牵引电梯：钢丝绳拉伸的比较研究

评估新装置中的现象和预期

由于相关技术的指数增长以及对垂直运输实现更高上升的渴望， 应在牵引电梯中更仔细地研究钢丝绳的机械特性及其在负载下的行为。 在这种情况下，负载下钢丝绳长度的增加是最值得注意的现象之一。

学习目标

阅读本文后，您应该了解：
♦ 钢丝绳的膨胀特性
♦ 钢丝绳拉伸的类型及其原因
♦ 如何计算施加在钢丝绳上的载荷
♦ 如何计算和利用钢丝绳的弹性模量
♦ 钢丝绳的构造和成分如何影响其弹性特性

钢丝绳的纵向膨胀是安装人员的困惑之源，给他们带来了困难。 这种现象在几种情况下变得更加重要，例如：

1. 由于结构拉伸，初始安装时绳索缩短
2. 在装载或卸载过程中调整轿厢以确保着陆时的调平精度。^[1]

需要注意的是，由于钢丝绳是弹性件，在负载下可能会变长。 它的扩展特性和长度的增加有两个来源：

1. “其金属部件的固有弹性”
2. “其线材、股线和芯线的压实过程。”^[2]

因此，钢丝绳的纵向膨胀分两个阶段发生：

1. 结构拉伸或初始拉伸（永久）
2. 弹性拉伸或伸长（临时）

此外，绳索的长度增加还有其他来源，这是电梯行业范围之外的主题的影响。 他们将在本文的末尾简要讨论。

结构拉伸

第一次向钢丝绳施加载荷后，立即发生结构拉伸。 在这种情况下，线材和股线被压缩或拉到一起，组装的线材发生卧铺，股线相对于芯线沉降，芯线被压缩，使所有绳索元件更紧密地接触。

结果是直径相应减小。 这种直径的减小会导致钢丝绳的长度过长并拉长了钢丝绳。 当相邻钢丝上形成的轴承区域足够大以承受周向压缩载荷时，直径的减小就会停止。 因此，这种类型的长度增加会被解雇，这反过来又会开始弹性拉伸。 [2-5 & 7]

结构拉伸的实际测量受许多因素的影响，最重要的是钢丝绳的结构和施加的载荷范围，以及电梯的占空比。

钢丝绳本身的构造取决于以下因素：

1. 纤芯类型（纤维或钢）
2. 钢丝绳类（股数，如6×19、8×19、6×25等）
3. 钢绞线施工（沃灵顿、西尔、填料）
4. 铺设长度
5. 材料（结构钢的抗拉强度）^[2-5]

例如：

“八股 [钢丝] 绳的芯径平均比六股 [钢丝] 绳的芯径大 22%。 八股 [钢丝] 绳索的结构拉伸约大 50%。 至于芯类型的影响，带有 IWRC 的六股 [钢丝] 绳的结构拉伸约为六股纤维芯 [钢丝] 绳的一半 (50%)。”^[2]

和：

“[Wire] 具有钢丝股芯 (WSC) 或独立钢丝绳芯 (IWRC) 的钢丝绳比具有纤维芯 (FC) 的钢丝绳具有更小的结构拉伸。 原因是钢不能像纤维芯那样压缩。”^[4]

钢丝绳的结构拉伸还取决于它运行时的载荷范围（显示为最小断裂载荷的百分比）：施加的载荷越大，产生的拉伸越大。 正如美国钢铁协会 (AISI) 钢丝绳生产商委员会所写：

“当结构拉伸在 20% 的负载下达到最大值时，弹性部分将保持几乎直线直到 65% 左右。 因此，作为长度的 [百分比]，总拉伸比从 0% 到 20% 大，因为结构拉伸的贡献很少超过 20%。”^[2]

最重的施加载荷是当轿厢静止在最低层站时，其额定载荷包括空轿厢的质量和轿厢支撑的部件，即随行电缆的一部分、补偿绳索/链条（如果有）以及钢丝绳的重量。 在这种情况下，补偿绳/链条的主要部分位于配重侧，可以忽略。 另一方面，钢丝绳的结构拉伸也会受到其重量的影响。 在高层建筑中，钢丝绳的固有重量很重要，它也会影响结构拉伸的实用价值。^{[1, 5, 6 & 7]}

施工拉伸发生在电梯投入使用的早期（最初几周），并在一段时间后停止。 这是一个永久的、不可逆的过程； 它无法精确计算并且没有弹性。 为了补偿这种纵向膨胀并保持轿厢/配重和缓冲器之间所需的间隙，有必要在安装后通过松弛和重新调整钢丝绳末端来缩短钢丝绳。 对钢丝绳施加大于其工作载荷但不超过其弹性极限的载荷的预拉伸操作可以显着降低钢丝绳的结构拉伸。^{[1-3, 5 & 7]}

由于无法计算各种类型钢丝绳的结构拉伸的确切值，因此大多数制造商将其定义为负载下钢丝绳长度的百分比。 根据制造商的能力、生产技术和设备、原材料质量等，钢丝绳的拉伸行为可能会有很大差异。^{[1、5 和 6]}

下面的例子给出了一些关于不同类型钢丝绳结构拉伸测量的概念。 首先，来自 BRIDON 石油和天然气公司：“无法为使用中的 [钢丝] 绳索的各种结构引用准确值，但可以使用以下近似值来给出合理准确的结果。”^[5]

在另一个参考中：

“无法确定用于确定结构拉伸的确定值，因为它受多种因素的影响。 下表给出了一些大致的拉伸量作为绳索在负载下的百分比。”^[4]

这些数量基于 AISI 钢丝绳用户手册中规定的值。

CIMAF 指出，“在传统钢丝绳上，它的值大约在负载钢丝绳长度的 0.5% 到 0.75% 之间变化。”^[3] 在另一个来源：

“具有纤维芯的 6×19 级绳索的结构拉伸 (0.45-0.75%) 比具有纤维芯的 8×19 级绳索 (0.55-1%) 略低。 对于 IWRC，该值取决于各自的绳索结构，通常介于 0.15% 和 0.35% 之间。”^[1]

此示例描述了测量程序：

1. “为了对齐绳索，绳索被夹紧并加载小于最小断裂载荷 (MBL) 的 2%。
2. 绳索加载 10% 的 MBL，然后卸载 2% 的 MBL。
3. 绳索在 MBL 的 2% 到 10% 之间加载和卸载 XNUMX 次。
4. 评估在第 10 条负载曲线中进行。”^[8]

此外，有人引用了各种类型钢丝绳的实验值，以简化对结构拉伸缩短调整的测量：“根据经验，钢丝绳的结构拉伸约为每 3.5 m 钢丝长度 1 mm绳索。”^[7]

弹性拉伸

弹性拉伸是钢丝绳长度的临时变化，由装载或卸载汽车期间施加的额外力引起。 当发生弹性拉伸时，钢丝绳长度变化与载荷范围变化之间的关系由下图所示的虎克定律描述。^{[7、9 和 10]}

              

其中δ是载荷下的弹性拉伸量，单位为毫米； T 是施加在钢丝绳上的总力，单位为牛顿； L——钢丝绳的初始长度，毫米； A——钢丝绳截面积，平方毫米； E——钢丝绳的弹性模量，牛顿/平方毫米； n是钢丝绳的数量。

公式 1 中包含三个因素，应详细讨论：第一个是钢丝绳的横截面积，其他是总施加力和弹性模量。

钢丝绳截面积

如果我们仔细观察钢丝绳的横截面积，我们会发现钢丝绳中的大部分外接面积都没有使用。 因此，不能直接确定钢丝绳的截面积（使用其公称直径的平方）。 钢丝绳的截面积（或更具体地说，计算出的钢丝绳的金属截面积）是“[钢丝]绳中钢丝的金属截面积之和基于它们的公称直径”，可以这样表示：^[11＆15]

其中δ为钢丝绳中每根钢丝的直径，单位为毫米。

我们现在定义一个替代参数：钢丝绳的标称金属横截面积（A），它是“标称金属横截面积系数与标称[钢丝]绳直径（d）的平方的乘积” ”： ^[11＆15]

标称金属横截面积系数 (C) 是“从填充系数得出并用于计算以确定 [钢丝] 绳索的标称金属横截面积的系数”。 纤维芯钢丝绳的公称金属截面积系数用C1表示，钢芯钢丝绳用C2表示。 它由以下等式定义： ^[11＆15]

其中填充因子 (f) 是“[钢丝]绳（A）中所有钢丝的标称金属横截面积之和与[钢丝]绳的外接面积（Au）之比，基于其公称直径 (d)”：^[11＆15]

为了计算，确定钢丝绳截面积最简单的方法是使用钢丝绳的公称金属截面积（A），它需要钢丝绳公称直径（d），如以及标称金属横截面积系数 (C)。 这个最近的因素是从制造商的数据表中获得的，但如果那里没有提到，下表可以作为计算的参考：^[11-15]

计算施加到钢丝绳的载荷

要确定哪些质量（力）在方程 1 中起作用，我们应该首先参考弹性拉伸的概念。 电梯系统工程解释说：“弹性拉伸发生在绳索的整个生命周期中，描述了随着电梯轿厢装载和卸载，绳索长度的临时增加或减少。”[9] 因此，钢丝绳的弹性拉伸取决于仅在额定载荷上，尽管有电梯相关的计算（如牵引力评估、安全系数等），但在计算钢丝绳的弹性拉伸时，没有考虑空轿厢质量引起的力和汽车支撑的部件，也没有钢丝绳的重量。 这是因为它们永久悬挂在钢丝绳上，并且在其结构拉伸中已经考虑了它们的影响。 根据这些解释，施加在钢丝绳上的总力 (T) 将为：

式中Q为电梯额定载荷，kg； i 为电梯的绕线系数； gn 是自由落体的标准加速度，单位为米每秒的平方。

弹性模量 (E)

弹性模量描述了固体材料在机械应力作用下的弹性行为。 在屈服点之前，钢丝绳仍处于弹性变形区域时，其弹性拉伸与施加的载荷成正比； 因此，它将像线性弹簧一样起作用，并且可以确定其弹性模量。 弹性模量，也称为杨氏模量，是线性弹性部分中沿轴的应力 (σ) 与沿该轴的应变 (ε) 的比值，其中胡克定律在其中成立应力-应变曲线。^[10＆16]

长度的增加显然取决于钢丝材料的弹性模量，但描述钢丝绳弹性拉伸行为的钢丝绳弹性模量由于横截面结构而不同于钢丝的弹性模量的钢丝绳。 钢丝绳的应力-应变曲线是非线性的，取决于拉伸应力，因此取决于施加在钢丝绳上的载荷。^[16]

由于指定弹性模量的方法有多种，在测量量上产生很大差异，因此 ISO 12076:2002 是确定钢丝绳模量的统一测试方法。 在这种情况下，施加相当于最小断裂载荷 10% 的载荷，连接引伸计并归零，然后测量标距 (li)。 钢丝绳的载荷逐渐增加到最小断裂载荷 (F10%) 的 10%，并记录引伸计读数 (x10%)。 接下来，将负载增加到不大于最小断裂负载 (F30%) 的 30% 的值，并记录引伸计读数 (x30%)。 根据虎克定律，弹性模量 (E) 使用公式 7 计算：^{[1, 8, 10 & 17]}

其中Ac为计算得出的钢丝绳金属截面积，单位为平方毫米； 升_i ——试件的初始长度，单位为毫米； x10% 是 F10% 处的引伸计读数，单位为毫米； x30% 是 F30% 处的引伸计读数，单位为毫米； F10%是以牛顿为单位的最小断裂载荷的10%； F30%是以牛顿为单位的最小断裂载荷的10%。

请注意，“同样重要的是，要认识到钢丝绳不具有正常的弹性模量，而是具有“明显”弹性模量，可以在固定负载之间确定。 这被称为 [钢丝] 绳索模量。”^[17] 例如，图 1 提供了根据上述方法的测试结果，作为常规和朗捻之间的比较，表明使用朗捻结构的钢丝绳具有更高的弹性拉伸。^[1] CASAR Drahtseilwerk Saar GmbH 展示了 8×19 FE 的弹性模量与其自身产品的弹性模量之间的比较（图 2）。

这些数字清楚地表明，弹性模量因不同类型的钢丝绳、采用不同的结构制造并由不同的制造商生产而有所不同。 这里的一个复杂问题是：

“钢丝绳的弹性模量在其使用寿命期间会增加，这取决于其结构和运行条件，例如所施加载荷的强度、恒定或可变、弯曲和承受的振动。 新的或未使用的 [钢丝] 绳索的弹性模量较小，对于使用过的或新的预拉伸 [钢丝] 绳索，弹性模量增加约 20%。”^[3]

然而，钢丝绳弹性模量的值明显比钢的弹性模量小得多。 此外，由于钢丝绳的螺旋状形状以及与实心杆的弹性模量相比，该量是非线性的。 当它发生在结构拉伸中时，弹性模量随着载荷而增加。 施加的载荷越大，弹性模量就越高。 因此，许多制造商会根据钢丝绳的最小破断载荷说明其产品的弹性模量，或将其表示在图表上。^{[2, 4-6, 8 & 9]}

以下示例显示了各种类型钢丝绳的弹性模量值。 AISI 提供了一些钢丝绳的近似弹性模量：^[2]

请注意，上述度量单位为牛顿每平方毫米。 值从英制转换为公制后四舍五入。

根据 CIMAF，“新钢丝绳通常结构的近似弹性模量：”^[3]

另一个消息来源解释说，从最小断裂载荷的 20% 到 6%，带纤维芯的 19×74,500 绳的弹性模量是 2 N/mm93,100，带 IWRC 芯的 2×6 绳的弹性模量是 19 N/mm21。 如果施加的载荷变化为最小断裂载荷的 65-82,700%，则弹性模量分别为 2 N/mm103,400 和 2 N/mmXNUMX（适用于新钢丝绳）。^[4]

其他一些来源引用 103,000 N/mm2 作为具有 IWRC 芯的 6×19 级绳索在 20% 的最小断裂载荷下的弹性模量。 [5] 根据 Gustav Wolf Seil- und Drahtwerke GmbH & Co. KG 的说法：

“下图显示电梯设计中的典型负载范围在 [钢丝] 绳索最小破断力的大约 10% 到 XNUMX% 之间变化。 . . . 与增加的负载范围相比，在此负载范围内建立的 E 模量通常较低，而每个负载增量的预期伸长率会更高。”^[8]

最后：

“根据 Schweizerische Seil-Industrie AG 的说法，钢丝的弹性模量为 196 kN/mm2，并且因钢丝绳而异：

1–1.25 × 105 N/mm2 用于钢芯绞合钢丝绳，0.7–1 × 105 N/mm2 用于带纤维芯绞合钢丝绳。”^[18]

由于各种钢的弹性模量值是通过实验获得并在工程材料手册中列出的，忽略了不同成分和先前处理在190和220 GPa之间变化的影响，钢丝绳的较小弹性模量由上述引文显示。

此外，这些引文表明，为所有类型的钢丝绳考虑弹性模量的狭窄限制是不合理的。 关于钢丝绳结构的显着变化，不可能为所有钢丝绳定义一个唯一的弹性模量来准确估计弹性拉伸，确定钢丝绳每米的膨胀与特定应用在规定的时间段后或在其使用寿命结束时加载。 任何可靠的设计、计算或分析都应基于制造商提供的数据。^[5＆19]

拉伸的其他来源

实际上，可能还有其他拉伸来源。 一种是在施加负载时 - 钢丝绳倾向于绕其自身轴旋转的结果。 在这种情况下，由于使用转环或由于负载围绕钢丝绳的轴线旋转，股线会旋转并自行解开，从而导致钢丝绳变长。 由于钢丝绳的末端固定在轿厢/对重上，这种扩展超出了本文的范围。 [2 & 4]

此外，当施加的载荷超过屈服点时，会发生非弹性永久拉伸（塑性行为）。 一旦超过屈服点，施加的载荷的任何增加都会导致更大的永久拉伸，直到钢丝绳因断裂而失效。 由于曳引电梯中的吊索设计的安全系数至少为 12（不应小于根据 EN 81-50 计算的值），因此长度的增加是无法实现的。 最后，应注意钢丝绳的热膨胀。 在小温度范围内，热膨胀的线性特性导致长度变化，与初始长度和温度变化成正比。 钢丝绳的线性热膨胀可表示为：[5]

其中 ∆l 是钢丝绳的膨胀量，单位为毫米； li 为初始钢丝绳长度，单位为毫米； ∆T 是以摄氏度 (°C) 为单位的温度变化； α 是线性膨胀系数 (1/°C)。

结语

在选择钢丝绳作为电梯的主要部件时，除了安全系数、绕绳系数、安装类型、使用寿命以及根据滑轮槽的几何形状选择正确的结构外，还应评估钢丝绳的拉伸性能. 由于钢丝绳的结构拉伸行为不成比例，因此无法计算。 同样，胡克定律没有估计钢丝绳的准确弹性拉伸，因为它的弹性模量无法精确测量。 这些特性不仅因不同类型的钢丝绳而异，而且还取决于安装因素（如容量、空车及其支撑部件的质量、行程等）。 因此，制造商应说明钢丝绳的拉伸量（结构或弹性）。

承认

这篇论文得到了 Shirin Sadat Safavi 和 Amir Reza Hashemi 的支持。 作者感谢他们的洞察力和专业知识。

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 www.elevatorbooks.com 或在第本期第119期。
♦ 对结构拉伸的实际测量最重要的影响因素是什么？
♦ 钢丝绳上的载荷如何影响其结构拉伸？
♦ 钢丝绳承受的最大载荷是什么？
♦ 评估结构拉伸的正确钢丝绳测量程序是什么？
♦ 什么是胡克定律，它的用途是什么？

案例
[1] Scheunemann, W.；Vogel, W.' 和 Barthel, T.“牵引电梯用钢丝绳：第三部分”，《电梯世界》，2009 年 XNUMX 月。
[2] 美国钢铁协会，钢丝绳生产者委员会。 钢丝绳用户手册，第 4 版，华盛顿，2005 年。
[3] CIMAF。 钢丝绳：技术手册，2013 年 XNUMX 月 (www.cimafbrasil.com.br)。
[4] Hanes Supply Inc. “Wire Rope 101” (www.hanessupply.com)。
[5] BRIDON 石油和天然气。 “钢绳技术信息”（www.bridon.com/uk/oil-and-gas-ropes）。
[6] CASAR Drahtseilwerk Saar GmbH。 “特殊钢丝绳：技术文档”(www.casar.de)。
[7] Fasihi, I.; 哈希米，O。 和 & Nasiri, A. 电梯和自动扶梯综合指南，卷。 II，第 2 版，德黑兰：Nowavar，2013 年。
[8] Gustav Wolf Seil- und Drahtwerke GmbH & Co. KG。 “电梯绳索和配件”（www.gustav-wolf.de）。
[9] Andrew, JP 和 Kaczmarczky, S. 电梯系统工程， Elevator World, 公司, 2011.
[10] Rheinberger, SJ “在电缆堆放中选择钢丝绳设计因素”，俄勒冈州立大学，1992
[11] EN 12385-2:2002+A1:2008。 “钢丝绳 — 安全 — 第 2 部分：定义、名称和分类。”
[12] EN 12385-4:2002+A1:2008。 “钢丝绳 — 安全 — 第 4 部分：用于一般起重应用的绞合绳索。”
[13] EN 12385-5:2002。 “钢丝绳 — 安全 — 第 5 部分：电梯用绞绳。”
[14] ISO 4344:2004。 “电梯用钢丝绳——最低要求。”
[15] ISO 17893:2004。 “钢丝绳——词汇、名称和分类。”
[16] Feyrer, K. 钢丝绳：张力、耐力、可靠性，柏林，通用电气：斯普林格，2007
[17] ISO 12076:2002。 “钢丝绳——实际弹性模量的测定。”
[18] Janovsky, L. 电梯机械设计，第 3 版， Elevator World, 公司, 1999.
[19] 剑桥大学工程系。 材料数据手册，2003 年版。