电梯曳引轮的防脱改进设计探讨

由于节能、环保等优点，现在越来越多的电梯采用无齿轮永磁同步曳引机，大部分永磁同步曳引机的曳引轮安装在曳引机轴的悬臂端上。由于电梯轿厢上上下下运行，曳引轮需频繁正反转，电梯运行不得有异常声响和震动，所以曳引轮和曳引机轴不能有相对运动，相互间需过盈配合连接。目前，曳引轮和曳引机轴采用较多的连接方式有：圆柱面过盈配合连接和圆锥面过盈配合连接。由于曳引绳槽磨损、曳引机轴承损坏等原因，需对曳引轮进行更换或拆装，采用圆锥面过盈配合连接的曳引轮拆装较为方便，但由于曳引轮和曳引机轴间的结合面是圆锥面，曳引轮受曳引绳动载荷作用时，会产生轴向分力，当制造或安装不符合设计要求时，曳引轮存在脱出曳引机轴的风险。
1 事故概述
2017 年10 月，福建某小区1 台电梯在从24 层向下运行过程中，运行到19 层时发生故障，轿厢出现短暂坠落现象后，电梯停止运行。到机房检查发现，曳引钢丝绳挂在地板和安装曳引钢丝绳绳头的槽钢上，曳引轮从曳引机轴脱落，掉在机房地板上，曳引机轴端盖3 个螺栓全部断裂，曳引机轴上仅剩3 个断裂的螺栓（见图1）。该电梯为永磁同步无齿轮电梯，额定载重量为800kg，速度为1.75m/s，28 层27 站27 门。

图1 曳引机轴上3 个断裂的螺栓
2 事故原因分析
事故电梯曳引机轴与曳引轮采用的是圆锥面过盈配合连接和平键正常连接组合连接方式。曳引轮安装到位后，曳引轮和曳引机轴的径向变形使配合面产生非常大的压力，此压力产生相应的摩擦力。摩擦力克服载荷在曳引轮圆锥配合面上产生的切向分力，使曳引轮保持轴向稳定状态，此外还可传递曳引机轴的输出转矩。平键也可用于传递曳引机轴的输出转矩。端盖通过3 个M10 螺栓固定在曳引机轴上，对曳引轮起到轴向定位作用（如图2 所示）。

图2 曳引轮装配示意图
事故电梯固定端盖的3 个螺栓全部断裂，其中2个螺栓断口在靠近六角头部的螺尾处，另外1 个螺栓断口在靠近六角头部的根部过渡处，断裂位置均属于应力集中区（见图3）。断面大部分区域较光滑（见图4）。
从螺栓的断裂位置和断口可判断，螺栓应是受到交变拉应力所引起的疲劳脆性断裂。

图3 螺栓断裂位置   图4 螺栓断面
在正常情况下，即曳引轮和曳引机轴间的摩擦力足够大时，螺栓仅承受预紧力作用，不至于疲劳断裂，引起螺栓疲劳断裂的交变拉应力从哪里来？经了解，该电梯在2017 年9 月在更换曳引机轴承过程中，曾对曳引轮进行过拆装。由于当时曳引轮未安装到位，曳引轮与曳引机轴压力不够大，产生的摩擦力不足以使曳引轮在曳引钢丝绳动载荷的作用下长期保持稳定状态。在电梯运行过程中，受曳引钢丝绳动载荷的作用，曳引轮与曳引机轴有相对移位。由于曳引机轴与曳引轮是圆锥面连接，当曳引轮在曳引机轴上产生极微小的轴向移位时，曳引机轴与曳引轮间摩擦力便会显著减小。当曳引机轴与曳引轮间摩擦力和螺栓预紧力之和小于曳引钢丝绳载荷作用在曳引轮圆锥面的切向分力时，曳引钢丝绳载荷作用在曳引轮圆锥面上的切向分力有部分通过端盖作用于螺栓，使原本仅需承受预紧力的螺栓还要再承受交变的拉应力。随着电梯轿厢上上下下地运行，曳引轮向曳引机轴端不断地移位，曳引机轴与曳引轮间摩擦力不断地减小，螺栓承受的交变拉应力不断地增大。螺栓由于持续受到这样的交变拉应力，经过一段时间后，引起疲劳，从应力集中处产生初始裂纹，裂纹随后慢慢扩展，最终使螺栓疲劳脆性断裂。
3 曳引轮防脱设计改进建议
通过本案例分析可知，曳引轮与曳引机轴间的圆锥面过盈配合连接方式，对安装精度和制造精度要求较高，当制造或安装不符合设计要求时，产生的摩擦力不够大，曳引轮受曳引绳动载荷作用，存在脱出曳引机轴的风险。曳引轮的脱出会直接导致轿厢接近自由落体的下坠，对乘客产生严重的伤害后果。
为消除曳引轮脱出风险，建议对本设计方案进行改进，保证曳引轮在任何情况下均不会脱出。改进后的曳引轮装配示意图见图5，在曳引机轴上加工1 个圆环槽，2 个防脱定位环可通过螺栓或卡箍形式安装在曳引机轴圆环槽上，用2 个顶紧螺栓顶紧防脱定位环，使防脱定位环顶紧曳引轮。这样，当曳引轮与曳引机轴的摩擦力不足以使曳引轮保持轴向稳定状态时，曳引轮向轴端移位，但由于会被定位环顶住，曳引轮不会脱出，不会造成安全事故。当曳引轮安装完后，还可以在定位环、曳引机轴、防松螺母上做定位标记，以便能及时发现定位环与曳引机轴的相对轴向位移。

图5 改进后的曳引轮安装示意图
4 结束语
电梯的安全运行事关人民生命财产安全，应尽可能地消除已知存在的安全隐患。建议电梯生产单位加强对采用类似事故电梯结构的曳引轮的检查，确保在曳引轮松脱前及时采取措施。建议电梯设计单位改进此类曳引机的设计，确保曳引轮在任何情况下都不会发生脱出现象，避免类似事故的再次发生。