电梯曳引机高铝锌基合金蜗轮的失效分析及安全评估

作者：王军泉 ，杨勇 ，刘城铭 ，李凌飞 ，范欢（1.深圳市特种设备安全检验研究院；2.北部湾大学） ｜ 《中国电梯》2025年第9期

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电梯蜗轮蜗杆式曳引机因平稳的运行特性、出色的吸振与抗冲击能力、低噪声及较大的传动比在曳引机市场中占据着重要地位。作为电梯传动系统的关键部件，曳引机蜗轮的性能直接影响电梯的安全性和运行效率。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

过去，曳引机蜗轮大多采用铸造锡青铜材料制造。然而，随着材料科学的进步，电梯行业开始采用ZA27合金(一种铸造高铝锌基合金)来制造曳引机蜗轮。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

ZA27合金不仅熔炼工艺简单，而且机械性能、耐磨性、铸造性及加工性能均表现出色，同时成本较低。然而，自采用该材料制造曳引机蜗轮以来，蜗轮失效的现象时有发生。近年来，某市发生了多起由ZA27合金材料制造的曳引机蜗轮轮齿断裂或齿面点蚀引发的电梯故障或事故。因此，分析曳引机ZA27合金蜗轮的失效模式，并研究其安全可靠性；提出预防其失效的措施，对降低其失效概率，提高电梯运行的安全性具有重要意义。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

1 曳引机ZA27合金蜗轮的常见失效模式

曳引机ZA27合金蜗轮的常见失效模式有：齿面胶合、齿面点蚀、轮齿断裂、轮齿塑性形变及齿面磨损等。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

1)齿面胶合。当蜗轮蜗杆持续运转时，共轭齿面会相互接触，导致齿顶接触点的压强增大，进而产生局部高温，一旦温度达到闪点，部分位置会发生熔焊，形成结点。当共轭齿面发生相对滑动时，这些熔焊结点会在轮齿表面发生撕裂，形成沟纹，此现象称为齿面胶合。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

2)齿面点蚀。在两轮齿啮合过程中，齿面间的作用力与反作用力会使轮齿接触表面产生脉动循环的接触应力。在这种长期交变应力的作用下，齿面刀痕处会出现小裂纹。随着时间的推移，这些小裂纹会逐渐扩展成环状，最终导致轮齿表面出现小面积的剥落，形成疲劳浅坑，即齿面点蚀，如图1a)所示。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

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3)轮齿断裂。轮齿断裂是指轮齿局部或整体出现断裂的现象，如图1b)所示。由轮齿长时间承受高交变应力，材料存在缺陷或在滚切加工时出现微小损伤导致的轮齿断裂，被称为疲劳断裂；由严重应力集中导致的轮齿断裂，被称为过载断裂。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

4)轮齿塑性形变。在重载或冲击载荷的作用下，蜗轮轮齿容易发生局部塑性形变，导致渐开线齿廓曲面发生形变。这种形变具有不可逆性，被称为轮齿塑性形变。文章源自特考一点通特考一点通-https://www.tkydt.cn/11251.html

5)齿面磨损。齿面磨损是指轮齿在相互啮合运行的过程中，由于长时间接触而产生的摩擦损耗，如图1c)所示。该现象可能由轮齿制造缺陷引起，也可能与润滑不良、密封不严、过载或冲击载荷等因素有关[1]。

2012年，某公司发生一起曳引驱动的载货电梯轿厢冲顶事故，导致1名乘客严重受伤。该电梯额定载重量为3000 kg，额定速度为0.50 m/s，共7层8站8门。经现场勘查发现，该电梯曳引机蜗轮的所有轮齿全部断裂(见图2)，蜗杆齿则完好无损。断裂的蜗轮材质是ZA27合金，设计牌号为ZZnAl27Cu2。据了解，该公司的另外2台同型号的电梯也发生过曳引机蜗轮部分轮齿断裂的事故[2]。从以上案例可以看出，曳引机ZA27合金蜗轮的一种主要失效模式为轮齿断裂。

2 曳引机ZA27合金蜗轮轮齿断裂的形成机理

通过调研发现，在用的曳引机ZA27合金蜗轮的主要失效模式为轮齿断裂，点蚀严重就会发生轮齿断裂。点蚀和轮齿断裂的形成都与曳引机ZA27蜗轮铸件的铸造质量密切相关，不同的铸造工艺对组织形成、缺陷分布及疏松针孔度级别都有显著影响。点蚀是铸造缺陷在应力作用和润滑液环境条件的综合影响下形成的。点蚀出现的地方是潜在的裂纹源和应力集中区域。随着点蚀的发展，蜗轮轮齿的实际受力面积减少，导致蜗轮轮齿部位的强度和塑性降低，裂纹在此处产生并扩展，最终导致轮齿断裂。

通过对曳引机ZA27合金蜗轮进行有限元分析可知，蜗轮的最大应力出现在轮齿齿根区域，蜗杆的最大应力出现在轮齿啮合区域。点蚀一般首先出现在轮齿节线附近靠近轮齿齿根处(见图3)，原因是：1)该处是单齿啮合区，轮齿承受的载荷较大；2)该处接近齿轮节线，摩擦力大，不易形成油膜；3)该处轮齿的相对运动有助于将润滑油带入裂缝中，形成高压油，加速点蚀的形成，进而导致轮齿断裂。

3 曳引机ZA27合金蜗轮的失效原因

1)装配与运行原因。蜗轮与蜗杆在装配过程中可能存在不匹配的情况，或者在运行过程中受到意外的冲击载荷，导致蜗轮与蜗杆的轴线发生偏移，从而偏离了原始的安装角度。这种偏移会显著增加蜗轮轮齿接触面的摩擦力，进而导致蜗轮轮齿发生脆性断裂。

2)润滑原因。减速箱内的润滑油如果品质不达标或油量不足，会导致蜗轮轮齿缺乏有效的润滑，从而使轮齿局部温度升高，进而影响ZA27合金材料的性能，使蜗轮性能下降。

3)制造与材料原因。在蜗轮的制造过程中，如果蜗轮内部存在铸造缺陷，或者选用的材料塑性差、断裂韧性差，都可能导致蜗轮在使用过程中出现轮齿断裂、材料提前老化等。

4 曳引机ZA27合金蜗轮的失效预防措施

1)定期检查曳引机减速箱内蜗轮轮齿表面的磨损、点蚀情况。如发现蜗轮有微量点蚀时，需缩短维保检查周期，必要时可通过特殊的齿面修整技术或者降低磨合期的负荷和速度来减少蜗轮的初始点蚀，以延长蜗轮的使用寿命。

2)建立蜗轮点蚀使用极限的判断标准。①点蚀直径＞10 mm，或对角线长度＞10 mm的多边形数量≥1；②点蚀直径＞7 mm且≤10 mm，或对角线长度＞7 mm且≤10 mm的多边形数量≥2；③点蚀直径＞4 mm且≤7 mm，或对角线长度＞4 mm且≤7 mm的多边形数量≥4；④点蚀直径的大小、相应的多边形数量虽未达到①～③的条件，但轿厢已有异常振动发生，且振动周期与蜗轮转动周期一致。如果曳引机ZA27合金蜗轮达到以上任何标准之一，则需要更换新的蜗轮。

3)选择高质量的ZA27合金的原材料，确保合金的组织、成分和性能符合设计要求。在蜗轮制造过程中，优化铸造工艺，确保合金的熔炼、浇注和凝固过程得到严格控制，以减少铸造缺陷。加强质量管控，对每一道工序进行严格检验，确保蜗轮的质量符合相关标准的要求。

4)定期检查蜗轮在运行时是否能得到有效的润滑，并定期更换符合使用要求的润滑油。

5)ZA27合金蜗轮用于曳引机时的使用温度不得超过85 ℃。

5 曳引机ZA27合金蜗轮的安全评估

据统计，某市目前在用的蜗轮蜗杆式曳引机驱动的电梯有4085台存在蜗轮点蚀现象，其中2591台电梯的使用年龄超过15年，占比高达63%。随着时间的推移，这些蜗轮点蚀如果继续恶化，可能导致蜗轮轮齿断裂。据分析，曳引机蜗轮存在着设计、制造不当，安装、维护不规范等问题，这些问题是影响蜗轮失效的重要因素。因此，对蜗轮进行安全评估意义重大。

安全，通常被理解为一种没有危险、不受威胁、不发生事故的状态，但实际上这是一个绝对安全的理想概念。然而，在现实生活中，绝对安全是不存在的，总会存在某些残留的风险，这些残留风险被称为遗留风险。因此，无论是作业还是生产过程(包括操作、使用、检查、测试及维护等环节)，人们只能追求相对安全的状态。相对安全是通过有效管理和降低风险来实现的。

相对安全的实现方法：在理想的绝对安全、产品或过程需满足的要求、使用者的利益、目的的适用性、成本效益、相关的社会惯例等各种因素中寻找最佳平衡。因此，必须持续复查已建立的安全等级，根据经验需要作出调整，或者根据技术和知识的发展进行提升，从而将产品、过程或服务的风险水平降到最低[3]。

通过持续的安全复查和提升，可以不断提升ZA27合金蜗轮的安全性，尽管无法达到绝对安全的状态，但能够尽可能地降低风险，以保护乘客的生命和财产安全。

6 结语

本文中，笔者介绍了电梯曳引机ZA27合金蜗轮的常见失效模式，并通过有限元分析方法，分析了ZA27合金蜗轮轮齿断裂的形成机理。然后分析了ZA27合金蜗轮的失效原因，提出了ZA27合金蜗轮的失效预防措施。最后提出要持续复查和提升ZA27合金蜗轮的安全等级，不断提高电梯运行的安全性。

[参考文献]

[1] 高伟，魏麟，周晓林.电梯曳引机减速箱蜗轮轮齿失效分析和防范措施[J].中国电梯，2022，33(7)：55-56.

[2] 丁二喜，吴继权，邱康勇.曳引式货梯蜗轮的失效分析[J].中国特种设备安全，2013，29(5)：62-64.

[3] GB/T 20900—2007，电梯、自动扶梯和自动人行道风险评价和降低的方法[S].