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电梯曳引钢丝绳磨损报废的思考
(2013-01-22 08:32:37)
一、事情的起因
2012年7月我公司对所辖设备进行了设备现状梳理和安全隐患排查，发现了一些问题，深入分析问题根本原因，并且针对各问题的处理方式进行了讨论。其中一项关于3号航站楼前厅某电梯曳引钢丝绳报废的问题，引起很大争议。争议的焦点是该电梯曳引钢丝绳无断芯、断丝、断股的情况下，其钢丝绳实测直径相对于公称直径减小7％报废还是减小10%报废。原来没有针对此问题深入研究过，查阅了相关标准，确实存在多个标准不一的情况，引起了我对电梯曳引钢丝绳报废标准新的思考。
二、相关标准
关于电梯曳引钢丝绳报废的标准或相关标准有几个，我查阅一下，主要相关标准有如下几个：
●《电梯用钢丝绳》GB 8903-2005
该标准包含了钢丝绳技术要求、检查与试验、检验规则等详细内容，但是没有包含电梯用钢丝绳报废的相关内容。
其前一版本GB 8903-1988中也没有类似内容。
●《电梯制造与安装安全规范》GB 7588-2003
该标准包含了电梯制造与安装的安全、定期检验、冲击试验、曳引力计算等详细内容，但是也没有包含电梯用钢绳报废的相关内容要求。
其前一版本GB 7588-1995中也没有类似内容。
●《电梯、自动扶梯和自动人行道维修规范》GB/T 18775-2009
该标准同样没有关于电梯用钢绳报废的相关内容要求。
这与2002年07月15日发布的其前一版本GB/T 18775-2002的内容相差甚多。在GB/T 18775-2002（当时名称叫电梯维修规范）中有明确的钢绳报废标准，其9．1．2 b)规定中明确“钢丝绳严重磨损或锈蚀，造成实际直径为公称直径 90％及其以下时”，钢丝绳应更换，且所有曳引钢丝绳应同时更换。
●《起重机钢丝绳保养、维护、安装、检验和报废》GB/T 5972-2009
该标准3.5.7中， 由于绳芯损坏引起钢丝绳直径减小的钢丝绳报废规定明确“这些因素引起阻旋转钢丝绳实测直径比钢丝绳公称直径减小3％，或其他类型的钢丝绳减小10%，即使没有可见断丝，该钢丝绳也应报废。”该标准3.5.8中的规定更为明确“由于外部的磨损使钢丝绳实际直径比其公称直径减小7％或更多时，即使无可见断丝，钢丝绳也应报废。”
其前一版本GB/T 5972-2006的3.5.6和3.5.7也有类似的明确规定。
●《电梯督检验和定期检验规则-曳引与强制驱动电梯》TSG T7001—2009
该标准的附件A中，5.1的③项目中明确规定“磨损后的钢丝绳直径小于钢丝绳公称直径的 90％。”悬挂钢丝绳和补偿钢丝绳应当报废。
但是该标准与其前一版本即2002年1月9日发布的《电梯监督检验规程》的规定有区别，原2002版的规定附件2中5.1明确“当钢丝绳公称直径减少7%时，即使未发现断丝，该绳也应报废。”
●《电梯安装、改造、重大维修和维护保养自检规则》DB11/420-2007
该标准的表C.2-北京市电梯定期自检项目记录的5.1.3明确规定“钢丝绳公称直径减少7%时应报废。”
这几个标准中明确钢丝绳磨损报废直径数值的两个即减少7%和减少10%，到底以哪个为准？单就标准数据的专业性、权威性而言，本人认为《起重机钢丝绳保养、维护、安装、检验和报废》GB/T 5972-2009比其它几个标准更科学、更严谨。通读几个标准下来也能够明显的感觉到，GB/T 5972对钢丝绳直径减少原因的表述更为重视，以及对钢丝绳的受力分类也较为明确，这也正是本人所推崇的。当然，这不是简单的哪个标准权威的问题，也不是哪个机构管理或者隶属关系的问题，而是从技术角度客观的解析各个标准的由来和制定标准的初衷，以及哪个标准更符合我们所指设备的实际情况。以下从技术风险角度和设备实际情况角度逐一进行分析。
三、曳引钢丝绳磨损后引发的技术风险分析
曳引钢丝绳不仅是承受载荷的关键部件，同时电梯还依赖其与曳引轮之间的摩擦力(曳引力)保证电梯安全运行。曳引钢丝绳磨损后直径变小，引发的技术风险问题主要有三个方面：1是，对悬挂系统安全系数的影响。2是，对产生曳引力的曳引条件的影响。3是，设备状况突变的影响。
1、曳引钢丝绳磨损后直径变小对悬挂系统安全系数的影响
曳引钢丝绳磨损后直径变小导致其强度降低，即会引起其抗破断能力下降，从而使得电梯的悬挂系统安全系数下降。至于抗破断能力下降多少？或者安全系数下降到什么程度还能够满足标准的要求？这些是难题。《电梯制造与安装安全规范》GB7588-2003的附录N中有关于安全系数的计算和选择标准。最小安全系数的计算公式非常复杂，好在GB7588-20033的附录N中给出的是图表。是否意味着安全系数是大量试验的结果或者经验积累的结果？在其它相关文献资料里也没有查到更有说服力的相关数据。我们只能相信是试验或者经验积累的结果，因为我们无法做大量的试验来考证。就数据的权威性而言，我相信GB/T 5972-2009更科学。其实也没有必要在对安全系数的影响上较真，因为本人认为钢丝绳磨损后直径变小无论是7%还是10%对于安全系数的影响差别太小了。或者说对于安全系数影响的重要性远没有以下两个影响的更为重要。
2、曳引钢丝绳磨损后直径变小对曳引条件的影响
曳引力的计算和曳引条件在《电梯制造与安装安全规范》GB7588-2003中有详细规定。GB7588-2003的附录M中，曳引力计算用到如下两个公式：
12 T1T2鈮fa'> 和 12T2T1鈮fa'>
其中f：当量摩擦系数；α：钢丝绳在绳轮上的包角；T1，T2：曳引轮两侧曳引绳中的拉力。
假设以上公式同样适用于钢丝绳磨损状态的的曳引力计算。则电梯未改变轿厢和对重重量的情况下，曳引力是否发生变化主要取决于当量摩擦系数f是否变化，因为包角α的变化可以忽略不计。
那么，当量摩擦系数f在钢丝绳磨损直径减小的过程中是怎样变化的呢？我们来计算一下。在GB7588—2003的附录M中有详细规定。我们的电梯绳槽采用的是常用的带切口半圆槽，其当量摩擦系数f的计算公式如下：
12f=渭4锛?/m:t>cos纬 2-sin尾2锛?/m:t>蟺-尾-纬-sin尾+sin纬'>
其中μ：摩擦系数；β：下部切口角度；γ：槽的角度。
假设电梯初始状态为：μ取值0.2，γ取值40度，β取值95度。
我们的电梯钢丝绳直径为10 mm，分别按照减少7%和10%作图。作图可知：钢丝绳直径减小的过程中，在未接触到切口槽下根部的情况下，γ逐渐减小，趋近于0，β逐渐由90度向180度增大。并且直径减小7%时，β接近106度。直径减小10%时，β明显大于106度接近110度。在GB7588—2003的附录M中明确“β的数值最大不应超过106度”。因此可以得出结论：我们电梯钢丝绳直径磨损至相对于公称直径减小10％时，其下部切口角β 已经不符合《电梯制造与安装安全规范》GB7588—2003附录M中的要求。
按照上述公式，结合β和γ的角度变化趋势，采用三角函数变换或者采用试数方法计算当量摩擦系数f。即钢丝绳直径没有磨损时，到磨损减小7%时，再到磨损减小10%时各情况下的当量摩擦系数f。得出β由95度~110度增大，γ由40度~接近0度减小，当量摩擦系数f逐渐增大，也就是曳引力逐渐增大。
曳引力过大会带来什么影响呢？曳引力过大可能引起钢丝绳曳引条件不满足。在GB7588—2003的9.3中明确“钢丝绳曳引条件应满足以下三个条件”,其中一个条件就是“当对重压在缓冲器上而曳引机按电梯上行方向旋转时，应不可能提升空载轿厢”。
为什么会有这么一个条件呢？不满足这个条件会带来什么影响呢？答案是：影响后果很严重！当对重压缩缓冲器或轿厢或对重运行时受阻时，曳引绳和轮间应打滑，从而避免轿厢或对重被进一步提升。如果曳引电动机没有及时断电，同时曳引力过大，曳引绳和轮间不打滑，造成轿厢或对重被提升，而后突然坠落或持续震荡冲击甚至崩断曳引钢丝绳。当然，我们电梯设计时都设计了电机运转时间保护功能，但除此之外没有其它任何电气安全装置动作，则驱动电机的电源不能及时切断。况且，本人认为所有的保护功能中只有机械保护是最可靠、最重要的，其它所有电气保护都不应该取代机械保护。
3、曳引钢丝绳磨损后直径变小对设备状况突变的影响
电梯曳引钢丝绳悬挂系统的安全系数要求很高，但仍要防范该安全系统突然崩溃或短期内急剧恶化的情况发生。正如上文所述，“β的数值最大不应超过106度”就是具体防范措施之一。而且大多厂家带切口的半园槽曳引轮无特殊要求，初始设计值大多数为95度，个别最大情况为96．5度。
还有，曳引钢丝绳直径磨损变小后半圆槽中切口角变大，半圆槽中切口角越大，曳引钢丝绳所受的比压相对增大。比压增大必然会加大曳引钢丝绳的磨损速度，而且磨损速度会有加剧变化的趋势，从而存在着使钢丝绳短期内突变造成破坏风险。根据如下比压的公式：
12p=TndDX8cos尾2蟺-尾-sin尾'>
其中，许用比压[P]≤ (12．5+4Vc)／ (1+Vc)。
有人计算出，曳引钢丝绳磨损量还未达到公称直径7％时，比压就早已超出了许用比压的的许用范围。此处没有计算，但是大量的实际例子和数据可以证明，实际使用中大多数钢丝绳磨损未到公称直径7％或更多前断丝断股现象频发，磨损速度变化加大。虽然磨损速度变化的具体变化曲线尚不明确，但是钢丝绳短期内磨损突变，造成钢丝绳破坏的风险是明确的。
四、实际使用情况分析
通过上面的讨论，已经知道目前几个主要标准的相关规定，也知道了曳引钢丝绳磨损后引发的几个技术风险。下面再结合设备实际情况予以讨论。
大家都知道设备的使用寿命与设备的使用环境和使用频次关系密切。我们所讨论的是位于首都机场3号航站楼内前厅的一部电梯，该梯已经运行4年半，运行时间不长，但几乎是每天20小时以上不停运，人是一波接一波，总是有人乘坐，其使用频次明显高于一般住宅楼或办公楼的电梯。列了一张和普通电梯比较的运行数据表，具体如下：
设备
启用时间
目前启动总次数
月均启动次数
综合楼A1电梯
（普通梯）
2009年6月
480224
13339
T3C前厅CBL20电梯
（所讨论的电梯）
2008年1月
4000000
95238
表中数据得知，T3C前厅电梯的使用频次是综合楼电梯使用频次的7倍多。仅就钢丝绳磨损一项而言，前厅电梯曳引钢丝绳磨损后直径减小超过8%，而综合楼电梯曳引钢丝绳磨损后直径减小不到3%。而两部电梯的型号、重量等主要参数，以及钢丝绳和滑轮的材质等都是一样的，可以认为其钢丝绳直径减小的直接原因就是使用频次不同。在多数的统计曲线或者教科书里钢丝绳和滑轮的磨损量曲线多是以磨损次数为横坐标，都说明了使用频次对设备状况的影响是非常直接和明显的。另外，该前厅电梯非常重要，一旦故障或者事故，影响程度也可以想象。
上述实际情况说明什么？说明我们的这部设备是不容许带着任何已经明确的风险去运行的。那么我们何必纠结于减小7％报废还是减小10%报废呢。设备投入和设备风险总是很难分家的。
综全文所述，本人认为电梯曳引钢丝绳磨损到什么程度需要更换，应结合钢丝绳的结构、直径变小因素、曳引条件变化、比压变化等多方面进行判断，尤其结合设备运行状况和风险承受状况判断，在没有更科学更明确的电梯钢丝绳报废标准出台以前，针对电梯常用的结构8 X 19S+NF而言，允许最低报废标准最好规定为：钢丝绳磨损后相对于公称直径减小7％时应报废。更重要的是各制造厂家和维保厂家应针对各自产品的使用情况，做出相应钢丝绳更科学的报废规定。