電梯曳引輪的防脫改進設計探討

由于節能、環保等優點，現在越來越多的電梯采用無齒輪永磁同步曳引機，大部分永磁同步曳引機的曳引輪安裝在曳引機軸的懸臂端上。由于電梯轎廂上上下下運行，曳引輪需頻繁正反轉，電梯運行不得有異常聲響和震動，所以曳引輪和曳引機軸不能有相對運動，相互間需過盈配合連接。目前，曳引輪和曳引機軸采用較多的連接方式有：圓柱面過盈配合連接和圓錐面過盈配合連接。由于曳引繩槽磨損、曳引機軸承損壞等原因，需對曳引輪進行更換或拆裝，采用圓錐面過盈配合連接的曳引輪拆裝較為方便，但由于曳引輪和曳引機軸間的結合面是圓錐面，曳引輪受曳引繩動載荷作用時，會產生軸向分力，當制造或安裝不符合設計要求時，曳引輪存在脫出曳引機軸的風險。
1 事故概述
2017 年10 月，福建某小區1 臺電梯在從24 層向下運行過程中，運行到19 層時發生故障，轎廂出現短暫墜落現象后，電梯停止運行。到機房檢查發現，曳引鋼絲繩掛在地板和安裝曳引鋼絲繩繩頭的槽鋼上，曳引輪從曳引機軸脫落，掉在機房地板上，曳引機軸端蓋3 個螺栓全部斷裂，曳引機軸上僅剩3 個斷裂的螺栓（見圖1）。該電梯為永磁同步無齒輪電梯，額定載重量為800kg，速度為1.75m/s，28 層27 站27 門。

圖1 曳引機軸上3 個斷裂的螺栓
2 事故原因分析
事故電梯曳引機軸與曳引輪采用的是圓錐面過盈配合連接和平鍵正常連接組合連接方式。曳引輪安裝到位后，曳引輪和曳引機軸的徑向變形使配合面產生非常大的壓力，此壓力產生相應的摩擦力。摩擦力克服載荷在曳引輪圓錐配合面上產生的切向分力，使曳引輪保持軸向穩定狀態，此外還可傳遞曳引機軸的輸出轉矩。平鍵也可用于傳遞曳引機軸的輸出轉矩。端蓋通過3 個M10 螺栓固定在曳引機軸上，對曳引輪起到軸向定位作用（如圖2 所示）。

圖2 曳引輪裝配示意圖
事故電梯固定端蓋的3 個螺栓全部斷裂，其中2個螺栓斷口在靠近六角頭部的螺尾處，另外1 個螺栓斷口在靠近六角頭部的根部過渡處，斷裂位置均屬于應力集中區（見圖3）。斷面大部分區域較光滑（見圖4）。
從螺栓的斷裂位置和斷口可判斷，螺栓應是受到交變拉應力所引起的疲勞脆性斷裂。

圖3 螺栓斷裂位置   圖4 螺栓斷面
在正常情況下，即曳引輪和曳引機軸間的摩擦力足夠大時，螺栓僅承受預緊力作用，不至于疲勞斷裂，引起螺栓疲勞斷裂的交變拉應力從哪里來？經了解，該電梯在2017 年9 月在更換曳引機軸承過程中，曾對曳引輪進行過拆裝。由于當時曳引輪未安裝到位，曳引輪與曳引機軸壓力不夠大，產生的摩擦力不足以使曳引輪在曳引鋼絲繩動載荷的作用下長期保持穩定狀態。在電梯運行過程中，受曳引鋼絲繩動載荷的作用，曳引輪與曳引機軸有相對移位。由于曳引機軸與曳引輪是圓錐面連接，當曳引輪在曳引機軸上產生極微小的軸向移位時，曳引機軸與曳引輪間摩擦力便會顯著減小。當曳引機軸與曳引輪間摩擦力和螺栓預緊力之和小于曳引鋼絲繩載荷作用在曳引輪圓錐面的切向分力時，曳引鋼絲繩載荷作用在曳引輪圓錐面上的切向分力有部分通過端蓋作用于螺栓，使原本僅需承受預緊力的螺栓還要再承受交變的拉應力。隨著電梯轎廂上上下下地運行，曳引輪向曳引機軸端不斷地移位，曳引機軸與曳引輪間摩擦力不斷地減小，螺栓承受的交變拉應力不斷地增大。螺栓由于持續受到這樣的交變拉應力，經過一段時間后，引起疲勞，從應力集中處產生初始裂紋，裂紋隨后慢慢擴展，終使螺栓疲勞脆性斷裂。
3 曳引輪防脫設計改進建議
通過本案例分析可知，曳引輪與曳引機軸間的圓錐面過盈配合連接方式，對安裝精度和制造精度要求較高，當制造或安裝不符合設計要求時，產生的摩擦力不夠大，曳引輪受曳引繩動載荷作用，存在脫出曳引機軸的風險。曳引輪的脫出會直接導致轎廂接近自由落體的下墜，對乘客產生嚴重的傷害后果。
為消除曳引輪脫出風險，建議對本設計方案進行改進，保證曳引輪在任何情況下均不會脫出。改進后的曳引輪裝配示意圖見圖5，在曳引機軸上加工1 個圓環槽，2 個防脫定位環可通過螺栓或卡箍形式安裝在曳引機軸圓環槽上，用2 個頂緊螺栓頂緊防脫定位環，使防脫定位環頂緊曳引輪。這樣，當曳引輪與曳引機軸的摩擦力不足以使曳引輪保持軸向穩定狀態時，曳引輪向軸端移位，但由于會被定位環頂住，曳引輪不會脫出，不會造成安全事故。當曳引輪安裝完后，還可以在定位環、曳引機軸、防松螺母上做定位標記，以便能及時發現定位環與曳引機軸的相對軸向位移。

圖5 改進后的曳引輪安裝示意圖
4 結束語
電梯的安全運行事關人民生命財產安全，應盡可能地消除已知存在的安全隱患。建議電梯生產單位加強對采用類似事故電梯結構的曳引輪的檢查，確保在曳引輪松脫前及時采取措施。建議電梯設計單位改進此類曳引機的設計，確保曳引輪在任何情況下都不會發生脫出現象，避免類似事故的再次發生。