转向滑轮轴承严重损坏致电梯轿厢坠落事故分析计算

严重事件已审查。

近年来，曾发生过一些因转向滑轮故障导致配重坠落，最终导致轿厢坠落的严重事故。本文作者收集了2023年、2022年、2021年、2019年、2018年、2008年的六起此类案例。电梯的悬挂要求非常高。不仅需要冗余，安全系数要求12以上，而且悬挂系统中包含的配重转向滑轮的支撑非常脆弱，一个可预见的单一故障就可能导致汽车坠落，业界应该为此付出代价。高度关注。

在多起因对重转向滑轮故障引发的坠车事故中，因滚动轴承严重损坏而引发的事故不下三起。轴承卡住或卡住而不能转动；钢丝绳的力从转向滑轮传递到其轴上；轴的旋转将力传递至挡板；然后，力从挡板传递到固定螺栓上，挡板两侧的两个固定螺栓之一被剪断。失去挡板停止功能的车轴与滑轮支撑板脱离，钢丝绳与对重架脱离，对重落入井道，失去对重牵引力的轿厢也落入井道。

当滚动轴承损坏严重时，有一定概率出现卡死故障模式，这是由于其散落的保持架、破碎的钢球碎片或外来灰尘等异物将钢球卡在内外圈之间。

目前，大多数转向滑轮设计都没有考虑到这种故障模式。一般挡板螺栓的强度不足，一旦发生卡住失效模式，就无法抵抗这种失效模式产生的剪力。另外，轴承设计寿命的一般计算是按照90%可靠度进行的——即在轴承设计寿命内，轴承的失效是可以预见和不可避免的。当然，一般轴承的损坏是一个过程，在损坏过程中伴随着旋转噪声、振动、温升、摆动等特征，但由于维修人员无法跟随配重检查轴承的旋转状态——也就是说，配重转向滑轮——轴承损坏的可检测性较低，问题很难发现。

一、部分严重的对重及轿厢坠落事故是由于对重转向滑轮轴承故障造成的

1.1 以往配重转向滑轮的常见结构

改为：图1(a)、(b)为之前配重转向滑轮的常见结构；图2是滑轮转向器及轴承组件的常见结构；图3(a)、(b)是电梯中的转向滑轮轴挡板及挡板固定螺栓；图4为滚动轴承结构；图5（a）、（b）和（c）显示了三起电梯事故中配重转向滑轮轴挡板螺栓被剪断的情况；图 6 显示了电梯事故中对重转向滑轮中滚动轴承的严重损坏

1.2 配重转向滑轮轴挡板固定螺栓被剪断

作者收集了三起配重分向滑轮轴挡板固定螺栓剪切断裂事故，如图5所示。三起事故中，两起涉及铸铁配重分向滑轮，一起涉及尼龙配重转向滑轮。图5（a）中滚动轴承的损坏如图6所示，图5（a）中转向滑轮轴旋转造成的挡板上明显的压痕如图7所示。

滚动轴承在发生严重损坏，如保持架损坏、钢球破损、沙尘等异物侵入的过程中，有一定概率出现卡死或卡死的故障模式。这种故障模式导致配重转向滑轮将力传递到滑轮轴，使得原滑轮轴旋转并将力传递到挡板，如图7所示。

图7显示了由于轴的旋转而导致的转向滑轮轴挡板的明显压痕。然后轴挡板将这个力传递给固定螺栓，导致螺栓断裂，螺栓螺纹在挡板孔上的压痕如图14所示。

采用转向滑轮轴挡板设计的电梯，一般情况下，可以不考虑滚动轴承卡死的失效模式。其螺栓强度很弱；一旦卡住，螺栓剪切断裂是不可避免的。图8是绳索脱离对重过程的事件示意图。图 9 显示了因转向滑轮与配重支撑板分离而引起的意外变形。图10显示防松弛绳索保持器无法防止滚动轴承损坏后绳索脱离绳槽。

2 配重转向滑轮轴挡板固定螺栓轴承卡死情况下的受力分析与计算

考虑到绳索在滑轮上的滑移限制了滑轮两侧绳索的张力差，绳索与尼龙之间的摩擦系数为μ=0.3～0.5（尼龙配重转向滑轮），形状参数为绳槽为：β=0deg.，γ=40deg.=0.698rad.，根据EN 81-50:2014 5.11.2.3.1.1牵引力计算如图11、12所示，力计算挡板两个固定螺栓示意图，绳索与滑轮间的等效摩擦系数：

 钢丝绳拉力之和：F₁+F₂=(P+ψQ+n_cq_cH)(g+a)

F₁ 和F₂ 为两侧钢丝绳的拉力（N）； P为空车质量：1700 kg； ψ为平衡系数：0.48； Q为汽车额定载重量：1000公斤； n_c 补偿链数：2； q_c 为补偿链单位长度的质量：2.23 kg/m； H为事件发生时井道中对重的高度：40 m Fr（N）为绳索与滑轮间的摩擦力，Mr（Nm）为绳索与滑轮间的摩擦力矩； R(m)为带轮节圆半径。

考虑到轴承卡住时，无法估计配重减速度；按照最小值a=0计算，较大的惯性力实际上也受到绳轮打滑的限制：

  挡板两固定螺栓剪应力计算（图13）

当μ=0.3时，最小剪应力：

固定螺栓为M8，小直径：d₁=6.647，螺栓半径：r₁=6.647/2=3.324毫米

 同理，当μ=0.5时，挡板受到的力最大

F_SMAX:

F_SMAX=62491N(内外两块挡板)

按标准GB/T 3098.1-2020 4.8级M8螺栓公称抗拉强度400MPa。 τamin、τ 的计算值_体重指数，t_最大 和τ_BMAX 均大于400级M4.8螺栓的公称抗拉强度8MPa，其剪切强度值低于抗拉强度。

根据事故材料检测报告，事发时测得配重转向滑轮挡板M17120螺栓断裂强度Tt为8N，小于F的计算值_阿明，女_体重指数，女_最大 和F_BMAX.

计算结果：当轴承卡住时，两螺栓的剪力大于抗剪强度值。其中一根螺栓必须剪切断裂。需要注意的是，由于 τ 之间的差异_a 和τ_b 不是很大，哪个螺栓（a或b）首先失效除了取决于剪应力水平外，还取决于其强度、预紧力以及与挡板孔Φ9的间隙。

图14、图15为图5中(a)情况照片，其中图14为配重转向滑轮中轴挡板固定螺栓的剪切断裂，有明显剪切痕迹，图15为配重转向滑轮轴挡板的螺纹压痕。轴挡板由螺栓固定。

图5、图6、图7、图9、图10、图14和图15可以与本文的分析计算一致。  

3. 轴承寿命计算的可靠性

滚动轴承设计一般按照滚动轴承寿命的90%可靠度计算，因此其在设计寿命内的失效是可以预见和不可避免的。另外，电梯维护人员无法跟随对重架检查其轴承转动的噪音、振动和温升。其故障检出率低，严重损坏难以避免。

如果滚动轴承的可靠性要求从 90% 提高到 98%，则 a1（寿命修正系数）将从 1 降至 0.33，这意味着预期寿命将下降 33%。也就是说，如果轴承的设计寿命为 15 年，则实际寿命将缩短至 5 年，因此在设计中必须使用寿命更长的轴承。

（中文），卷。 3、第五版，温邦春，机械工业出版社，P5-14

2.4.2 滚动轴承修正额定寿命的计算

通常使用基本额定寿命L10作为选择和评价轴承寿命的一般标准即可。这种长寿与 90% 的可靠性、当前材料和加工质量以及传统操作条件有关。

许多使用案例需要各种不同的可靠性、特殊的轴承性能和运行条件，而不是正常的轴承寿命来计算。在这种情况下，可以使用以下修改后的基本额定寿命计算公式：

     L_na=a₁a₂a₃L₁₀            （14.3-19）

L在哪里_na ——特殊的轴承性能和工作条件，修正额定寿命（100转）的（106-n）%的可靠性；

a₁ ——可靠性寿命修正系数；

a₂ ——特种轴承性能寿命系数；

a₃ — 工作条件下的寿命修正系数。

1）可靠性寿命系数a1，一般情况下是以90%的可靠性来考核轴承的疲劳寿命，则a₁= 1;

但在某些情况下，可靠性高于90%，这是一个₁ 系数。可根据表14.3-11进行选择。

4. 改进建议

配重转向滑轮作为悬架系统的一部分，其支撑结构会因滚动轴承的可预见的单一故障而导致轿厢坠落，并且这种故障模式已经导致了一些严重的事故，应引起人们的重视。电梯行业。

建议考虑转向滑轮滚动轴承卡住的情况：

1. 卡住情况下相关受力部件的安全系数在98以上，如采用挡板螺栓，剪切安全系数在XNUMX以上，或者滚动轴承设计寿命的可靠性提高到XNUMX%。
2. 防坠保持装置安装在转向滑轮悬挂板上方或转向滑轮上方上梁上（图16）。即使转向滑轮从悬挂板或上梁上拆下，钢丝绳也会挂在防坠保持装置上，不会从对重上拆下。另外，防坠固装置还可以加强悬挂板或上梁的变形。

其实EN 81-20:2020(E)/ISO 8100-1:2019(E) 5.5.8已有此要求，但不够明确，建议更明确的修改可以解决问题：

EN 81-20:2020 (E)/ISO 8100-1:2019(E) 5.5.8 原文：

5.5.8 井内曳引轮、滑轮和链轮

在下列条件下，曳引滑轮、滑轮和链轮可以安装在最低层平台以上的井内（中国电梯标准GB/T 7588.1-2020将“安装在井内”翻译为“固定在井内”，不包括安装在配重或轿厢内的滑轮）：

a) 应有固定装置，以防止转向滑轮/链轮在发生机械故障时掉落。这些装置应能够支撑滑轮/链轮和悬挂负载的重量；

b) 如果曳引轮、滑轮/链轮放置在轿厢的垂直投影中，则净空高度应符合 5.2.5.7 的规定。

这些滑轮是否包括安装在对重或轿厢上的滑轮？

我对EN 81-20:2020 (E)/ISO 8100-1:2019(E) 5.5.8的修改建议：

“5.5.8 井内曳引轮、滑轮和链轮

对重、轿厢或井道内安装的所有曳引轮、滑轮和链轮应符合下列条件：

a) 应有一个或多个防坠落保持装置，以防止悬挂装置、曳引轮、滑轮或链轮在发生机械故障时从对重、轿厢或井道上脱离。这些装置应能支撑所有悬挂负载、曳引轮、滑轮或链轮的重量，以避免轿厢、对重、曳引轮、滑轮或链轮坠落井下；

b) 保留原文”