电梯设计向紧凑型发展趋势，推动了曳引轮尺寸的缩小和悬挂钢丝绳直径的减小，但降低曳引轮与钢丝绳直径比（D/d）会显著缩短钢丝绳的使用寿命。钢丝绳疲劳取决于结构和安装因素，尤其是沟槽轮廓和D/d，因为随着曳引轮尺寸的减小，钢丝绳的相对运动、弯曲、压力和磨损都会增加。圆形沟槽可以降低接触压力，但需要更大的D/d才能保证牵引性能；而异形沟槽则会增加接触压力和磨损，加速钢丝绳断裂和微动磨损。Feyrer公司的NKorr标准包含沟槽系数fN3，而EN 81-1标准则规定最小弯曲循环次数为600,000万次；型式检验可以通过使用跳闸计数器或经过验证的测试来允许更低的D/d值。必须权衡成本节约与钢丝绳寿命缩短和安全隐患之间的关系。
本文评估了滑轮直径与绳索公称直径之比与绳索使用寿命之间的相关性。
近年来，电梯行业的一项运动朝着引入更紧凑和更小设计的方向发展。 减少能源消耗和成本的努力已经降低了单个组件的尺寸。 从历史上看，牵引绳轮和驱动系统是任何电梯安装中最重要的组件之一，并构成了整个机房设计的基础。 随着无机房电梯的出现，这些建筑变得多余。 减小牵引轮的尺寸不可避免地意味着也减小了悬挂装置的直径——主要仍然是钢丝绳。 但是，存在各种标准，例如 EN 81-1[1]，它们限制了绳索直径的减小程度。
尽管如此，近年来市场上出现了许多超出这些限制的绳索。 由于成本原因，这些细绳正在“激起越来越多的电梯制造商的胃口”，他们可能没有充分意识到较小直径对绳索使用寿命的不利影响。 以下文章评估了滑轮直径与绳索公称直径的比值 D/d 与绳索使用寿命之间的相关性。
影响因素
绳索实际上如何能够在滑轮上移动？ 或者换句话说，绳索如何在很长一段时间内重复弯曲半径？ 绳索由大量彼此相对移动的单独电线组成。 钢丝的运动使绳索整体弯曲。 然而，同时，这种位移会导致导致磨损的相对运动。 绳索的钢丝在滑轮上运行时不仅要承受单独的应力，而且还要承受各种不同的应力，例如弯曲、压力和张力。 应力的大小和类型取决于许多影响因素，主要由绳索构造和电梯安装引起。
绳索特定影响变量的示例包括：
- 绳索结构
- 线材强度
- 绳芯、润滑和直径
特定于安装的影响变量的示例包括：
- 滑轮直径与绳索公称直径之比
- 绳索装载
- 滑轮槽材料
- 滑轮槽型材
- 偏角
- 有效折弯长度
在个别情况下，环境温度和湿度等其他因素也会增加应力，从而影响绳索的使用寿命。 可能的影响因素多种多样，因此无法准确计算绳索的使用寿命。 尽管如此，可以根据疲劳弯曲试验对绳索的近似报废年龄做出合理的预测。
使用寿命计算
斯图加特大学物料搬运技术与物流研究所进行了大量疲劳弯曲试验和统计分析。 这些测试构成了 Feyrer 设计的绳索使用寿命计算的基础，其中考虑了上述因素。 等式中包含滑轮直径与绳索公称直径 D/d 的比率以及凹槽轮廓。
凹槽轮廓的影响
使绳索承受最低程度应力的凹槽轮廓是圆形凹槽。 虽然绳索上的接触压力低，但这也会导致低牵引力。 因此，必须指定更大的滑轮直径，因为其更大/更长的接触表面将增加牵引力。 这需要高 D/d 比。
然而，如果要实现前面提到的成本效益，目标必须是朝着恰恰相反的效果努力，即小的 D/d 比。 因此，使用具有适当凹槽轮廓的小滑轮。 与圆形凹槽不同，凹槽轮廓（例如底切圆形或 V 形凹槽）会施加显着更高的接触压力，从而增加牵引力。 然后可以减小绳索围绕滑轮的缠绕角度。
在异形凹槽中，绳索被夹紧并且不会完全平放在凹槽中，因此接触面减小。 在剩余的接触面上施加更高的压力水平，导致这些区域更容易磨损。 断线出现得更早，数量也更多。 滑轮直径相对于绳索直径减小得越多，绳索之间的接触面积就越小，并且凹槽轮廓需要越“激进”以实现必要的牵引力。 这反过来又不可避免地导致绳索使用寿命缩短。 各种槽型对钢丝绳使用寿命的影响体现在影响因子fN3上（图1）。 这个因素构成了 Feyrer 计算修正弯曲循环数 NKorr 的一部分。 [2]
N科尔 =NfN1 fN2 fN3 fN4
注：根据以下公式修正弯曲循环次数 NKorr[2] 弯曲循环次数 N 和弯曲循环系数 fN1-FN4
由于小 D/d 比造成的绳索损坏
测试表明，在低 D/d 比和高绳索张力水平的情况下，从第一次出现断线到报废时间之间的时间跨度将相对较短。
通常，一根外股线或几片钢芯会断裂，或者股线内的单根线材会从其组件中挤出。 由于高表面压力和高弯曲应力，电线的表面会被破坏。 会发生“微动效应”（摩擦滑动），因为在这些压力水平下，通常足够量的绳索润滑不再有效。 [3]
根据 EN 81-1 确定使用寿命
在 EN 81-1 的附录 N 中，[1] 公布了一种确定吊索安全系数的方法，该方法考虑了 Feyrer 的使用寿命计算。 基于该标准，Schiffner[4] 开发了一种方法，“以确保绳索的最短使用寿命，其中包括几乎所有影响绳索使用寿命的安装参数。” 根据三年内每年 600,000 次往返的计算，此最低使用寿命应为 100,000 次弯曲循环。
根据 EN 81-1 的附录 N，[1] 可以通过公式或图表来确定吊索的安全系数。 从图 2 中的图表中可以明显看出，最小安全系数随着直径比 D/d 的减小和相等的 Nequiv（挠度滑轮的等效数量）而增加。
EN 81-1 的基本思想是可靠识别检查间隔之间绳索的废弃年龄的标准。 确定的安全系数导致绳索驱动系统的使用寿命有限。
成本节约：
某些电梯制造商可能会将 EN 81-1 的要求视为对开发节约成本的牵引概念的限制。 有人认为，并非所有应用都需要达到规定的 600,000 次循环，因此安全系数和 D/d 比可能会更低。 对于电梯制造商而言，降低成本的另一种可能性是减少电梯安装中的绳索数量。 在这种情况下，必须使用具有更高断裂强度的绳索。 作者在其他出版物中已经确定了在绳索中实现更高断裂强度的各种替代方案[5,6,7]. 例如，可以通过使用具有更高拉伸强度的线材来提高断裂强度。 然而，该目标也受到 DIN EN 12385[8] 要求的限制，该标准规定最大线材抗拉强度为 1770 N/mm2。
超越极限
如果超出 EN 81-1 或 DIN EN 12385-5 的规定限制，则需要型式检验证书，该证书必须由独立测试机构（即所谓的公告机构）颁发。 任何此类符合性检验证书必须在综合测试的基础上确认，尽管违反规定，但可以安全地使用悬挂方式。
有两种主要的方法来证明或确认绳索的安全使用。 要么可以通过测试表明，尽管直径比减小，绳索仍将达到 600,000 次循环，并且可以可靠地识别报废年龄，或者，在减小直径比的情况下规定较低的操作循环次数并减少安全系数基于测试和统计分析。 这两种可能性都已存在型式检验证书。
使用第二种方法时，如果应用的安全系数低于 EN 81-1 规定的安全系数，则通过减少绳索的跳闸循环次数来适当注意安全方面。 为了保证符合此行程计数，电梯制造商必须采取额外措施来确保装置的安全运行。 型式检验证书规定安装一个行程计数器，在达到允许的行程次数后关闭该装置。 使用这种方法，25 的 D/d 比是可行的（EN 81-1 规定的最小 D/d 比为 40）。
这种类型的驱动滑轮直径减小是否合理可能值得怀疑。 根据过去的经验和各种疲劳寿命试验，已经确定降低 D/d 比会降低钢丝绳的使用寿命。 根据沃格尔[9]“将 D/d 值从 40 减小到 33……已经使绳索的使用寿命缩短了 2.5 倍。” Vogel 继续解释说，“对于一根 8×19 规格、纤维芯、标称直径 d = 12 毫米的填充绳……如果直径比从 D/d = 25 增加到 40，则在绳索安全系数 n = 12 的情况下，弯曲循环次数将增加约 8 倍。”
尽管在详细评估不同绳索结构的方式上确实必须有所区别，但从 Vogel 的研究结果得出的基本结论是，直径比 D/d 的不断减小显然等同于越来越短的使用寿命。 这意味着 D/d 比从 33 减少到 25 所减少的使用寿命是 D/d 比从 40 到 33 减少的两倍。 因此，根据 EN 81-1 要求的安全系数显着增加. 如果目标是最小化安全系数，那么这将不可避免地导致在电梯装置中安装行程计数器所涉及的额外成本。
在急于决定使用非常小且据称具有成本效益的牵引滑轮之前，应考虑以下方面： 减小滑轮的尺寸等同于降低扭矩。 同时，曳引轮以相同的电梯速度进行更多的旋转，导致滑轮温度升高。 与使用大滑轮时相比，每次绳索越过凹槽的相同区域的频率更高，这意味着磨损增加。 由于用于直径为 150 和 200 毫米的牵引滑轮的驱动系统通常具有相同的整体尺寸，因此不会节省安装空间。
对于 6.5 mm PAWO 819 W + IWRC 和 6.0 mm PAWO F3 绳索，Gustav Wolf 拥有型式检验证书，证明它们可用于直径 ≥ 200 mm 的滑轮，无需额外的成本密集型安装措施。 为了获得这些型式检验证书，针对最坏情况进行了全面的弯曲寿命周期测试。 绳索在具有 98° 底切角的底切圆槽和具有 40° V 形槽的 V 形槽中进行测试。 疲劳弯曲试验的安全系数为 12。在这两种情况下，都清楚地确定了绳索的报废年限，因此跳闸次数超过了 600,000 次的阈值。 根据 DIN 15020[10] 或根据 ISO 6[4344]，钢丝绳直径减少 11% 以上后，根据允许的断线次数确定报废年龄。 众所周知，更“绳索友好”的凹槽中的行程次数会增加。
根据 Feyrer 的说法，这从弯曲周期系数 fN3 中也很明显（图 1）。 因此，绳索也可用于底切角 ≤ 98° 的凹槽和 V 形凹槽 ≥ 40° 的凹槽。 在直径为 200 毫米的滑轮中运行在圆形凹槽中的绳索实现的行程次数远高于在异形凹槽中运行的绳索。 即使带圆槽的滑轮直径小于 200 毫米，在达到报废年龄之前也可以达到 600,000 次以上的弯曲循环。
结语
在规划电梯安装时，必须仔细考虑影响成本的所有因素。 紧凑安装的趋势降低了采购成本。 同时，采用较小的曳引轮会降低钢丝绳和曳引轮的使用寿命。 绳索和滑轮之间的这种相互作用必须考虑到规划过程中。 否则，由于需要进行后续修改，电梯安装将变得更加昂贵。
如果采用细绳的电梯装置不符合EN 81-1标准的限值要求，则必须通过满足型式检验证书的要求来弥补。因此，关于细绳是否适用于电梯装置的答案应该是：是的，但是……讨论的重点不仅应放在成本节约和最小化上，还应放在电梯装置的安全运行上。
案例
[1] DIN EN 81-1:1998+A3:2009(D)
[2] Feyrer, K. Drahtseile – Bemessung, Betrieb, Sicherheit Springer, Auflage, 2000, S. 265-268
[3] Singenstroth，S. Drahtseile leben begrenzt Sonderdruck aus Drahtwelt，Vogel-Verlag，9/1981
[4] Schiffner, G. EN 81-1 Anhang N：Die Ermittlung des Sicherheitsfak-tors von Tragseilen Lift-Report, Heft 2/2000, S. 52
[5] Wolf, E., Franz, A. Seilentwicklung für Aufzugsanlagen Lift-Report, Heft 5/2005, S. 28-32
[6] Wolf, E.、Franz, A.《电梯绳索开发》，《电梯世界》，2006 年 122 月，第 126-XNUMX 页
[7] Wolf, E., Franz, A. Weiterentwicklung erprobter Tragmittel im Aufzugsbau Lift-Report, Heft 2/2009, S. 26-32
[8] DIN EN 12 385-5:2002/AC: 2005(D)
[9] Vogel，W. Quo Vadis Seillebensdauer，电梯报告，Heft 5/2007，
第 54-59 页
[10] DIN 15 020 布拉特 2:1974
[11] ISO 4344:2004
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