(hào)，立即停止電梯運(yùn)行并就近疏散乘客。鋼絲繩通常在1 500 ℃左右物理性質(zhì)開(kāi)始發(fā)生改變，而芳綸纖維繩的分解失效溫度一般低于500 ℃。耐火性方面的劣勢(shì)就要求在電梯曳引機(jī)火災(zāi)報(bào)警裝置的設(shè)置方面應(yīng)格外重視。特別是部分對(duì)運(yùn)行安全要求較高的電梯，其曳引繩及復(fù)合曳引輪的環(huán)境適應(yīng)性等均要結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境對(duì)紫外線、溫濕度等外界環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行全面的實(shí)地勘察。在滿足環(huán)境適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，應(yīng)保證芳綸曳引繩整體的耐久性和耐侯性能。

3 芳綸纖維繩剩余強(qiáng)度檢測(cè)方法

作為一種新興的應(yīng)用于電梯曳引繩的材料，芳綸纖維的剩余壽命檢測(cè)方法仍需要大量實(shí)踐和試驗(yàn)共同確定。曳引繩制造商和電梯制造單位在對(duì)芳綸纖維繩的疲勞程度及疲勞極限進(jìn)行測(cè)定時(shí)應(yīng)該明確詳細(xì)的測(cè)定方法及參數(shù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。常見(jiàn)的芳綸纖維繩剩余強(qiáng)度檢測(cè)方法包括聲音檢測(cè)法、電信號(hào)檢測(cè)法等。

其中，聲音檢測(cè)法主要利用了芳綸纖維繩對(duì)于聲音良好的可傳導(dǎo)性，芳綸纖維繩中的聲傳播速度與繩中完整纖維絲的數(shù)量占比成正比例關(guān)系。在纖維繩的某段雙彎折區(qū)域，可通過(guò)測(cè)量聲音在其中傳播所需要的時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn)，再測(cè)定剩余強(qiáng)度為60%左右破斷拉力時(shí)聲音的傳播時(shí)間，即可換算得出纖維繩的剩余強(qiáng)度。而電信號(hào)檢測(cè)法則是根據(jù)碳纖維的抗拉強(qiáng)度遜于芳綸纖維繩抗拉強(qiáng)度的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度檢測(cè)的。當(dāng)應(yīng)用于電梯曳引繩的芳綸纖維繩疲勞彎曲后，其內(nèi)部的碳纖維絲會(huì)發(fā)生一定數(shù)量的斷裂。利用碳纖維的導(dǎo)電性，可通過(guò)在其兩端加載電源的方式精準(zhǔn)測(cè)得芳綸纖維繩中碳纖維斷絲的占比，進(jìn)而獲得芳綸纖維繩上的剩余強(qiáng)度參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

芳綸纖維繩作為曳引懸掛裝置，為電梯提供核心組成構(gòu)件，能夠大幅度降低電梯曳引機(jī)的占用空間和整體質(zhì)量，并由于其具有更低的井道噪聲，因此在實(shí)際應(yīng)用中備受好評(píng)。此外，芳綸纖維繩的使用在節(jié)能減排方面也具有顯著成效。當(dāng)然，作為電梯這一特殊曳引裝置的核心功能部件，芳綸纖維繩僅具備以上優(yōu)點(diǎn)并不能充分證實(shí)其可用性，必須在安全性和極端條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和評(píng)估。只有在滿足乘客對(duì)電梯使用的便捷性和安全性需求的基礎(chǔ)上，才有余地去權(quán)衡曳引繩材質(zhì)和耐久性等指標(biāo)的優(yōu)劣。