CN102398817B - 电梯用钢索 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在钢索通过驱动绳轮时，减少因自转性引起而作用于覆盖树脂的扭转力的电梯用钢索。本发明涉及电梯用钢索(1)，将多根细钢线(2a～2g)捻合而形成股线(2)，将该股线(2)捻合而形成钢缆(3)，将该钢缆(3)捻合而构成钢索，在该钢索内填充树脂(4)，且在该钢索表面覆盖树脂(5)，其中，使细钢线(2a～2g)及股线(2)的捻绕方向与钢缆(3)的捻绕方向为反方向，并使捻合的多根钢缆(3)的内切圆直径(d₄)小于钢缆(3)的直径(d₂)。

Description

电梯用钢索

技术领域

本发明涉及对电梯的轿厢进行悬挂的钢索，尤其是涉及在外周覆盖有树脂的电梯用钢索。

背景技术

通常，电梯的轿厢由钢索悬挂。该钢索卷绕在卷扬机的驱动绳轮上。对卷扬机进行驱动，利用绳轮表面的绳索槽与钢索的摩擦而使所述轿厢升降。

然而，在将卷扬机设置在升降通道内的无机械室电梯中，为了缩小升降通道的截面积，而追求卷扬机的小型化。作为其实现方法，包括进行驱动绳轮的小径化。通过对驱动绳轮进行小径化，而可以在卷扬机上使用低转矩的电动机来使轿厢升降，从而能够使电动机小型化。因此，作为钢索，需求一种能够追随小径的驱动绳轮而容易弯曲的高柔软性的钢索。

作为提高钢索的柔软性的结构，已提出有例如专利文献1所公开那样的钢索。即，专利文献1所公开的钢索使用一种细钢线，该细钢线是对构成钢索的线材进行拉丝加工而使其细线化，并将断裂强度提高到2600MPa(通常的A种电梯用钢索的线材断裂强度约为1600MPa)以上而成的。通过将钢线形成为细线，即使向小径的驱动绳轮卷绕也容易弯曲，从而能够确保绳索槽与钢索的接触长度。

然而，如此细线化后的钢线由于钢线的截面积缩小而容易引起微振磨损所产生的疲劳破坏。因此，专利文献1所公开的钢索成为在由细钢线或股线组构成的钢缆(シエンケル)的周围填充树脂，并利用树脂覆盖钢索整体的结构。需要说明的是，该树脂覆盖层具有防止相邻的钢缆发生接触的间隔部分，配置成圆周状的钢缆形成大致均匀的间隙，从而使钢缆相互难以发生金属接触。

【专利文献1】日本特开2006-9174号公报(对应中国专利：CN1712635B)

通常钢索具有当作用有张力或弯曲力时，钢索的整体想要绕钢索的中心轴旋转的特性(自转性)。并且，在电梯中，当钢索通过驱动绳轮的绳索槽上时，因其自转性而钢索在绳索槽上微小地滑动。相对于此，在专利文献1所公开的由树脂覆盖了外周的钢索中，由于绳索槽与外层树脂的摩擦系数高，因此成为钢索的外周表面受到绳索槽限制的状态。因此，在钢索的内部产生的转矩作为扭转覆盖树脂的力起作用，若长期使用钢索，则有可能会损伤覆盖树脂而成为露出钢索的状态，因而会降低与驱动绳轮的摩擦力。

为了防止这种情况，在利用树脂覆盖了表面的钢索中，追求一种即使附加了张力也难以自转的特性。然而，在专利文献1所公开的钢索中，主要着眼于耐弯曲疲劳的提高，关于自转性未作任何考虑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在钢索通过驱动绳轮时，减少因自转性引起而作用于覆盖树脂的扭转力的电梯用钢索。

本发明为了实现上述目的而提供一种电梯用钢索，将多根细钢线捻合而形成股线，将该股线捻合而形成钢缆，将该钢缆捻合而构成钢索，在该钢索内填充树脂，且在该钢索表面覆盖树脂，其中，使细钢线及股线的捻绕方向与钢缆的捻绕方向为反方向，并使捻合的多根钢缆的内切圆直径小于钢缆的直径。

即，通过使捻合的多根钢缆的内切圆直径小于钢缆的直径，而能够使钢缆接近钢索的中心侧，其结果是，当钢索上作用有张力时，能够减小由各钢缆沿周向作用的力与从钢索中心到钢缆中心的距离的积所表示的转矩(以下，称为绳索整体转矩)。并且，当钢缆的捻绕方向例如为Z捻绕时，通过使细钢线和股线的捻绕方向为S捻绕，而使在细钢线和股线上产生的转矩与在钢缆上产生的转矩沿相互抵消的方向产生。如此，减小绳索整体转矩，而且，由于将捻绕方向形成为减小在钢缆上产生的转矩的方向，因此能够减小在钢索的内部产生的转矩，减小钢索的整体想要绕钢索的中心轴旋转的自转性而减小扭转覆盖树脂的力，其结果是，能够抑制自转性引起的覆盖树脂的损伤。

发明效果

如以上说明所述，根据本发明，能够得到一种在钢索通过驱动绳轮时，减少因自转性引起而作用于覆盖树脂的扭转力的电梯用钢索。

附图说明

图1是表示本发明的电梯用钢索的第一实施方式的剖视图。

图2是表示图1所示的电梯用钢索的捻绕方向的说明图。

图3是表示图1所示的电梯用钢索的钢缆数与截面积、层心直径、转矩系数的关系的说明图。

图4是表示图1的电梯用钢索的截面积与线材弯曲应力的关系的说明图。

图5是表示图1的电梯用钢索的中心附近的放大剖视图。

【符号说明】

1...钢索

2...股线

2a～2g...细钢线

3...钢缆

4...内层树脂

4P...突起

5...外层树脂

具体实施方式

以下，基于图1，对本发明的电梯用钢索的一实施方式进行说明。

将多根细钢线2a～2g捻合而形成多根股线2，将这些股线2捻合而形成多根钢缆3，将这些钢缆3捻合而形成电梯用钢索1。在电梯用钢索1的中心配置有内层树脂4，钢缆3被捻绕在该内层树脂4上。多根钢缆3形成大致均匀的间隙δ而配置在圆周上，内层树脂4设有突起4P来确保所述间隙δ，以免相邻的钢缆3直接接触。

多根钢缆3的外周部被外层树脂5覆盖整体，以免与驱动绳轮进行金属接触。内层树脂4和外层树脂5分别使用耐磨损性、耐油性优良的材料，例如聚氨酯树脂等即可。若各自的材质由同一材料构成，则能够提高内层与外层的树脂的密接性。而且，也可以将内层树脂4由耐磨损性、滑动性优良的树脂材料构成，而外层树脂5为了确保与绳轮的牵引力，而由混入了添加材料例如铝粉末的树脂材料构成。

钢缆3、股线2及细钢线2a～2g分别考虑有在径向上以1层配置成圆周状、或双层配置、以及不构成层而捆扎多根而成的结构等多个结构。在此，从减少制造工时或减少股线接触产生的摩擦阻力的观点出发，将钢缆3、股线2、细钢线2a～2g分别以径向上1层的方式配置成圆周状。而且，在将多根股线2捻合而形成的钢缆3的内侧配置有树脂芯6。

另外，在本实施方式中，在内层树脂4所处的中心部不配置钢缆，而在内层树脂4的外周配置五根钢缆3。其中，钢缆3的根数在图1中设置了五根，但只要满足后述的关系式且在由应力和截面积所确定的界限线图的区域内即可，并未限定为五根。并且，设置突起4P而形成为星形的内层树脂4的内切圆直径d₄小于钢缆3的直径d₂。

接下来，对电梯用钢索1的自转性的指标即转矩系数K的减少方法进行详细说明。

电梯用钢索1具有当作用有张力或弯曲力时，绳索整体想要绕绳索的中心轴旋转的特性(自转性)。在电梯中，在普通的钢索的情况下，当钢索通过驱动绳轮上时，因其自转性而钢索在驱动绳轮的绳索槽上微小地滑动。然而，在树脂覆盖的钢索的情况下，由于外层树脂与驱动绳轮的摩擦系数高于金属丝彼此之间的摩擦系数，因此成为外层树脂受绳索槽限制的状态。因此，外层树脂受到扭转方向的力，长期使用时有可能会损伤树脂。

另一方面，在本实施方式中，在对细钢线2a～2g和股线2进行捻绕而形成钢索的所谓二次捻绕钢索的情况下，在W为张力(N)、T为张力W产生的转矩(N·m)、D为绳索直径(mm)时，转矩系数K成为K＝T/(W×D)×10^-3的无量纲量。即，该指标越接近0而自转特性越小。此外，关于转矩，若使用构成钢索的钢缆或股线的直径或层心直径等各变量，则二次捻绕结构的转矩系数可以由式(1)表现。将其适用于对细钢线2a～2g、股线2以及钢缆3进行捻绕而构成图1及图2所示的钢索的所谓三次捻绕钢索时，成为式(2)。

K＝T/(W×D)×10^-3＝(N1·F1·R·sinα+N2·F2·r·sinβ)/(W×D)×10^-3    式(1)

其中，N1是绳索截面内的股线根数，F1是作用于一根股线的张力(N)，R是绳索层心半径(m)，α是股线捻绕角(°)，N2是绳索截面内的细钢线数，F2是作用于一根细钢线的张力(N)，r是股线层心半径(m)，β是细钢线捻绕角(°)。

K＝T/(W×D)×10^-3＝(N1·F1·R·sinα+N2·F2·r·sinβ+N3·F3·r0·sinγ)/(W×D)×10^-3    式(2)

在此，N1是绳索截面内的钢缆根数，F1是作用于一根钢缆的张力(N)，R是钢缆层心半径(m)，α是钢缆捻绕角(°)，N2是绳索截面内的股线根数，F2是作用于一根股线的张力(N)，r是股线层心半径(m)，β是股线捻绕角(°)，N3是绳索截面内的细钢线数，F3是作用于一根细钢线的张力(N)，r0是细钢线层心半径(m)，γ是细钢线捻绕角(°)。

接下来，对于本发明的一实施方式，使用图2来说明钢索的捻绕方向。

在本实施方式中，钢缆3的捻绕方向为Z捻绕，股线2的捻绕方向为S捻绕，细钢线的捻绕方向为S捻绕。即使减小钢缆层心直径d3，绳索整体产生的转矩也不会成为零，因此将钢缆3的捻绕方向与股线2及细钢线2a～2g的捻绕方向形成为相互反方向捻绕，而利用式(2)的第二项、第三项所示的股线2和细钢线产生的转矩来抵消式(2)的第一项所表示的转矩(以下，称为绳索整体转矩)。以下，式(2)的第二项称为钢缆转矩，式(2)的第三项称为股线转矩。

由于细钢线层心半径r0远小于股线层心半径r，因此股线转矩只不过是绳索整体转矩或钢缆转矩的10％以下。因此，以绳索整体转矩和钢缆转矩为主来决定整体结构，最后对绳索的整体捻绕间距进行微调而容易使转矩系数彻底成为0。

对捻绕角与转矩系数的关系进行说明时，由于绳索的总负担张力与钢缆的总负担张力大致相等，因此在式(1)及式(2)中，N1·F1＝N2·F2成立。另一方面，从绳索的几何学关系出发，由于钢缆层心半径R＞股线层心半径r，因此为了减小转矩系数，只要减小第一项的绳索的捻绕角α(延长捻绕间距L₁)并增大第二项的股线捻绕角β(缩短捻绕间距L₂)，就能够调整转矩系数。

在进行上述的设计方针的基础上，作为电梯用钢索1，为了提高弯曲性和耐弯曲疲劳性，除了确保必要的断裂强度之外，还要求减小电梯用钢索1的外直径，减小细钢线直径。即，为了利用钢缆转矩来抵消绳索整体转矩，而优选以极小的绳索直径使钢缆转矩增加。为此，需要实施增加钢缆3的根数或增大股线层心半径r中的任一者，或者实施这两者。然而，这些都会使电梯用钢索1的直径增加，因此电梯用钢索1的钢缆层心半径R也随之增大。即，若实现上述的钢缆3的根数和内层树脂4的结构，则能够构成一种容易将径向上的钢缆3的配置和钢缆的根数设定成最佳，满足弯曲疲劳性等各特性且转矩平衡优良的绳索。

接下来，使用图3和图4，对式(2)所示的设计变量的可取范围进行详细说明。作为电梯用钢索1的必要的性能指标，除了转矩系数之外，还有断裂强度、耐弯曲寿命。在此，在图3中表示转矩系数和断裂强度，在图4中表示弯曲时的弯曲应力。

图3以钢缆的根数为横轴，(a)表示钢索的截面积(mm²)，(b)表示钢缆层心直径(d₃)，(c)表示转矩系数。就钢缆3的配置而言，作为除了削减制造工时之外在弯曲时还能够减少相邻的钢缆3之间产生的摩擦引起的损失的结构，而将钢缆3按照钢缆层心直径d₃以径向上1层的方式配置成圆周状。通常电梯的绳索根数越少，越能够减薄驱动绳轮的厚度而使卷扬机薄型化。而且，若绳索根数减少则还能够减轻绳索的张力调整作业和更换作业。

图3(a)表示钢索1的根数满足例如日本国的建筑基准法所规定的绳索安全率10以上且实现与Φ10的钢线绳索为同等以下的根数的断裂强度的下限值。图3(a)的○记号表示钢索1的钢线部外径d₁为9mm时的计算例，△记号表示外径为8.3时的计算例。从该图可知，当钢缆3的根数增加时，中央的内层树脂4的面积扩大，钢缆3的直径减小。由此，钢线部的截面积显示伴随横轴的增加而缩小的倾向。在钢缆的根数为六根以上时，钢线的占有率下降，树脂层增加。这样会多使用比钢材高价的树脂材料，因而钢索1的制造成本容易上升。由此可知，从截面积的观点出发，优选钢索的外径小且钢缆的根数少的情况。

另外，根据该图，在细钢线强度为3600MPa的情况下，当钢索1的钢线部外径d₁为9mm时，钢缆的根数可以取3～8根的范围。然而，当钢索1的钢线部外径d₁减少至8.3mm时，钢缆的根数成为3～6根而设计自由度下降。另一方面，在细钢线的强度为2600MPa的情况下，钢索1的钢线部外径d₁为8.3mm不成立，当钢索1的钢线部外径d₁为9mm时，为3～5根。此外，不将钢索1的钢线部外径d₁缩小至8.3mm，而例如由8.8mm构成时，钢缆3之间的距离(图1的δ)变宽，因此具有能够缓解内层树脂4的相对于磨损的可能性或制造不均这一优点。如以上所述，钢索1的钢线部外径d₁或钢缆数可以考虑使用的细钢线的强度、树脂的使用量来决定。

接下来，图3(b)表示钢索1的钢线部外径d₁为8.3mm的条件下的、左侧的第一轴为钢缆层心直径(图1中的d₃)，右侧的第二轴为钢缆直径(图1中的d₂)的情况。从该图可知，钢缆3的根数越多，钢缆越向绳索外周侧移动，因此钢缆直径d₂减小，钢缆层心直径d₃相反地增大。

图3(c)是使用由图3(b)求出的值，来计算转矩系数的结果。上述的钢缆捻绕间距L₁为88mm(钢索1的钢线部外径d₁＝8.3mm)时的钢缆3的捻绕角为sinα＝0.189。由此，各钢缆根数下的钢缆捻绕间距L₁将捻绕角形成为相同而使用右表的捻绕间距。当树脂使用聚氨酯时，若将该材料的疲劳强度所能够容许的转矩系数确定在由斜线包围的范围内，则在钢缆3为4～6根的情况下，可知进入到容许值的范围。在除此以外的范围中，转矩系数增大。

图3(d)表示满足由图3(c)求出的容许值的钢索1的钢线部外径d₁与钢缆直径d₂的关系。从该图可知，d1/d2为2.5～3.2的范围即可。

接下来，使用图4对驱动绳轮的钢索卷绕部中的弯曲应力与截面积的关系进行说明。在电梯的钢索1中，当驱动绳轮的弯曲部的弯曲应力小时，应力振幅减小而容易实现长寿命化。作为弯曲应力的计算方法，例如有式(3)所示的公式(チタリ一)(参考文献「ワイヤ一ロ一プハンドブツク」、日刊工業新聞社、1995年3月)。

σ＝E·cosΦ·δ/Ds    式(3)

在此，σ是弯曲应力(Pa)，E是绳索线材的纵弹性系数(Pa)，Φ是捻绕角度(°)，δ是细钢线直径(m)，Ds是驱动绳轮的钢索卷绕部的直径(m)。

并且，图4的纵轴表示使用式(3)计算细钢线的弯曲应力的结果。图中的横轴是图3中计算的截面积，以各个截面积为横轴并以细钢线的弯曲应力为纵轴进行了绘制。需要说明的是，图中的右表作为参考，表示与钢缆3的根数对应的钢索1的钢线部外径d₁与钢缆直径d₂的比d1/d2。截面积随着钢缆3的根数N减少而增大，在根数N为四根时最大。钢缆根数为四根时的弯曲应力比钢缆根数为五根时增大。为了确保作为电梯用钢索的断裂强度，而截面积存在下限值。而且，为了实现弯曲的长寿命化，而弯曲应力存在上限值σb。该上限值根据使用的钢材的疲劳强度来决定，除此之外还受到细钢线的微振磨损的状态或细钢线具有的强度不均的影响。使用细钢线强度2600MPa的材料，在考虑微振产生的磨损的情况下，将σb设定在例如250MPa以下即可。需要说明的是，根据这些上限值和下限值，分类成区域A～D这四个区域。区域A是弯曲应力小但截面积不足的区域。另一方面，区域B是弯曲应力高且截面积不足的区域。此外，可知区域C是虽然能够确保截面积但弯曲应力高的区域。因此可知，能够确保截面积并减少弯曲应力的是区域D，该区域的钢缆根数，即，在该计算例中，钢缆根数为五根能满足作为钢索1的各性能。

在以上的制约条件的基础上，根据本实施方式，当钢缆3的根数为五根而细钢线直径为0.29mm时，钢缆直径为2.9mm，钢索1的钢线部外径d₁为8.3mm，该钢缆捻绕间距L₁作为用于使转矩系数为零的下限值而成为88mm。

图5表示钢缆层心直径d₃与钢缆3的根数的几何学关系。关于钢缆3a、3b，以省略股线2而容易观察几何学关系的方式进行表示。根据由钢索中心p、钢缆3a的中心q以及将相邻的钢缆3a、3b的中心q、s连结的直线的中点r构成的直角三角形可知，在钢缆层心直径d₃和钢缆直径d₂之间，式(4)成立。

(d₂+δ)/d₃＝sinθ    式(4)

在此，若η＝δ(内层树脂4中的突起4P的厚度)/d₂(钢缆直径)，则

d₂/d₃＝sinθ/(1+η)    式(5)

成立。

另一方面，在图1的钢缆层心直径d₃、钢缆直径d₂、以及星形的内层树脂4的内切圆直径d₄之间，以下的关系式成立。

d₃＝d₂+d₄    式(6)

从式(5)及式(6)消去d₃，对θ求解，则

θ＝sin^-1{(1+η)/(1+ε)}(°)    式(7)

成立。其中，η＝δ/d₂，ε＝d₄/d₂。

从以上可知，将满足由树脂覆盖的钢索1的转矩系数、截面积、弯曲应力的各特性的钢缆3的根数N形成为使用θ(°)并将N＝180/θ的值进位后的整数值即可。

在此，作为电梯用钢索而成立的钢索钢线部外径d₁/钢缆直径d₂如上所述为2.5～3.2。因此，若使用d₁＝2×d₂+d₄的关系式，则成为0.5＜ε(＝d₄/d₂)＜1.2。然而，根据钢索截面的几何学关系，当钢缆3的内切圆直径d₄小于钢缆直径d₂时，能够减小转矩计数，因此在0.5＜ε＜1.2的范围内选定钢缆3的直径和配置根数即可。而且，将ε＝0.86，η＝1.14的具体的数值代入式(7)时，成为θ＝37.8°，因此，将钢缆根数N＝180/θ＝4.7进位后的整数值为5，从而钢缆设置根数为五根。

根据本实施方式，将钢缆3在外周上配置了五根，与配置六根以上的情况相比，能够减小捻绕钢缆3的螺旋直径(以下，称为钢缆层心直径d₃，d₃＝2×R的关系成立)。当该钢缆层心直径d₃缩小时，容易减小上述的转矩系数。

此外，就各自的捻绕间距而言，例如在树脂覆盖后的绳索外直径为10mm的钢索中，钢缆捻绕间距L₁为88mm(钢索钢线部外径d₁＝8.3mm)，股线捻绕间距L₂为12.4mm(钢缆直径d₂＝2.9mm)，细钢线捻绕间距L₃为7.1mm(细钢线直径d₆＝0.89mm)。该股线捻绕间距L₂是在将股线2、细钢线2a～2g以1层配置在圆周上并将股线2在圆周上配置六根的结构中，根据捻绕的制造界限所确定的最小值。而且，股线捻绕间距L₂成为钢缆直径d₂的4.3倍，另一方面，钢缆捻绕间距L1为了减少转矩系数而取钢索钢线部外径d₁的10.5倍，是比股线捻绕间距L₂都长的捻绕间距。若使用以上的考虑方法，则当钢索钢线部外径d₁为8.3mm时，该钢缆捻绕间距L₁成为88mm。需要说明的是，钢缆捻绕间距L1在计算上为钢索钢线部外径d₁的10.5倍，但并不是必须特定为10.5倍，为了有效地减少转矩系数而优选10～11倍。

如以上说明所述，根据本实施方式，通过使捻合的多根钢缆3的内切圆直径d₄小于钢缆的直径d₂，而能够使钢缆3接近钢索的中心侧，其结果是，当钢索上作用有张力时，能够减小由各钢缆3沿周向作用的力与从钢索中心到钢缆中心的距离的积所表示的转矩。并且，通过使钢缆3的捻绕方向与细钢线及股线的捻绕方向为反方向，而使在细钢线和股线上产生的转矩与在钢缆上产生的转矩沿相互抵消的方向产生，因此减小绳索整体转矩，其结果是，减小钢索的整体想要绕钢索的中心轴旋转的自转性而减小扭转覆盖树脂的力，其结果是，能够抑制自转性引起的覆盖树脂的损伤。

Claims (6)

1.一种电梯用钢索，将多根细钢线捻合而形成股线，将多根所述股线捻合而形成钢缆，将多根所述钢缆捻合而构成钢索，在所述钢索内填充有树脂，且在所述钢索表面覆盖有树脂，所述电梯用钢索的特征在于，

所述细钢线及所述股线的捻绕方向与所述钢缆的捻绕方向为反方向，并且捻合的多根所述钢缆的内切圆直径小于所述钢缆的直径。

2.根据权利要求1所述的电梯用钢索，其特征在于，

所述股线在圆周上以1层配置六根而形成所述钢缆，所述钢缆在圆周上以1层配置五根而形成所述钢索。

3.根据权利要求1所述的电梯用钢索，其特征在于，

设所述钢缆的直径为d₂、所述内切圆直径为d₄、相邻的所述钢缆之间的树脂厚度为δ，而定义为η＝δ/d₂、ε＝d₄/d₂时，ε为0.5～1的范围，使用由θ＝sin^-1{(1+η)/(1+ε)}(°)导出的角度θ，将180/θ的值进位后的整数值作为所述钢缆的根数N。

4.根据权利要求1、2或3所述的电梯用钢索，其特征在于，

所述钢缆的捻绕间距是所述钢索的钢线部的外径的10～11倍。

5.根据权利要求1、2或3所述的电梯用钢索，其特征在于，

所述树脂为聚氨酯树脂。

6.根据权利要求1、2或3所述的电梯用钢索，其特征在于，

所述树脂具有：内层树脂，其具有确保多根所述钢缆的间隔的突起；外层树脂，其覆盖由所述内层树脂确保了间隔的多根所述钢缆。