芳纶纤维绳在电梯技术中的应用与研究

周跃峰

（大庆市特种设备检验研究所，黑龙江 大庆 163311）

0 引言

在电梯技术行业内，关于曳引绳材质的分析和研究一直在进行。传统电梯大多采用钢丝绳作为曳引悬挂装置，而近年来伴随着电梯行业技术的不断成熟，一些强度更好、更经久耐用、重量更轻的曳引绳的需求量也越来越大。芳纶纤维绳是近年来电梯领域应用频率较高且备受业界好评的新型纤维材质。芳纶纤维绳是芳香族聚酰胺纤维绳的商业用名称，其与钢丝绳相比具有更低的密度和更高的强度，并且凭借着尺寸稳定性及耐腐蚀性等优点，在电梯行业中的应用具有更广阔的空间。正因如此，芳纶纤维绳又被业内称赞为合成钢丝绳，是传统钢丝绳的最佳替代品，尤其是超高层楼宇建筑中的电梯为了尽量减轻曳引绳的重量而广泛使用芳纶纤维绳等轻质材料。

1 电梯用曳引绳的基本性能要求

目前我国境内使用占比最多的电梯曳引绳即为钢丝绳材质。根据相应的技术标准和检验规范要求，钢丝绳的强度值、耐磨性等指标参数都具有明确的规范和数值要求。而关于纤维绳的安全检测规范和标准还有待进一步完善。芳纶纤维绳作为新晋出现的优质材料，是非常适用于电梯曳引悬挂装置的材料之一。其检验标准和技术规范可适当结合我国现有电梯产品的国家标准执行，并可在此基础上结合芳纶纤维绳的自身特点和材质特性，增加与其对应的检验项目和功能测试要求[1]。参照我国电梯产品制造标准GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》来看，其对于电梯用钢丝绳的核心技术参数与安全性能指标的要求细目有如下5 点。1）应用于电梯使用的曳引钢丝绳的公称直径至少要在8 mm 以上。2）电梯用钢丝绳的延伸率、耐磨性等指标必须符合相关行业标准和规定的数值要求。3）电梯曳引机曳引轮的节圆直径与钢丝绳的公称直径之比应大于40。4）当电梯设置有2 根钢丝绳的驱动模式时，单根钢丝绳的安全系数应大于16，当曳引机使用3 根以上钢丝绳时，单根钢丝绳安全系数应大于12。5）用于曳引装置的钢丝绳至少需要具备包括轿厢装置运行、紧急制动和轿厢滞留等多种工况在内的基本曳引能力。

2 芳纶纤维绳用于电梯曳引悬挂装置的技术分析

任何一种新型材质的电梯绳在应用层面都有其局限性。虽然芳纶纤维绳有着密度低、强度高和耐腐蚀性强等优点，但其在耐磨性能及耐高温性能等方面的表现却并不出色。针对这些缺点，在保证其优势得以充分利用的同时，应尽量规避这些不足所造成的应用安全问题[2]。

2.1 芳纶纤维绳的强度要求

根据电梯行业钢丝绳的质量标准GB 8903—2018《电梯用钢丝绳》规定，使用的钢丝绳的公称直径应大于8 mm。并且结合配套附表查询其数据，其对应的最小破裂荷载应保证不低于30 kN。对比之下，芳纶纤维丝抗拉强度则高达约8.15 MPa，已经达到普通钢丝绳抗拉强度的8 倍左右，具体的芳纶纤维绳性能参数见表1。可以说，在电梯上应用芳纶纤维绳取代钢丝绳能在保证安全性的前提下，提升电梯曳引绳的使用耐久性[3]。

芳纶纤维绳并不是只有优点没有缺点。通过对其分子间作用力和单元结构进行分析不难发现，芳纶纤维的分子定向程度和结晶度整体较高，这就致使其分子间的作用力相对于其他类型的纤维材质更弱。特别是在受到压缩或剪切力的作用下，更容易使绳索整体产生意外断裂。当芳纶纤维作为曳引绳应用在电梯上时，芳纶纤维绳必定要绕经电梯的曳引轮。而此时承受的轴向压缩力可能会引发轴向重复受压而失效的现象。为了全面杜绝这类具有安全隐患的问题，必须在投入使用的前期设计和试验阶段，对芳纶纤维绳的绳股螺旋升角进行反复的测定和客观评估。在保证芳纶纤维绳轴向压力接近0 时，才是合理的利用方式[4]。

表1 芳纶纤维绳的主要性能参数

2.2 芳纶纤维绳的耐磨性

芳纶纤维本身具有易磨损的特质，而过度的磨损又会降低纤维绳的整体抗拉伸强度，安全系数的下降必然会导致重大的安全隐患。对此，应予以重点关注并采取有效措施，在避免芳纶纤维耐磨性下降的基础上，设置耐磨性更好的聚氨酯材料作为绳索的外层保护套。在其与曳引轮接触挤压时，保护芳纶纤维绳不受过度磨损，使其还能保持足够的曳引力驱动电梯正常运行。对芳纶纤维绳进行特殊处理，例如每根绳股表面进行耐磨涂层处理等方式也有利于相邻绳股间润滑性的增加，避免绳索内部绳股间互相摩擦造成的损坏。还可以用特氟龙等特殊材质填充芳纶纤维绳的绳股间隙，进而确保曳引绳的截面呈圆形。当处于其表面的峰谷凹陷附近时，保证其振动的能量能够满足电梯运行的实际需要。

2.3 芳纶纤维绳公称直径与曳引轮节圆直径的比值关系

一般来说，应用于电梯的曳引轮节圆直径与钢丝绳的公称直径比值应不小于40。同时，为了最大程度地保证电梯曳引绳处于非疲劳运行状态，曳引轮的节圆直径与芳纶纤维绳的公称直径比值均应符合上述要求。从另一个角度来看，合理的纤维绳绳股螺旋升角以及对于曳引轮槽内的衬里进行合理造型等途径，均可有效减轻纤维绳在滑轮上运动时的摩擦阻力，采用这些措施可使当曳引轮节圆直径和芳纶纤维绳的公称直径之比小于16 时，能够进一步缩减电梯曳引机的尺寸，在满足电梯功能要求的基础上，最大限度地实现低能耗标准。

2.4 保证足够的曳引能力

电梯的安全平稳运行需要足够的曳引动力。电机及传动系统的结构设计及运行方式会直接影响电梯的运行稳定性。对于曳引轮槽槽型的设计和应用来说，它会关系到轿厢装载和紧急制动等复杂工况下纤维绳的曳引力分布情况。特别是对于轿厢或重压实缓冲器，需要保证芳纶纤维绳在曳引轮上产生的曳引力均匀分布，避免曳引绳打滑等异常情况。另外，对于整体高度较大的电梯，在其运行处于提升状态时，要充分考虑轿厢的轻量化优化路径，并结合实际的曳引能力及电机最大功率配置等实际要求，设定合理的电梯曳引机与芳纶曳引绳配套方案。

2.5 耐火与耐候性能

为了全面保证电梯运行过程的安全，曳引机和曳引绳在各类复杂工况及严苛环境下都应保持最基本的运行稳定性。例如，在建筑物发生火灾时，电梯报警系统应能和曳引机实现功能联动，响应火灾报警装置的报警信号，立即停止电梯运行并就近疏散乘客。钢丝绳通常在1 500 ℃左右物理性质开始发生改变，而芳纶纤维绳的分解失效温度一般低于500 ℃。耐火性方面的劣势就要求在电梯曳引机火灾报警装置的设置方面应格外重视。特别是部分对运行安全要求较高的电梯，其曳引绳及复合曳引轮的环境适应性等均要结合实际使用环境对紫外线、温湿度等外界环境指标进行全面的实地勘察。在满足环境适应性的基础上，应保证芳纶曳引绳整体的耐久性和耐侯性能。

3 芳纶纤维绳剩余强度检测方法

作为一种新兴的应用于电梯曳引绳的材料，芳纶纤维的剩余寿命检测方法仍需要大量实践和试验共同确定。曳引绳制造商和电梯制造单位在对芳纶纤维绳的疲劳程度及疲劳极限进行测定时应该明确详细的测定方法及参数设定标准。常见的芳纶纤维绳剩余强度检测方法包括声音检测法、电信号检测法等。

其中，声音检测法主要利用了芳纶纤维绳对于声音良好的可传导性，芳纶纤维绳中的声传播速度与绳中完整纤维丝的数量占比成正比例关系。在纤维绳的某段双弯折区域，可通过测量声音在其中传播所需要的时间作为标准，再测定剩余强度为60%左右破断拉力时声音的传播时间，即可换算得出纤维绳的剩余强度。而电信号检测法则是根据碳纤维的抗拉强度逊于芳纶纤维绳抗拉强度的特性来实现强度检测的。当应用于电梯曳引绳的芳纶纤维绳疲劳弯曲后，其内部的碳纤维丝会发生一定数量的断裂。利用碳纤维的导电性，可通过在其两端加载电源的方式精准测得芳纶纤维绳中碳纤维断丝的占比，进而获得芳纶纤维绳上的剩余强度参数。

4 结语

芳纶纤维绳作为曳引悬挂装置，为电梯提供核心组成构件，能够大幅度降低电梯曳引机的占用空间和整体质量，并由于其具有更低的井道噪声，因此在实际应用中备受好评。此外，芳纶纤维绳的使用在节能减排方面也具有显著成效。当然，作为电梯这一特殊曳引装置的核心功能部件，芳纶纤维绳仅具备以上优点并不能充分证实其可用性，必须在安全性和极端条件下的结构强度等方面对其进行严格的测试和评估。只有在满足乘客对电梯使用的便捷性和安全性需求的基础上，才有余地去权衡曳引绳材质和耐久性等指标的优劣。