本文刊登于《中国电梯》杂志2024年第9期
作者：梁梦晨，张逍云，施科益，矫 健 / 宁波市特种设备检验研究院
电梯异步曳引机常采用蜗轮蜗杆副作为减速机构。蜗轮蜗杆副作为动力传递机构，一旦失效将会导致电梯失控，继而发生冲顶或蹾底等事故。造成蜗轮蜗杆副失效的原因有材料缺陷、制造工艺缺陷、疲劳磨损等。在电梯维保和检验工作中，维保人员和检验人员容易忽视对减速箱内各部件使用状况的检查，从而造成严重的后果。
蜗轮断齿易造成电梯运行速度不稳定，同时伴随振动和噪声，若所有蜗轮齿全部断裂可能会导致电梯发生冲顶或者蹾底的事故。2012年7月，深圳市一台曳引驱动载货电梯发生轿厢失控冲顶事故，造成一名乘客严重受伤。2017年7月，宁波市某厂房内一台曳引载货电梯在向上运行时发生冲顶事故。经事故调查分析，这两起事故都存在蜗轮齿断裂的情况。经检测，断齿的蜗轮由高铝锌基合金铸造而成，且断齿中心部位存在气孔、疏松、缩松、夹杂物等铸造缺陷[1]。
近期，笔者在对一台曳引驱动载货电梯进行定期检验时发现，曳引机在运行时存在较大的冲击噪声，便与维保人员进行相关项目的排查。该载货电梯于2012年12月制造，2013年2月投入使用。曳引机采用蜗轮蜗杆副作为减速传动机构。经过排查发现，蜗轮存在断齿现象。
在本文中，笔者将该载货电梯曳引机的蜗轮拆解下来进行理化分析，找出造成蜗轮断齿的具体原因。
在蜗轮蜗杆副中，因蜗杆承载较大的压力，一般会选用比蜗轮硬度更高的材料。蜗杆和蜗轮两者的硬度都会影响传动的效率和寿命。目前大部分蜗杆采用硅锰类合金或镍铬合金钢，也有的采用含碳量为0.4%～0.55%的碳素钢经锻造而成；蜗轮较多采用锡青铜或高铝锌基合金铸造而成。蜗轮轮缘一般选用低摩擦因数的磷青铜、锡青铜或铜锡镍合金经机加工而成。
该载货电梯曳引机蜗轮采用高铝锌基合金铸造而成，高铝锌基合金由于具有良好的铸造性能、加工性能、力学性能、耐磨性能、减振性能，低廉的制造成本等优势，被广泛应用于电梯曳引机蜗轮蜗杆副等机械部件[2]。但是由于锌合金结晶温度范围宽，呈糊状凝固，所以易产生缩孔、缩松等铸造缺陷[3]。目前蜗轮的铸造主要通过金属型重力铸造工艺生产[4]，金属型模具导热性好，熔体浇入后可获得较大的冷却速度，从而达到细化晶粒、提高铸件力学性能的目的。但是相对于挤压铸造工艺，普通的金属型铸造工艺很难完全消除铸件中缩孔、缩松等缺陷，导致生产的蜗轮力学性能较差，针孔度较高，且易发生严重的点蚀。此外，高铝锌基合金对温度较为敏感，其抗拉强度在温度达到某个临界值时会急剧下降[5-7]。
笔者据此初步判断，造成蜗轮断齿的原因如下。
1)润滑不到位。蜗轮蜗杆副传动的速度较大，齿间摩擦损耗增大，容易造成齿面磨损，发热严重。润滑油可以吸收齿间啮合产生的大量热量，但若对蜗轮蜗杆副润滑不到位，热量无法被吸收，容易造成蜗轮蜗杆副齿面出现磨损、点蚀、胶合、断齿等现象。如果润滑油油位较低，减速箱在停止运转后蜗轮齿上的润滑油流失会使蜗轮无法得到应有的润滑保护而出现损坏。此外，维保人员在电梯日常维保工作中容易忽视润滑油的清洁，造成润滑不到位，导致蜗轮蜗杆副严重磨损。
2)蜗轮齿的质量不好。有些蜗轮齿的原材料存在质量问题，含有大量的粗大夹杂物，化学成分不合格，组织偏析严重，破坏了蜗轮齿基体的连续性，降低了材料的强度和韧性。特别是在危险截面附近若存在集中分布的尖锐形状，会降低材料的强度和韧性[8]。
对从该载货电梯曳引机减速箱中拆解下来的蜗轮进行观察，可发现有两处断齿，蜗轮齿表面存在较为明显的磨损、点蚀等现象(见图1)。为了得到更加具体的数据，将该蜗轮送至理化实验室进行观察和测试。为了便于观察和测试，先采用电火花线切割技术从拆解下来的蜗轮上取出显微组织观察样品、化学元素分析样品和力学性能测试样品，并对显微组织观察样品进行热镶嵌，将力学性能测试样品在车床上进行精加工。
显微组织观察共选取4个样品，将两个在蜗轮母材完好部分随机选取的样品编号为1#、2#(这两个样品还用于后面的化学元素分析)，将另外两个在断口附近选取的样品编号为A#、B#。
先对1#、2#样品采用光学显微镜在50倍下进行观察，观察到的显微组织如图2所示。可以看到，样品中存在很多疏松孔，并且在局部组织中存在较大的初生富含Al的树枝晶。铝合金中的树枝晶具有尖锐的角度和不规则的形状，因此会在材料中引入应力集中，容易形成裂纹。这些裂纹和孔隙不仅降低了材料的强度和韧性，还会导致该样品的伸长率下降。铝合金在凝固过程中，溶液中存在的气体在浇铸过程中未完全浮到溶液表面，形成不均匀分布的气孔。经测算，该断齿蜗轮中的针孔直径达到100～150μm，在投入使用后这些针孔会成为裂纹源头。
然后对1#、2#样品采用光学显微镜在100倍下进行观察，观察到的显微组织如图3所示。结合Zn-Al二元相图，可知样品中除了有呈树枝状的白色初生α相，还有在其周围的浅灰色α+η共析相，以及沿着晶界呈长条状分布的黑色β+η共晶体。在Zn-Al二元相图中，α相是指Zn固溶于Al中形成以Al为基的固溶体，η相是指少量Al固溶于Zn中形成以Zn为基的固溶体，β相是指以Al为基的固溶体或以ZnAl为基的有序固溶体。相的形成途径有共晶反应、共析转变和过饱和α相的脱溶沉淀[3]。
再取2#样品进一步切换到500倍下进行明暗场观察(见图4)。从图4中可以看到，在β+η共晶体周边还有一些亮白色颗粒，推测为ε相(Cu和Zn形成的化合物CuZn4)。
最后对A#、B#样品进行光学显微镜观察，观察到的显微组织如图5所示。可以看到，共晶组织沿晶界的连续分布破坏了基体的连续性，降低了合金塑性，在靠近断口表面有明显的裂纹沿着晶界共晶组织扩展开来。
对1#、2#样品采用扫描电镜分别在1000倍、2000倍和5000倍下进行观察。其中1#、2#样品在5000倍下的显微组织如图6所示，可以看到片层状的α+η共析体，以及沿着晶界呈长条状分布的β+η共晶体。
取2#样品在晶界部位进行元素扫描，扫描结果如图7所示。可以看到存在Zn元素和Cu元素的富集，即β+η共晶体和ε析出相。
对A#、B#样品采用扫描电镜分别在200倍、500倍下进行观察。其中A#、B#样品在500倍下的显微组织如图8所示，可以看到有明显的河流花样和缩松，在孔洞中观察到微观树枝状晶体，在断口起裂源附近发现存在缩松、夹杂之类的铸造缺陷。
对1#、2#样品进行化学元素分析，获得各元素质量分数(见表1)。可以看到，样品的化学元素质量分数符合GB/T 1175—1997《铸造锌合金》(根据该曳引机的制造时间选择了1997年版标准)对牌号为ZZnAl 27Cu2Mg(代号为ZA27-2)的合金的化学成分含量要求。
在蜗轮母材完好部分随机选取6个样品，编号为3#—8#,分为两组(每组3个样品)，分别在室温和85 ℃下进行单轴拉伸试验，经计算得出拉伸强度、屈服强度、伸长率等力学性能数据(见表2、图9)。由于GB/T 24478—2009《电梯曳引机》第4.2.3.2条第c)款规定“减速箱的油温不应超过85 ℃”，所以在该极限温度下对样品进行单轴拉伸试验。
从表2可以看到，样品的拉伸强度均符合GB/T 1175—1997对牌号为ZZnAl 27Cu2Mg的合金的拉伸强度要求，但伸长率都不符合该标准的要求，这与该蜗轮存在的铸造缺陷和共晶组织沿晶界的连续分布有关。
本文中，笔者针对一则在检验中发现的电梯曳引机存在异常振动和噪声的案例，拆解了曳引机减速箱，发现蜗轮出现断齿，于是对断齿蜗轮进行了详细的理化分析。通过显微镜组织观察，发现蜗轮母材有很多疏孔，可能是裂纹产生的源头；同时发现在断口附近存在缩松、夹杂之类的铸造缺陷。通过力学性能测试，发现断齿蜗轮拉伸强度符合国家标准要求，但是伸长率不符合国家标准要求，这可能是由于铸造缺陷和共晶组织沿晶界的连续分布造成的，此外还可能是受温度的影响较大。如果曳引机减速箱内的蜗轮蜗杆副得不到充分的润滑，会导致温度急速上升，对蜗轮蜗杆副的力学性能造成一定的影响。
通过本文中的案例可知，曳引机减速箱中的蜗轮蜗杆副如果存在异常磨损或者断齿等情况，往往会伴随一定的振动和噪声。维保人员在维保工作中，应加强对蜗轮蜗杆副的检查，若发现有断齿或者出现严重点蚀的现象，应该及时更换该蜗轮。检验人员在检验工作中，应对曳引机中高铝锌基合金材质的蜗轮进行仔细检查。总之，维保人员和检验人员应提高对蜗轮蜗杆副使用状况的重视，努力降低蜗轮断齿产生的风险。
来源：《中国电梯》杂志
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