電梯用曳引媒介檢驗檢測技術(shù)研究

陳 述,汪 宏,劉延雷,李偉忠,房書繼

(杭州市特種設(shè)備檢測研究院，浙江 杭州 310018)

0 引言

19世紀(jì)中期，電梯作為垂直空間內(nèi)的交通工具開始進入人們的視野并逐漸得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以后，我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，城市中的高層建筑越來越多。電梯已經(jīng)成為現(xiàn)代城市建設(shè)中不可缺少的運輸工具[1]，數(shù)量增長迅速。根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局公布的數(shù)據(jù)，截至2020年底，我國在用電梯數(shù)量為786.55萬臺。我國已成為全球重要的電梯制造基地和電梯市場。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，從安全聯(lián)鎖、驅(qū)動結(jié)構(gòu)到曳引媒介，各類新型節(jié)能安全技術(shù)及新材料的應(yīng)用，為電梯行業(yè)的技術(shù)水平提升帶來新機。這既是響應(yīng)國家節(jié)能增效政策，又是電梯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[2]。其中，曳引媒介的更替尤為突出。近年來，市場上以非鋼絲繩為曳引媒介的電梯產(chǎn)品層出不窮。奧的斯公司在2000年開發(fā)了采用扁平復(fù)合鋼帶作為曳引媒介的新型電梯。迅達公司3300系列電梯采用纖維曳引繩作為曳引媒介。

曳引媒介是電梯的重要部件，作為轎廂和主機之間的連接，承受整個轎廂及乘客的載荷。一方面，長期承載拉應(yīng)力的曳引媒介，在使用過程中易出現(xiàn)疲勞、磨損甚至驟斷現(xiàn)象[3]；另一方面，井道陰濕環(huán)境易引起曳引媒介的銹蝕，各類損傷導(dǎo)致的承載能力下降，為設(shè)備及乘客人身安全帶來隱患。因此，對電梯用曳引媒介開展行之有效的檢驗檢測具有重要意義[4-5]。本文以復(fù)合鋼帶及鋼絲繩為主要研究對象，基于電梯用曳引媒介檢驗檢測方法開展討論，介紹了鋼絲繩檢測技術(shù)進展，并對復(fù)合鋼帶電梯檢驗檢測方法進行探討，最后結(jié)合探討提出未來研究方向。

1 曳引媒介的發(fā)展概況

國內(nèi)電梯常用的曳引媒介主要有鋼絲繩和復(fù)合鋼帶兩大類。鋼絲繩使用時間長，相關(guān)檢驗檢測方法豐富，專家學(xué)者開展的研究也較多。復(fù)合鋼帶電梯起步較晚。由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和現(xiàn)有檢驗檢測方法的局限性，使基于復(fù)合鋼帶電梯的檢驗檢測及研究相對較少。

電梯中的曳引裝置主要起承重和驅(qū)動的作用，是電梯中的重要零部件[6]，而曳引媒介更是其中的核心零配件。與傳統(tǒng)鋼絲繩相比，復(fù)合鋼帶對繩股進行了重新排布，在維持鋼絲繩強度的前提下增大了曳引力。新技術(shù)采用聚氨脂層取代了繩芯，包裹在鋼絲繩股周圍的復(fù)合層起到了防銹和防磨損的作用。復(fù)合鋼帶以質(zhì)量輕、折彎半徑小、曳引噪聲小、不需要定期潤滑等特點受到各大電梯廠商的關(guān)注，市場占有率不斷攀升。奧的斯機電首先完成了鋼帶曳引系統(tǒng)的理論論證和實梯制造。隨后，各大電梯制造商也推出了以復(fù)合鋼帶為承載部件的電梯產(chǎn)品[7]。

另一方面，2018年老舊小區(qū)電梯加裝寫入了政府工作報告，電梯加裝工程受到重視。加裝電梯多采用無機房結(jié)構(gòu)并采用復(fù)合鋼帶作為曳引元件。隨著各地加裝電梯工作的推進，復(fù)合鋼帶電梯市場銷量逐年增長。盡管復(fù)合鋼帶電梯在工藝、結(jié)構(gòu)、維保、檢驗檢測方面都與鋼絲繩電梯存在差異，但GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中并未對復(fù)合鋼帶電梯提出特殊要求；TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則—曳引與強制驅(qū)動電梯》中，同樣也沒有針對復(fù)合鋼帶電梯的檢驗要求；電梯用非鋼絲繩懸掛裝置的標(biāo)準(zhǔn)于2021年6月正式實施。另外，市場上缺乏符合計量要求的便攜式的檢測設(shè)備，一線檢驗人員對于復(fù)合鋼帶電梯的檢驗(尤其是鋼帶內(nèi)部鋼絲缺陷的檢測)缺乏可操作性。復(fù)合鋼帶的鋼絲繩股包裹在聚氨酯內(nèi)部，內(nèi)部鋼絲的直徑變小或斷絲，其損傷或斷裂狀況不易被察覺，直接影響復(fù)合鋼帶的承載能力和使用性能，對電梯安全運行形成重大隱患[8]。

2 電梯用曳引媒介檢測技術(shù)

近年來，我國無損檢測技術(shù)的總體水平與綜合實力已經(jīng)得到大幅度的提升，將無損檢測技術(shù)應(yīng)用到電梯用曳引媒介檢測是行之有效的方法[9]。鋼絲繩無損檢測技術(shù)是指在不破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對鋼絲繩內(nèi)部進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對鋼絲繩的安全性能作出評價。鋼絲繩的失效形式一般分為繩股斷裂、繩徑縮小、伸長變形和銹蝕破損4類[10]。鋼絲的斷裂一般發(fā)生在與滑輪的接觸面。如果破斷發(fā)生在外部往往可見，通過宏觀檢測即可發(fā)現(xiàn)；但內(nèi)部鋼絲的破斷就需要無損檢測技術(shù)[11]。目前，常用方法主要包括磁檢測和非磁檢測技術(shù)[12]。

2.1 鋼絲繩曳引電梯檢驗檢測

TSG T7001—2009中有對曳引媒介為鋼絲繩的檢驗項目。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)下列3種情況之一時，該鋼絲繩應(yīng)當(dāng)報廢：①出現(xiàn)籠狀畸變、繩芯擠出等情況；②斷絲分散出現(xiàn)在整條鋼絲繩等情況；③磨損后的鋼絲繩直徑小于公稱直徑的90%。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ASME 1571—2001《鐵磁性鋼絲繩電磁檢查標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》要求，鋼絲繩無損檢測原理分為3類：交流電磁類、直流和永磁類、漏磁類。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21837—2008《鐵磁性鋼絲繩電磁檢測方法》在參照美國標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實際，增加了“剩磁類方法”。目前常采用的電磁無損檢測法具有無損、非接觸和實時的特點[13]。這種方法可在保證鋼絲繩的力學(xué)性能的前提下，對鋼絲繩的機械性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)等進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果和相應(yīng)的準(zhǔn)則對鋼絲繩狀態(tài)進行評估[14]。該方法因靈敏度高、可靠性好、成本低而得到廣泛應(yīng)用[15]。

1906年，南非科學(xué)家R.Colson和C.McCann研制的鋼絲繩電磁無損檢測設(shè)備，采用交流(alternating current,AC)勵磁法勵磁，用于測量鋼絲繩的截面積損失。但由于集膚效應(yīng)和渦流損失，該方法存在檢測滲透深度低和檢測過程中鋼絲繩劇烈發(fā)熱等缺點。1925年開始，德國的科研人員才成功開發(fā)出實用的電磁鋼絲繩檢測儀器，可以用于現(xiàn)場檢測[16]。1925～1955年，國外研究者開發(fā)了大量基于直流(direct current,DC)方法的鋼絲繩檢測儀器。基于DC方法的儀器因直流勵磁與檢測線圈安裝方面的困難，同時存在儀器結(jié)構(gòu)龐大和操作復(fù)雜的缺點，逐漸被永磁法替代[17]。1964年，H.R.Weischedel使用永磁體作為勵磁源，研發(fā)了一款鋼絲繩電磁檢測儀器[18]。1978年，B.G.Marchent發(fā)明了一款利用永磁體和電磁體磁化鋼絲繩用來檢測鋼絲繩缺陷的儀器[19]。1995年，加拿大的研究人員提出了金屬面積變化 (total change in metallic area，TCMA)檢測的概念，即經(jīng)過一段時間的使用后鋼絲繩金屬橫截面積相對出廠時金屬橫截面積的變化程度，突破了金屬橫截面積損失(loss of metallic cross-sectional area,LMA)檢測需要尋找檢測基準(zhǔn)的缺陷[20]。1999年，德國斯圖加特大學(xué)的J.M.Nussbaum設(shè)計出2套由30個霍爾元件組成的檢測陣列構(gòu)成的傳感器，借助計算機技術(shù)，在斷絲的空間定位方面獲得了成功[21]。2018年，Kaur.Akshpreet發(fā)明了一種基于漏磁原理的新型鋼絲繩測試儀。該儀器將霍爾效應(yīng)傳感器安裝在磁軛內(nèi)部，只要鋼絲繩的缺陷通過傳感器，就能產(chǎn)生缺陷信號[22]。

我國對鋼絲繩無損檢測技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代初期，直至70年代初研發(fā)出第一代TGS型鋼絲繩探傷設(shè)備[23]。80年代，華中科技大學(xué)的楊叔子、康宜華等開始研究鋼絲繩斷絲檢測技術(shù)，研制出MTC-94型鋼絲繩探傷儀和GDJY系列鋼絲繩斷絲定量檢測儀，實現(xiàn)了斷絲的定量檢測[24-25]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和撫順煤礦分院于1994年成功研制了GST型鋼絲繩探傷儀。該儀器可同時進行局部缺陷(localized fault，LF)和LMA損傷檢測[26]。2006年，金屬磁記憶技術(shù)被應(yīng)用于鋼絲繩損傷診斷性檢測。該技術(shù)無需人工勵磁裝置，運用高靈敏探頭即可直接接收鋼絲繩缺陷在地磁場作用下的漏磁信號[27]。2013年，江蘇省特檢院的許建芹、鄒建華等提出了研究多回路電梯曳引鋼絲繩高速探傷設(shè)備的基本方法[28]。2020年，黃博思等開展電梯鋼絲繩漏磁檢測試驗研究，將漏磁檢測技術(shù)應(yīng)用于電梯鋼絲繩無損檢測[29]。2021年，西安科技大學(xué)的路正雄、郭衛(wèi)等開發(fā)了一種基于平行磁化NdFeB磁體段的新型鋼絲繩無損檢測儀。該儀器具有較高的靈敏性和有效性[30]。

2.2 復(fù)合鋼帶電梯檢驗檢測

復(fù)合鋼帶作為電梯曳引媒介，由若干根平行布置的鋼絲繩芯外敷高分子材料聚氨酯融合而成。工作時，鋼絲繩芯承載著鋼帶上的絕大部分載荷?，F(xiàn)行電梯允許使用其他類型懸掛裝置(如復(fù)合鋼帶)，但GB 7588—2003缺乏覆蓋復(fù)合鋼帶制造和安裝安全要求的內(nèi)容，TSG T7001—2009中同樣沒有與復(fù)合鋼帶檢驗匹配的條目，而多項與電梯用非鋼絲繩懸掛裝置的標(biāo)準(zhǔn)還未落地實施。因此，一線檢驗人員無法實現(xiàn)復(fù)合鋼帶內(nèi)部缺陷的檢驗檢測，只能參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對鋼絲繩的檢驗要求和方法，同時結(jié)合制造單位產(chǎn)品說明書中的相關(guān)規(guī)定對復(fù)合鋼帶進行檢驗。

復(fù)合鋼帶正常磨損過程經(jīng)歷3個階段：鋼帶聚氨酯表面磨亮、表面看到鋼絲痕跡和鋼絲外漏。

復(fù)合鋼帶是新型曳引媒介，在使用過程中除正常磨損外還時常發(fā)生強度損失問題，如斷股、磨損等，影響電梯的正常運行。由于目前市場上電梯復(fù)合鋼帶產(chǎn)品類型較少，相應(yīng)的無損檢測方法也比較少，主要存在以下3種無損檢測方法：磁通量檢測法[31]、壽命設(shè)定法和電阻檢驗法[32]。目前，電梯生產(chǎn)廠家主要采用電阻檢驗法，監(jiān)測電梯復(fù)合鋼帶的斷股缺陷。

Lei HuaMing和 Tian GuiYun提出了一種磁通量檢測法來檢測電梯用鋼帶中斷絲的無損檢測方法。該方法使用一對傳感器檢測鋼帶，形成差分信號，對斷絲數(shù)量的檢測有較高精確度。江蘇省特檢院的胡曉通過對鋼帶電阻檢測法的試驗驗證，得出了鋼帶繩芯電阻變化率與鋼帶強度之間的關(guān)系，提出了將壽命設(shè)定法和電阻測量法結(jié)合的綜合檢測方法。山西惠達澳星科技有限公司提出了一種電梯復(fù)合鋼帶無損檢測裝置及方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)檢測精度低、容易漏檢、抗干擾能力差和準(zhǔn)確性差的問題。該檢測方法處于原理樣機階段，尚未商品化[33]。洛陽威爾若普檢測技術(shù)有限公司研發(fā)了W-GDAJ型電梯復(fù)合鋼帶安監(jiān)裝置。該裝置可以對復(fù)合鋼帶內(nèi)部鋼芯斷裂進行識別，但無法確定復(fù)合鋼帶的斷芯位置。此外，該裝置需要固定安裝，不便于攜帶。對于檢驗檢測機構(gòu)而言，該儀器無法實現(xiàn)有效的檢驗檢測。

上述電磁無損檢測方法尚不能很好地解決復(fù)合鋼帶橫截面變化和斷裂缺陷，但隨著無損檢測理論和技術(shù)的發(fā)展[34]，市場上出現(xiàn)了許多新型無損檢測儀器。如：超聲相控陣能很好地檢測材料內(nèi)部缺陷，但是需要在被檢鋼帶表面涂抹耦合劑。復(fù)合鋼帶主要依靠摩擦傳遞動力，在鋼帶表面涂抹耦合劑以減小復(fù)合鋼帶與曳引輪之間的摩擦力，甚至有可能發(fā)生打滑現(xiàn)象。數(shù)字射線檢測能夠探測到物體內(nèi)部的宏觀幾何缺陷而不破壞物體本身，但是設(shè)備復(fù)雜、成本較高，使用時需保證一定的隔離距離，很難推廣應(yīng)用于在役電梯復(fù)合鋼帶的檢驗檢測。

3 現(xiàn)狀分析

綜上所述，電梯曳引媒介的檢測還存在以下3個方面的問題。首先，檢驗檢測方法單一。電磁檢測法應(yīng)用較廣，但只能檢測復(fù)合鋼帶的宏觀缺陷。鋼帶顯微結(jié)構(gòu)的改變和疲勞損傷尚無合適的檢測方法。其次，勵磁磁路單一。常規(guī)的勵磁裝置大而笨重，且對螺旋結(jié)構(gòu)的鋼絲繩勵磁效果不理想且難度較大。最后，定量定位檢測不準(zhǔn)確。復(fù)合鋼帶的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在并排的多根鋼絲繩中確認(rèn)缺陷的位置，對精確性要求更高[35]。

針對上述問題，借鑒鐵磁性鋼絲繩缺陷檢測技術(shù)，曳引媒介檢驗檢測技術(shù)的進一步發(fā)展可以從以下幾個方面推進。

①優(yōu)化檢測方法設(shè)備。將漏磁場和磁通量傳感元件集成于一個電磁傳感器中，提出一種差分式雙磁路的弱磁無損檢測方法。進一步研究鋼帶內(nèi)部鋼絲缺陷弱磁檢測理論、鋼帶內(nèi)部鋼絲缺陷的電磁響應(yīng)特性和研制差分式雙磁路電磁檢測傳感器，為在役電梯復(fù)合鋼帶缺陷檢測提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

②加快標(biāo)準(zhǔn)、檢規(guī)修訂。目前，各類相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、檢驗規(guī)程等還在制定中或未落地，設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、檢驗、維保等多環(huán)節(jié)需形成合力，加快政策落地執(zhí)行。

③多領(lǐng)域交叉融合研究。將磁檢測等方法引入電梯檢驗檢測領(lǐng)域，可促進現(xiàn)有技術(shù)在新領(lǐng)域的應(yīng)用；同時，圍繞曳引媒介的使用需求，倒逼本領(lǐng)域技術(shù)提升。

4 結(jié)論

本文針對電梯用復(fù)合鋼帶檢驗檢測中的檢測精度、損傷識別、性能評價等問題，綜合分析了現(xiàn)階段國內(nèi)外電梯用復(fù)合鋼帶無損檢測的相關(guān)研究成果，總結(jié)并提出今后的研究方向。首先，介紹了目前投入使用的電梯用復(fù)合鋼帶結(jié)構(gòu)特點，具體分析了電梯用復(fù)合鋼帶對鋼絲繩的優(yōu)勢。其次，介紹無損檢測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，著重論述了現(xiàn)今電梯用復(fù)合鋼帶和鋼絲繩無損檢測的技術(shù)研究和應(yīng)用狀況。其中，鋼絲繩無損檢測技術(shù)主要包括交流電磁法、永磁法、漏磁法和剩磁法。復(fù)合鋼帶的檢測方法主要包括磁通量檢驗法、壽命設(shè)定法和電阻檢驗法。最后，在對比當(dāng)前無損檢測方法的基礎(chǔ)上，提出了差分式雙磁路的弱磁無損檢測方法，指出了電梯復(fù)合鋼帶缺陷檢測的研究趨勢。