電梯曳引輪的輪槽磨損原因及U、V 型槽的分析與檢驗方法

陳天宇 CHEN Tian-yu；沈永康 SHEN Yong-kang；劉瑞昂 LIU Rui-ang；李杰 LI Jie；葛陽 GE Yang

（常熟理工學院機械工程學院，常熟 215500）

1 概述曳引輪的作用

電梯曳引輪裝置作為曳引系統(tǒng)的重要組成部件之一，在電梯工作過程中起到傳遞曳引動力的關鍵作用。因此，檢驗電梯曳引輪輪槽是否受損就尤為重要。在電梯工作過程中，曳引輪連續(xù)旋轉，借助輪槽與鋼絲繩之間產(chǎn)生的摩擦力為轎廂上下行提供動力。其作為電梯運動的重要動力部件，承受著轎廂、負載以及配重鏈產(chǎn)生的載荷，因此對所選材料要求有著強度高、韌性好、耐磨性的良好性能。所以當曳引輪發(fā)生問題時造成的影響也會很嚴重，譬如曳引力變大后會有產(chǎn)生轎廂沖頂問題的可能性，也有可能會引發(fā)曳引力減少而帶來的轎廂溜車，曳引輪性能的好壞與否會直接影響電梯的平穩(wěn)工作?？偟膩碚f，隨著電梯的使用時間愈長其曳引輪槽的磨損量就愈大。當磨損量達到了一定的程度時就會削弱曳引輪的工作性能，從而有可能導致安全事故的產(chǎn)生。

曳引輪的輪槽大致被分為U 型槽、V 型槽和帶切口半圓槽3 類。

①U 型槽。U 型槽又稱為半圓槽，如圖1 所示。作為常見曳引輪輪槽的一種類型，根據(jù)其自身結構特點，因此在安裝時與曳引繩的接觸面積往往最大。半圓槽與曳引繩下半部分接觸，對曳引繩的擠壓力較為均勻，其相對變形也較小。在這種接觸方式下，曳引輪槽以及曳引繩的使用壽命能夠有效延長。但不足的是半圓形輪槽的當量摩擦系數(shù)較小，曳引能力相較于其它類型槽較低。因此，若要提高采用半圓槽曳引輪的曳引能力，就需要將曳引繩在曳引輪上進行重復纏繞，使曳引輪與曳引繩間的包角增大。U 型槽形的曳引輪多用于全繞式的高速無齒輪曳引機直流電梯中，此外在轎頂輪、對重輪以及導向輪等處的輪槽中，U 型槽也得到了廣泛的應用。

圖1 U 型槽

②V 型槽。V 型槽的結構如圖2 所示。V 型槽的兩側留有一定的角度（通常大于35°），因此V 型槽在工作過程中會對曳引繩進行擠壓，產(chǎn)生擠壓應力，由于牽引繩與V型槽之間的接觸面積僅在兩側，因此牽引繩與輪槽之間接觸面的單位壓力相對較大，使得牽引繩的形變程度較大。然而這種類型的槽結構具有很高的當量摩擦系數(shù)，所以曳引機能夠獲得較大的驅動力。V 型槽的缺點在于輪槽與曳引輪的磨損速率都很快，一旦輪槽磨損后，曳引繩的中心位置往往會下移，V 型槽的槽型就漸漸接近帶切口的半圓槽，當量摩擦系數(shù)快速減小，所以V 型槽多僅適用于輕載以及低速電梯。

圖2 V 型槽和帶切口半圓槽

③帶切口半圓槽。帶切口半圓槽又稱為凹形槽。如圖2 所示。它是在半圓槽的基礎上對其底部進行切制，形成了一條楔形槽，使得曳引繩與輪槽的接觸面積降低，并增大二者之間的壓力。此型槽在工作過程中，部分曳引繩會有楔入到溝槽中，導致當量摩擦系數(shù)顯著增大。曳引式電梯的主要動力來源于曳引輪輪槽與曳引鋼絲繩間的摩擦力，一般情況下其曳引能力的計算方式通過GB7588 所規(guī)定的不同工況下μ 值與當量摩擦系量f 得到的。但是在電梯的實際運行的過程中，輪槽與鋼絲繩之間因為長時間的摩擦運行會產(chǎn)生一定的磨損：一方面，在產(chǎn)生磨損之后曳引輪實際的槽型角和切口角角度也都將發(fā)生改變；另一方面，曳引鋼絲繩的原始直徑與公稱直徑也有著一定程度的數(shù)值差異，并且在長時間的持續(xù)運行中，因鋼絲繩不斷受拉和磨損而發(fā)生變化，其磨損處直徑不斷變小，從而導致與曳引輪輪槽的接觸面發(fā)生變化。因此磨損之后的曳引輪輪槽與曳引繩的當量摩擦系數(shù)f 會發(fā)生改變，使得電梯的曳引能力發(fā)生變化，使得曳引力改變，因此，研究不同曳引輪輪槽的槽型下的曳引能力的大小是很有必要的。帶切口半圓槽在一定條件下，其曳引能力通常是U 型槽的1.5～2倍，明顯提高了曳引輪的工作能力。帶切口半圓槽不但有著磨損量小及當量摩擦系數(shù)大的特點，而且當曳引繩的中心隨著輪槽磨損后開始下移，因預制的楔形槽的保護作用，其當量摩擦系數(shù)一般不會發(fā)生太大改變。因此，帶切口半圓槽這種型槽在電梯曳引輪上得到了大量的應用。

2 電梯曳引輪輪槽磨損原因

2.1 正常工作原因 由于摩擦產(chǎn)生的曳引力在長期運行過程中將不可避免地導致曳引輪摩擦振動從而發(fā)生磨損，使得輪槽的節(jié)圓直徑、角度，甚至槽型變形影響正常使用。

①磨粒磨損：因為鋼絲繩表面存在硬微凸的結構，或者氧化發(fā)生銹蝕，從而使得運動摩擦階段輪槽表面不斷受到擠壓，導致輪槽表面破損，形變開裂。

②表面疲勞磨損：在高應力作用下，曳引輪和鋼絲繩接觸表面之間反復摩擦變形，接觸表面產(chǎn)生細小疲勞裂紋，在長時間工作后，輪槽表面的小塊凸點將會破損脫落，使得輪槽表面產(chǎn)生斑點狀的損失。

2.2 材料質(zhì)量不合格 輪槽發(fā)生磨損問題，也有材料質(zhì)量的因素。曳引輪輪槽的工作環(huán)境比較復雜，再加上輪槽使用頻率比較高，如果無法保障材料質(zhì)量，不利于滿足長久磨損要求，從而增加發(fā)生事故隱患的可能性。電梯曳引輪輪槽表面發(fā)生磨損開裂后，若長時間工作導致超過承載值，將會引發(fā)嚴重事故。此外，加工和搭配電梯曳引輪輪槽材料的過程中，因未嚴格遵守相關技術標準，且沒有落實國家相關規(guī)范，將會提高磨損速度，引發(fā)嚴重的問題。

2.3 曳引鋼絲繩受力不均勻 如果無法確保曳引繩的受力均勻，那么在電梯曳引系統(tǒng)運行階段這一過程中，就會增加電梯曳引輪輪槽產(chǎn)生磨損的可能性。而對比了輪槽數(shù)量之后，可以清楚地發(fā)現(xiàn)如果鋼絲繩的布置數(shù)量過少，鋼絲繩受力的均勻性將會受到很大影響。此外，一部分不良企業(yè)在建筑建設階段，為了降低施工的成本，也會擅自減少曳引輪的牽吊曳引繩的數(shù)量，從而影響鋼絲繩受力的均勻性，引發(fā)嚴重的磨損問題。此外，鋼絲繩選用類型不合理，或者電梯維保工作不合理，將會保障鋼絲繩在前期受力的均勻性，但是，無法保障后期受力的均勻性，最終引發(fā)電梯曳引輪輪槽磨損問題，同樣的，更換新的電梯曳引輪時，如果選用類型不合理也會產(chǎn)生類似問題。

2.4 曳引繩與曳引輪輪槽不匹配 現(xiàn)在市面上常用的曳引輪輪槽主要包括帶切口半圓槽、U 型槽和V 形槽。與U 型槽不同的是，帶切口半圓槽的摩擦系數(shù)更大；同時，可對比V 形槽，發(fā)現(xiàn)帶切口半圓槽的磨損程度通常比較小，即使輪槽發(fā)生了磨損開裂，也能保持較高的摩擦系數(shù)，可以保障電梯運行的安全性。因此，帶切口半圓槽在電梯曳引系統(tǒng)有著更多的應用。但如果在曳引繩與輪槽不匹配的情況下，會對曳引鋼絲繩運行時的平滑度產(chǎn)生一定影響，除此之外還會產(chǎn)生彈跳問題，從而加劇了輪槽的磨損問題，使得乘梯人員的舒適度降低。無齒輪曳引機的曳引比通常是2:1，一般來說需要增加電梯曳引輪和鋼絲繩的數(shù)量，使得系統(tǒng)的配置更為復雜。同時，如果曳引輪的直徑較小，會導致輪槽處摩擦力增大，加劇輪槽表面磨損開裂，影響曳引輪的使用壽命。

2.5 使用維護原因 在日常使用電梯的過程中，如果高負荷使用電梯，使得電梯發(fā)生超載運行和高頻率運行，電梯的曳引輪輪槽將會加速磨損，導致一系列電梯安全事故。如果不重視電梯的日常維護保養(yǎng)，隨意混用新舊曳引鋼絲繩，也會使得電梯曳引輪輪槽加速磨損開裂。一些缺乏工作責任或者工作水平比較低的維護人員，沒有及時發(fā)現(xiàn)并且處理發(fā)生問題的鋼絲繩和輪槽，不斷增加磨損量之后將會引發(fā)安全問題。

2.6 曳引輪出廠尺寸 曳引輪生產(chǎn)出廠時輪槽的加工誤差如果較大，安裝的曳引輪輪槽節(jié)圓直徑不一致時，會進一步導致輪槽的不均勻磨損度變大。當轎廂上行或下行運動時，由于節(jié)圓直徑的尺寸不一致，磨損的輪槽和未磨損輪槽對應的鋼絲繩移動距離與每條牽引鋼絲繩繩頭壓縮量不一致，導致各鋼絲繩所受張力分布不一，增大事故隱患。

當曳引輪兩側鋼絲繩的拉力比大于此輪槽曳引系數(shù)時，曳引工作條件被破壞，導致張力分布不均，輪槽中的鋼絲繩在工作時產(chǎn)生了運動滑移。在轎廂工作運行的過程中，出現(xiàn)不均勻磨損的輪槽相對于其他未磨損輪槽先產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，滑移后各鋼絲繩張力分布再次變化，隨著轎廂的持續(xù)運行，其他不均勻磨損的輪槽將發(fā)生下一次滑移。如此的長時間工作后，輪槽的磨損滑移循環(huán)往復，曳引鋼絲繩在曳引輪輪槽中的多次滑移又會使得輪槽的磨損開裂加?。幌鄬Φ?，輪槽的磨損程度越劇烈將導致更容易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，滑移之后又加劇了輪槽的磨損，形成惡性循環(huán)。當曳引輪輪槽表面已經(jīng)發(fā)生不均勻磨損時，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩繩頭的彈簧來調(diào)節(jié)鋼絲繩組張力不均，調(diào)節(jié)之后輪槽的磨損速度能夠有效降低，但不能有效避免磨損的進一步惡化。輪槽的安裝角度、下部切口的角度將影響輪槽的使用效果，為了避免輪槽因為曳引能力不足導致打滑而使得輪槽的磨損加劇，對于電梯的設計方面，輪槽的安裝角度方面的幾何參數(shù)也應滿足不同工況下的曳引能力要求。

所以對于曳引式電梯的曳引輪輪槽的設計，如何提高曳引輪輪槽的當量摩擦系數(shù)f，獲得更大的曳引能力，便是我們需要思考的問題。

3 針對電梯曳引輪U、V 型槽的分析計算

如圖3 所示：γ 表示槽的角度值；β 表示下部切口的角度值。

圖3 槽的γ 角與下部切口角β

一般情況下，下部切口角β 的最大值不超過106°。槽的角度γ 在U 型槽情況下最小值不低于25°，V 型槽情況下最小值不低于35°。

對于當量摩擦系數(shù)計算，如表1 所示。

表1 不同工況下的當量摩擦系數(shù)計算

表1 所示的是當量摩擦系數(shù)的計算邏輯，其中γ 為槽型角的角度值，β 為下部切口角度值；μ 為摩擦系數(shù)。GB7588-2003 規(guī)定，摩擦系數(shù)μ 的取值由三種工況決定：①裝載工況：μ=0.1；②緊急制停工況：μ=0.1/（1+ν/10）；③轎廂滯留工況μ=0.2。

現(xiàn)計算各角度下U、V 型槽口的當量摩擦系數(shù)，如表2-表5 所示。

表2 摩擦系數(shù)=0.08 情況下對U 型槽摩擦當量的計算

表3 摩擦系數(shù)=0.1 情況下對U 型槽摩擦當量的計算

表4 摩擦系數(shù)=0.2 情況下對U 型槽摩擦當量的計算

表5 摩擦系數(shù)=0.2 情況下對V 型槽摩擦當量的計算

按照技術原則：在滿足各種相對條件的前提下，盡可能獲得的較大當量摩擦系數(shù)f 對提高電梯的曳引能力起著影響作用。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)對比得到，不同的曳引輪輪槽形狀對當量摩擦系數(shù)f 產(chǎn)生一定影響。當量摩擦系數(shù)f 越大，電梯的曳引力也越大。在各種曳引輪的不同輪槽形狀中，可以發(fā)現(xiàn)V 型槽的f 值最大，而U 型槽的f 值則最小。在曳引輪的不斷磨損中，V 型槽也會伴隨著磨損而趨向于半圓切口槽轉變，其f 值也將減小，影響電梯的曳引能力。從而對電梯的安全運行產(chǎn)生一定的影響與破壞。

4 電梯曳引輪U 型槽優(yōu)化后的檢驗方法

①以曳引輪與曳引繩的配合深度的測量方法來舉例，根據(jù)鋼絲繩的直徑大小來選擇不同規(guī)格的探頭，測量出各輪槽與各曳引鋼絲繩的配合深度，并根據(jù)其配合深度的不同，從而可以判斷出曳引輪槽的整體磨損比例以及各輪槽磨損的情況差異，此外我們還可以根據(jù)此磨損情況來相應調(diào)整對應的各曳引鋼絲繩的張力分布，避免輪槽張力偏差過大而加快磨損。②對曳引輪輪槽的磨損均勻程度進行檢驗。用鋼直尺或水平儀垂直放置在曳引鋼絲繩上，如果鋼直尺或水平儀未發(fā)生傾斜，則說明曳引繩表面處在同一水平線上，否則就說明該曳引輪輪槽的磨損的均勻程度較低，將會對電梯安全運行產(chǎn)生影響。

5 結語

本文對于目前市面上常用的電梯曳引輪輪槽的磨損原因進行了細致的分析，并在其基礎上對U、V 型槽的角度進行計算分析以及檢驗，對實際應用將起到一定參考作用。