绳索和牵引力

绳索牵引图 2
图 2:标准绳的结构

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学习目标

阅读本文后,您应该了解:

  • 介绍不同的绳索系统
  • 典型钢丝绳的基本结构及其用于电动电梯系统的原因
  • 电梯卷扬绳的术语
  • 钢丝绳的理想要求
  • 钢丝绳润滑的重要性及其对钢丝绳寿命的影响

起重绳的介绍

这篇文章摘自你作者的书, 电梯:从基础到微积分,讨论电梯系统中的关键要素,重点关注电机驱动和控制、交通分析以及绳索和牵引等主题。 旨在为经验丰富的专业人士提供快速参考,为行业新手提供电梯系统的基本知识…….. 编辑

世界上基本上有两种主要类型的电梯:牵引式(在美国称为“电动”)和液压式,尽管有鼓驱动、直线电机驱动、气动(真空)驱动等次要类型。 超过 99%世界上运行的电梯是牵引式的——特别是那些额定速度为 1 m/s (200 ft/min) 或更高的电梯。 这些电梯依靠提升绳索上升和下降。 此外,电梯的最终安全装置(即限速器和安全钳)的有效运行很大程度上依赖于限速器绳索,尽管与提升或悬挂绳索相比,它要细一些。 这表明绳索在电梯系统中的重要性。 然而,提升绳索也是电梯事故中的关键麻烦制造者。

绳索的良好维护和检查需要熟练的工作,外行不容易做到。 而且,起重绳索没有具体的预期寿命,但我们可以根据使用情况、环境和维护情况进行估计。 在这里,我们将研究不同类型的绳索系统、提升​​绳索的类型及其结构和日常维护。 许多关于这个主题的文章可以在 ELEVATOR WORLD,例如:Wolf, E. 和 Franz, A.,“钢丝绳 – 电梯的绳索开发”,(2006 年 122 月,第 126-2009 页); Rhiner, M. 和 Heling, K.,“了解电梯绳索、性能、耐力和寿命”(95 年 101 月,第 2009-87 页); 和 Scheunemann, W.、Vogel, W. 和 Barthel, T.,“牵引电梯用钢丝绳”第一部分(92 年 2009 月,第 63-73 页)、第二部分(2009 年 95 月,第 112-XNUMX 页)和第三部分(XNUMX 年 XNUMX 月,第 XNUMX-XNUMX 页)。

绳索系统的类型

绳索牵引图 1
图 1:绳索系统的类型; 摘自 CIBSE Guide D, 2015

有许多类型的绳索系统(图 1)。 类型(a)、(b)、(c)和(e)是最常见的。 可以解释典型牵引电梯运行的最流行的类型是类型(a),通常用于高速电梯。 提升绳的一端连接到电梯轿厢(驾驶室),另一端连接到配重。 绳索铺设在驱动滑轮上的凹槽上,驱动滑轮由电机通过带或不带齿轮箱的制动器驱动。 凹槽与绳索之间的摩擦力带动绳索上下运动。 配重通常调整为空车重量加上满载能力的一半。 换句话说,当轿厢处于半载状态并位于井道中间时,即使松开制动器,整个系统也会静止。 (a) 型滑轮称为“转向滑轮”,用于保持轿厢与配重之间的适当距离。 否则,它们在沿轴上下移动时很容易相互碰撞。

(a) 型是绕绳系数为 1 的单绕驱动器。它通常用于速度等于驱动滑轮的旋转速度(以 rad/s 为单位)乘以滑轮半径的高速电梯。 单绕驱动的主要优点是高速运行,但电机功率需要更高,因为功率等于转速和扭矩的乘积。 扭矩是倾向于引起旋转的扭转力。 在物理学中,它等于施加的力乘以力与旋转轴之间的垂直距离。 对于相同的额定功率,更高的转速意味着更低的扭矩。

通常使用 2 的绳索系数,如类型 (c) 所示,以增加系统的提升能力。 这种类型仍然是单绕驱动器。 静止时,轿厢和负载的重量等于所有提升绳索张力的两倍。 但是,当然,这里必须牺牲一些东西,因为电梯轿厢的额定速度也减半。 读者可能熟悉机器的机械优势 (MA) 和速度比 (VR) 的概念。 MA 定义为机器产生的力与施加在其上的力之比。 VR 被定义为施加在机器上的作用力所行进的距离与负载行进的距离之比。 机器的效率始终低于 XNUMX,等于 MA 除以 VR。 应该注意的是,驱动滑轮的扭矩通过凹槽和绳索之间的摩擦力传递到提升绳索,称为“牵引力”。 为了增强牵引力,通常使用双缠绕驱动器,如类型 (e) 所示。 所有这些类型的电机都位于头顶位置。

如果在顶层上方提供机房不可行(例如,由于顶层上方空间不足),有时会使用机器位于地下室的类型。 这些被图示为类型(b)、(f)和(h)。

标准钢丝绳的结构

绳索牵引图 2
图 2:标准绳的结构

通常,起重绳索由钢制成。 绳子不是实心物体; 它由细钢丝组成的股线组成,芯由纤维(天然或人造)或钢制成(图 2)。 这是因为绳索需要绕着驱动滑轮和滑轮的弯曲凹槽表面弯曲,在高速下直行和反复弯曲。 这意味着绳索在正常操作期间会继续改变其形状。 使用一块坚固的零件是不可能完成这项任务的。

如图 3(a) 所示,如果绳子是实心物体,经过滑轮时会断裂。 使用股线是不可避免的。由于绳索有粗细,当通过一个曲面时,它的外弯必须延长,而当通过滑轮时,它的内弯必须缩短。 如果采用平行线束,这是不可能的。

绳索牵引图 3
图3:股线的工作原理; 提取自 Scheuemann, W.; 沃格尔,W。 和 Barthel, T.,“牵引电梯用钢丝绳:第一部分”(EW,2007 年 XNUMX 月)

因此,如图 3(b) 所示,必须控制长度补偿,以便在弯曲过程中每根线(或每股线)的总长度保持不变。 这是通过使用扭曲形式完成的,其中允许股线以螺旋方式略微移动。 这样,在正常操作期间,每一根线和每一股线都在相互摩擦。 股线在谷处相互摩擦,并在顶部与驱动滑轮的凹槽摩擦。 这就解释了为什么钢丝绳润滑至关重要。 适当的润滑可确保电线在相互摩擦或与驱动滑轮的凹槽摩擦时不会断裂,同时不会减少电线和凹槽之间的摩擦。 因此,在日常维护期间应使用特殊润滑剂(由绳索制造商指定)。

绳索牵引图 4
图 4:两种类型的股线

在电梯系统中,通常在没有两根导线相互交叉的情况下使用平行绞股。 不同类型的绳索的股数和钢丝数量不同。 通常,一根绞线上有 19 根电线,主要有两种排列方式:Seal 和 Warrington。 它们的横截面如图 4 所示,该图还显示这两种类型通常具有三层导线(即,Seale 为 9 + 9 + 1 = 19 和 6 [外层] + 6 [外层] + 6 [内层] ] + 1 = 19 为沃灵顿)。 Warrington排列外层的12根导线有两种不同的尺寸。 那就是让绳子看起来更圆。 另一种安排,Warrington-Seal,在一根绞线上有更多的电线。 通常每根绳索有 XNUMX 股用于低速运行,每根绳索有 XNUMX 股用于高速运行。

绳索牵引图 5
图 5:右手和普通(或常规)铺设绳索

有右手绳索和左手绳索。 电梯绳索通常是右手捻向(图 5),当绳索沿绳索移动时,从一端的支架看到,绳股顺时针旋转。 此外,有两种类型的居士:普通(或常规)居士与朗氏居士。 后者的绳外股与外股中的钢丝具有不同的捻向(与普通捻相比,如图 5 所示)。 因此,在常规铺设的绳索中,可见的外层钢丝与绳索轴线的大致方向一致。 在Lang's-lay 绳索中,可见的外层钢丝与绳索轴线成一个陡峭的角度。 电梯绳索通常是普通的绳索。 安装普通绳索更容易,当自由悬挂在电梯井中时,它只有轻微的解开趋势。 它们的弹性伸长率低于Lang's-lay绳索。

绳索牵引图 6
图 6:八股绳芯

六股或八股钢丝由绳芯支撑或向外隔开(图 6)。 这是芯线的主要功能:没有它,股线就无法正确间隔以形成相对圆形的绳索。 核心的另一个主要功能是它充当润滑剂的存储池。

天然纤维的芯通常由剑麻或麻制成,对润滑剂具有良好的吸收能力和较低的纵向弹性伸长率。 然而,天然纤维对高空气湿度敏感,暴露在潮湿环境中很容易腐烂。 因此,具有天然纤维芯的绳索不适合在高湿度的竖井中使用。 合成纤维对润滑剂的吸收能力相对较低,纵向弹性伸长率较高。 适合在潮湿环境下使用。

钢丝通常用于金属芯绳索。 这种类型的芯线增加了金属横截面并降低了单根线材的拉伸应力。 在与具有纤维芯的绳索相同的负载条件下,它们的伸长率较低。 但是,钢丝绳在安装过程中不允许转动。 (在带有纤维芯的绳索中,当绳索旋转时,所有股线都会均匀地变长或变短。)在带有钢丝芯的绳索中,外股和内股都会在一定程度上松弛。 因此,这种类型需要更高的安装技巧。

拉伸应力和伸长率

由于股线呈螺旋状运行,因此它们是金属的,就像弹簧一样。 在负载下,提升绳像弹簧一样伸展并在卸载时恢复到原始长度。 因此,胡克定律适用。 杨氏模量,或弹性模量, E(ε), 定义为拉伸应力的比值 σ(ε) 到伸长率 ε. 以下方程组有效:

1

在这里, F 是在张力作用下施加在绳索上的力, A0 是施加力的实际横截面积, ΔL or x 是伸长率或绳索长度变化的量,和 L0 是绳子的原始长度。 k 被称为“胡克常数”,它根据弹簧模型描述绳索的刚度。 纵向弹性伸长率低的绳索具有较大的值 k.

起重绳索的要求

与其他材料不同,由钢丝制成的绳索用于电梯系统有几个原因。 显然,张力必须足够,因为满载的汽车非常重。

此外,在加速情况下,重量可能会增加 15%,因为正常加速度约为 1 m/s2(200 ft/min2,或重力的 10%),有时甚至更高。 除了张力之外,当钢丝相互弯曲时,绳索还会受到其他应力因素的影响,包括弯曲应力; 扭转,绳索在操作中不可避免地扭曲; 摩擦,导致股线的额外磨损; 和压缩,当绳索通过滑轮和滑轮时。

由于驱动滑轮上的凹槽与绳索之间的摩擦,绳索用于提升电梯轿厢或对重(它们总是沿相反方向行进),因此首先要考虑牵引力。 虽然牵引力必须足够,但不能过度。 该规范规定,当配重位于坑内的缓冲器上时,牵引力不能太高,以至于将轿厢抬升到顶层以上,即使驱动滑轮仍在旋转。

通常,一个电梯轿厢有几根绳索。 提供这种主动冗余是为了确保当一根绳子发生故障时,整个系统仍然是安全的,因为剩余的绳索可以接替这根发生故障的绳索的角色。 当只有一根绳索完好无损时,电梯轿厢仍必须安全悬挂。 这被称为“安全系数”,在 12 m/s 或 10 ft/min 的额定速度下,该系数在欧洲必须至少为 2,在美国必须为大约 400。 绳索的安全系数定义为一根绳索的最小断裂强度与其自身操作张力的比值。

使用钢丝绳还有一个优点:维护人员能够识别其使用寿命结束的可能性。 评估通常基于测量使用过的绳索的直径、股线外层的断线次数、是否存在胭脂(绳索表面出现红色粉末,表明正在发生高级劣化)等. 绳径的测量必须是冠对冠。 必须进行两次相隔 90° 的测量才能得出平均值,因为操作绳通常不是完美的圆形。

绳索的理想特性包括:

  • 最小程度的绳索磨损,要求粗钢丝和高钢丝抗拉强度
  • 在滑轮和滑轮上运行时绳索寿命长,要求细钢丝(因此,在考虑上述点时必须做出妥协。接下来的两点也存在这种冲突。)
  • 与驱动滑轮的兼容性,要求低钢丝抗拉强度
  • 尽可能高的断裂强度,要求高线材抗拉强度
  • 由于运行一段时间后的绳索缩短过程和乘坐舒适性的期望导致绳索伸长率低,需要高金属横截面积和优质纤维芯
  • 价格实惠

不同的要求可能最终导致理想的绳索结构不同。 可以看出,它们之间经常存在根本的冲突。 因此,始终需要根据实际操作条件进行良好的折衷。

抗拉强度是钢丝绳的一个重要参数,表示钢丝绳通常可以承受的最大载荷。 具有高抗拉强度的线通常更硬。 当然,当绳索受到磨损和金属疲劳时,其抗拉强度会逐渐减弱。 股线内层钢丝的抗拉强度(通常为 1,770 N/mm2)通常与股线外层的抗拉强度(通常为 1,370 N/mm2)不同。 这被称为“双重拉伸”,因为绳索的硬度通常高于驱动滑轮槽的硬度。 较软的股线外层具有相对较低的拉伸强度,可以将凹槽的磨损降至最低。

绳索硬度在布氏硬度计上通常高于 400 HB,而凹槽硬度略高于 210 HB。 BHN 由最常用的测试标准(ASTM E10-14 和 ISO 6506-1:2005)指定为“HBW”(“H”来自硬度,“B”来自布氏硬度,“W”来自材料的材料)压头,钨 [钨] 碳化物)。 在以前的标准中,“HB”或“HBS”用于指用钢压头进行的测量。 HBW 在两种标准中都使用公制单位计算,如下所示:

2

哪里 F = 施加的载荷(以牛顿为单位), D = 压头直径(毫米),和 d = 压痕直径(毫米)。

1,770 N/mm2 的 HBW 值在世界范围内广泛使用。 对于内线,也使用 1,180 N/mm2 或 1,570 N/mm2。 对于直径为 8 毫米(19/1,370 英寸)、抗拉强度为 (1,770/11) 的 7(股)X 16(每股钢丝)绳索,最大断裂强度为 55.7 kN (12,500 lbf)。 如果在整个绳索中使用抗拉强度为 1,770 N/mm2 的钢丝,以股的内钢丝和外钢丝之间的差值计算,最大断裂强度变为 62.8 kN (14,100 lbf )。 如果这些绳索用于额定速度为 2 m/s (400 ft/min) 的电梯,则任何一根绳索在静态条件下的最大张力不得超过 6.3 kN,因为安全系数为 10在美国

绳索牵引图 7
图 7:正确测量绳索直径

如前所述,绳索直径必须从冠到冠进行测量(图 7)。 对于牵引或电动电梯,新安装时,绳索直径必须在公称直径的 0% 到 +5% 之间。 旧时,直径可能会下降到 -6% 到 -10%,必须丢弃。

起重绳索的润滑

如前所述,在绳索的正常运行过程中,钢丝不断相互摩擦并摩擦驱动滑轮和滑轮的凹槽。 绳索可以在滑轮或滑轮上弯曲的唯一原因是所有钢丝都能够相对于彼此位移。 因此,绳索润滑是必要的。 这种润滑减少了线之间和股线之间的摩擦。 但同时,不得减小绳索与凹槽之间的牵引力。 这种担忧意味着假设“越多越好”的概念是错误的。

如前所述,绳索的纤维芯是润滑剂的储存池。 当从制造商处交付时,任何绳索的新纤维芯都已被润滑剂充分浸透,而绳索本身已被充分润滑。 一旦绳索安装好并投入使用,纤维芯中的润滑剂就会被迫向外渗出。 因此,在运行数周后,必须清洁绳索表面的润滑剂。 然后需要重新润滑。 从那时起,必须不断检查绳索是否缺少润滑剂。 有时需要重新润滑——例如,一年几次。 润滑剂的重新涂抹必须取决于绳索的状况,因为重新润滑的频率取决于几个因素:

  • 电梯运行频率
  • 操作环境(包括温度、湿度、灰尘等)
  • 滑轮材料和滑轮磨损
  • 硬化牵引轮(需要更频繁的再润滑)
  • 绳索和驱动滑轮之间的打滑

在进行再润滑之前,必须彻底清洁绳索表面。 这是因为,在运行过程中,电梯井道和机房中经常会混有润滑油和灰尘。 在添加任何新润滑剂之前,必须去除此类受污染的润滑剂。 润滑剂必须清洁,不得被外部污垢污染。 否则,没有办法准确检查绳径,计算断线次数来确定绳的寿命。

再润滑还有一个重要目的:保持纤芯的原始尺寸。 由于纤维芯的主要任务是将股线保持在适当的位置,因此当芯线润滑良好时,股线之间的间距会适当,并且不会相互摩擦太大。 但是,如果逐渐失去润滑剂,纤芯会收缩并变得更干燥。 在这种情况下,将股线隔开的效果较差。 由于所有股线都处于高张力下,当芯变细时,它们会尝试向芯移动。 在操作过程中,绞线和电线相互摩擦越来越严重。

这里有两个问题。 首先,整根绳子变细了一点,减少了绳子和凹槽的接触面积,影响了牵引力。 其次,更重要的是,线材表面磨损严重。 在绳索表面形成铁颗粒。 由于这些颗粒不再受到润滑剂的保护,它们往往会通过氧化迅速生锈。 这导致绳索表面形成红色粉尘,称为胭脂。 随着铁粒从电线上去除,电线变得更细并且在磨损下很容易断裂。

很明显,每一股线中的每一根线都处于张力之下,因为所有的线都分担了一根绳子的负载。 随着钢丝变得更细,即使抗拉强度保持不变,钢丝绳可以承受的最大载荷也会降低,因为钢丝的面积越来越小。 因此,当维护人员在绳索表面的有限部分发现胭脂时,必须立即维护绳索,但更换可能并不紧急。 用胭脂对绳索进行保养并不能使绳索恢复到新时的状态,但至少可以降低劣化率。 当一根绳子 覆盖 用胭脂,即使是一小部分,无人看管,也会很快变质,寿命大大缩短。

一些制造商声称他们的绳索不需要再润滑,因为在制造过程中添加的润滑剂足以维持绳索的使用寿命。 这种说法是非常值得怀疑的,因为绳子没有确定的寿命。 它可以短也可以长,这取决于操作条件和环境。

为了安全起见,必须定期清洁和重新润滑绳索,以防止快速老化。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试,网址为 电梯书籍 或在第本期第141期。

  • 为什么要使用绞线和钢丝来制造提升绳?
  • 为什么要用钢来制造起重绳索?
  • 为什么总是需要转向轮?
  • 哪些因素决定了绳子是否应该丢弃?
  • 什么是绳索系统的“主动冗余”?
  • 比较 1:1、2:1 和双绕绳系统的优缺点。
  • 为什么绳索需要润滑和再润滑?
  • 为什么外层线材与内层线材的抗拉强度不同?
  • 为什么一定要注意绳子上胭脂的存在?

Albert So 博士是国际电梯工程师协会 (IAEE) 的执行委员会成员和科学顾问。 他也是IAEE香港中国分会学术秘书和英国北安普顿大学名誉客座教授。 Elevator World, Inc.,总部位于西雅图。

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