基于ANSYS的电梯钢丝绳失效检测有限元分析

陈征宇 叶玉龙

（安庆市特种设备监督检验中心，安徽安庆246000）

0 引言

随着楼房高度的不断增加，对电梯的需求量也在不断增加。电梯出现故障会给人们的生命安全带来较大的安全隐患，据有关部门统计，电梯的故障类型中，由于钢丝绳出现的问题占据较大的比重。因此，为了提高电梯的可靠性和安全性，必须定期对电梯钢丝绳进行失效检测，及早排查电梯的安全隐患，保障电梯可以安全稳定运行。电梯钢丝绳有多种失效形式，例如：截面积变小，发生变形、断裂、磨损。在一些欧洲国家，已经制定了钢丝绳人工视觉检测和无损检测相结合的检测办法和相关标准，我国也制定了多种检测标准。

本文主要介绍几种常见的检测办法，并利用ANSYS有限元分析软件，对钢丝绳模型进行仿真研究，分析钢丝绳失效的原理，并提出一定的解决办法。

1 电梯钢丝绳失效检测方法

电梯钢丝绳无损检测有多种方法，如LF检测法、LMA检测法、弱磁传感器检测技术。

LF检测法主要是利用磁场的原理，当钢丝绳发生磨损、断丝、生锈等现象时，出现问题的部位就会发生磁场的变化，通过对磁场信号变化的监测，就可以判定钢丝绳是否失效。

LMA检测法主要是利用电磁学的原理，金属材料内部的磁通量和金属的面积呈一定的线性关系，当金属的面积发生变化时，其磁通量也会发生变化，由此可以判定钢丝绳是否出现问题。

随着我国科技水平的不断提高，弱磁传感器检测技术在电梯钢丝绳检测领域得到了广泛的应用，也在很大程度上推动了电梯钢丝绳检测技术的进步。其主要原理是通过传感器采集磁场信号，经过编码后输入计算机，然后对电梯钢丝绳出现问题的位置进行判断。这种检测方法效率相对较高，对保证电梯的安全运行发挥了非常重要的作用。

2 电梯钢丝绳受力数值仿真

2.1 模型建立与网格划分

本文主要以应用最多的小区住宅房的电梯钢丝绳为例，进行模型的建立和网格的划分，钢丝绳规格型号主要是采用8*19S+FC-8mm、8*19S+FC-10mm。为了简化仿真模型和减少网格的数量，本文主要以一根钢丝绳为计算模型，通过三维软件SolidWorks进行模型建立，并导入Workbench中进行仿真计算，采用mesh模块进行网格划分，由于钢丝绳的结构相对简单，因此采用结构化网格进行网格划分。网格划分完成后，节点数为38 026，单元数为8 355，对网格质量进行检查后可以发现，网格质量较好，可以保证模型计算精度。网格划分图如图1所示。

图1 模型划分网格

2.2 边界条件的设置

一般的高层住宅电梯可载十人左右，电梯自身的重量约为300 kg，乘客的重量约为700 kg，因此在电梯钢丝绳模型上施加10 000 N的拉力，电梯钢丝绳围绕滚轮转动，滚轮部分设置为固定的约束。钢丝绳的材料往往不仅是单纯的结构钢，经过加权处理后，对钢丝绳的材料属性进行设置。

2.3 求解计算

边界条件设置完成以后，即开始对钢丝绳进行受力分析，主要考虑钢丝绳的变形、应力，因此在求解结果中选择查看总应力、总变形、局部应力进行计算，如图2～图4所示。

图2 电梯钢丝绳应力云图

图3 电梯钢丝绳总变形云图

图4 电梯钢丝绳应力局部云图

由计算结果可以发现，应力集中主要发生在电梯钢丝绳和滚轮接触的地方，且拉动电梯的一侧要比配重的一侧应力集中更为明显，不考虑网格密度对结果的影响，可以认为此时的应力集中最大值为3 000 MPa。通过观察应力云图还可以发现，在钢丝绳与滚轮刚接触的地方应力集中较为明显，这种应力集中可能会导致钢丝绳在此处出现明显的磨损，滚轮在应力的作用下也较容易出现磨损，从而会影响电梯的安全运转，因此在对电梯钢丝绳进行检测时，应着重对以上描述的两个位置进行检测。通过观察电梯钢丝绳变形云图可以发现，电梯钢丝绳的变形较小，因此在电梯钢丝绳检测时，可以适当减少钢丝绳变形检测所占的比重。

模型设置的钢丝绳的直径为10 mm，为了仿真电梯钢丝绳磨损后的应力集中变化情况，将模型的直径改为9.2 mm，即模拟钢丝绳磨损0.8 mm后的应力集中情况。观察图5可以发现，电梯钢丝绳的直径变小以后，钢丝绳的应力集中情况更加严重，最大的应力值已经达到了4 600 MPa，由此可见，当电梯钢丝绳出现磨损后，更容易发生应力集中的现象，会进一步加剧电梯钢丝绳的磨损，从而影响电梯的安全稳定运行。

因此，在电梯检测的过程中，要重点检测电梯钢丝绳的直径，当发现钢丝绳磨损到一定的程度后，要尽早更换，防止意外的发生。

图5 电梯钢丝绳磨损后应力云图

3 电梯钢丝绳的润滑检测

一般情况下，新售的钢丝绳的润滑处理效果较好，在出厂前已经按照标准完成了校验，但电梯钢丝绳在使用的过程中润滑油脂会逐渐减少，当润滑油脂减少到一定程度以后，不仅会降低钢丝绳的防腐效果，而且会加剧钢丝绳的磨损，也会缩短钢丝绳的使用寿命。为了将钢丝绳的腐蚀、磨损的危害降到最低程度，必须对电梯钢丝绳的润滑进行定期检查。

4 结语

电梯的安全与人们的生活息息相关，因此在电梯钢丝绳检测的过程中必须坚持严谨认真的原则，尽可能减少电梯故障的发生，保障人们的出行和安全。在钢丝绳检测的过程中，要注重检测的钢丝绳的磨损、腐蚀和润滑，钢丝绳的磨损主要发生在钢丝绳与滚轮首先接触的位置，在应力集中较大的位置也较容易发生磨损。