面向電梯對(duì)重架的數(shù)值模擬分析

趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

面向電梯對(duì)重架的數(shù)值模擬分析

趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

對(duì)重架作為電梯的重要部件，對(duì)電梯的正常運(yùn)行起到舉足輕重的作用。通過(guò)使用Creo建立電梯對(duì)重架的3D模型，然后使用ANSYS Workbench分析其應(yīng)力與變形。對(duì)比其理論計(jì)算與CAE分析的結(jié)果，給出對(duì)重架反彈工況加速度的計(jì)算方法，并且對(duì)各種工況下的對(duì)重架進(jìn)行了有限元分析。

對(duì)重架；工況；有限元

Abstract：Counterweight frame is a primary part of an elevator， which plays a critical role for its steady running. This paper is intended to creat three-dimension models of counterweight frame assembly with Creo software and conduct FEA analysis with ANSYS Workbench Software， which is verified by ASME17.1.Compared to hand calculations and CAD simulations， the same results are obtained with different methods. The finite element analysis of the counterweight frame under different working conditions is carried out.

Keywords：counterweight frame；working conditions；the finite element

近年來(lái)，電梯在使用過(guò)程中的安全事故時(shí)常發(fā)生，除使用不當(dāng)?shù)热藶橐蛩赝?，某些部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理也是造成事故的重要原因。對(duì)重架作為電梯的核心部件之一，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)電梯的安全運(yùn)行起著舉足輕重的作用。本研究就對(duì)重架設(shè)計(jì)的理論計(jì)算及有限元分析進(jìn)行了的探討。

圖1 電梯原理圖

對(duì)重系統(tǒng)(后簡(jiǎn)稱對(duì)重)包含對(duì)重架和對(duì)重塊，是由曳引繩經(jīng)曳引輪與轎廂相連接，在運(yùn)行過(guò)程中起到平衡作用[1]。圖1為常見(jiàn)的曳引比為1∶1和2∶1的電梯原理圖。對(duì)重相對(duì)于轎廂懸掛在鋼絲繩的另一側(cè)，起到平衡轎廂的作用，并使轎廂與對(duì)重的重量通過(guò)鋼絲繩作用于曳引輪，從而保證其有足夠的驅(qū)動(dòng)力。由于轎廂的載重是變化的，因此不可能做到兩側(cè)的重量始終相等并處于完全平衡狀態(tài)。一般情況下，只有轎廂的載重達(dá)到50%的額定載重量時(shí)，對(duì)重側(cè)和轎廂側(cè)才處于完全平衡，這時(shí)的載重稱為電梯的平衡點(diǎn)，此時(shí)由于鋼絲繩兩端的靜荷重相等，使電梯處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

1 企業(yè)常用計(jì)算方法

通常在對(duì)重架的設(shè)計(jì)時(shí)，只要保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度即可[2]。圖2為曳引比為2∶1某一型號(hào)電梯對(duì)重架簡(jiǎn)圖，圖3為使用Creo2軟件所建模型[3]。

圖2 對(duì)重架簡(jiǎn)圖

圖3 對(duì)重模型

實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)在做對(duì)重架設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮對(duì)重架上、下梁和側(cè)梁的強(qiáng)度，以及螺栓(及焊縫)強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)將對(duì)重架上、下梁分別簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁。

1.1 對(duì)重架上梁、下梁計(jì)算與側(cè)梁受力計(jì)算

對(duì)重架上、下梁簡(jiǎn)支梁模型如圖4所示。

圖4 對(duì)重上、下梁受力分析圖

對(duì)上梁受力分析知，在靜載時(shí)，對(duì)重處于井道最上時(shí)，即轎廂位于最低層站時(shí)，因有補(bǔ)償額外施加的重力，對(duì)重所受力為最大。

緩沖器撞擊時(shí)，對(duì)重架下梁受力最大，沖擊加速度為2 g。對(duì)重架撞擊緩沖器時(shí)，mc為零，因此，

根據(jù)對(duì)重架上、下梁截面，利用AutoCAD Mechanical 2015計(jì)算的對(duì)重架上梁、對(duì)重架下梁慣性矩截圖，如圖5所示。

圖5 對(duì)重上梁、下梁截面矩

圖6是利用AutoCAD Mechanical 2015工程計(jì)算工具所計(jì)算的施加約束力，支點(diǎn)反作用力下應(yīng)力曲線和彎矩曲線。

圖6 支點(diǎn)反作用力下應(yīng)力曲線、彎矩曲線

應(yīng)力等相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，靜載工況下，應(yīng)力最大值是42.915 MPa，緩沖器撞擊工況下，最大應(yīng)力值為61.998 MPa，應(yīng)力值均在允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。

對(duì)重架側(cè)梁(單側(cè))截面如圖8所示，面積最小處為775.4 mm2，其總面積A=2×775.4=1 550.8 mm2。則對(duì)重架側(cè)梁拉應(yīng)力

圖7 對(duì)重架上梁、對(duì)重架下梁計(jì)算結(jié)果

圖8 側(cè)梁截面圖

1.2 螺栓的強(qiáng)度計(jì)算

因?qū)χ丶軅?cè)梁與對(duì)重架上、下梁之間采用螺栓連接，是通過(guò)螺栓預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力平衡外部載荷的。此時(shí)的螺栓受到的拉應(yīng)力與擰緊螺栓的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的共同作用，相當(dāng)于受到復(fù)合應(yīng)力的作用[5]。取螺栓的安全系數(shù)為6.5，同時(shí)螺栓為8.8級(jí)，則螺栓的許用拉應(yīng)力為

GB5783 M16X45-8.8螺栓螺紋小徑為13.835 mm，因此螺栓的強(qiáng)度完全滿足要求。返繩輪組件的計(jì)算可以參考文獻(xiàn)[6]。

2 有限元分析

近年來(lái)，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑。在對(duì)重架分析中，電梯分為靜載、緩沖器撞擊、緊急制停和對(duì)重反彈等幾種工況，企業(yè)分析計(jì)算存在模型簡(jiǎn)化內(nèi)容多，復(fù)雜工況難以計(jì)算問(wèn)題，因此，采用有限元數(shù)值模擬分析。

2.1 緊急制停對(duì)重加速度計(jì)算

對(duì)于緊急制停工況，可以計(jì)算轎廂加速度[7]，因轎廂裝載情況不同，計(jì)算結(jié)果相應(yīng)不同。

式中：P為空載轎廂及其支撐的其他部件的質(zhì)量之和，共1 515 kg；Q為額定載重量，1 000 kg；mr為轎廂側(cè)單邊鋼絲繩重量，208.2 kg；f為滯留工況當(dāng)量摩擦系數(shù)，0.371；α為包角，2.757 6 rad；αCAR為轎廂加速度，單位為m/s2。

根據(jù)GB7588-2003附錄M—曳引力計(jì)算[8]，則efα=2.783。

滿載時(shí)，Q為1 000；空載時(shí)，Q為0，將相應(yīng)數(shù)值代入上述公式，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1中所計(jì)算結(jié)果為轎廂的加速度，轎廂上行時(shí)加速度方向與重力加速度相反，轎廂下行加速度方向與重力加速度相同。對(duì)重側(cè)加速度αCWT則與αCAR相反，所以對(duì)于對(duì)重系統(tǒng)，其最大加速度為

表1 緊急制停轎廂加速度計(jì)算m/s2

2.2 對(duì)重反彈加速度計(jì)算

當(dāng)轎廂撞到緩沖器或轎廂安全鉗制動(dòng)時(shí)，對(duì)重會(huì)因慣性向上彈起后下落，直到速度為零，后因鋼絲繩彈性繼續(xù)向上反彈，此種工況計(jì)算往往被忽略。受力示意圖如圖9所示。

圖9 受力示意圖

式中：h為提升高度，單位為m；z為鋼絲繩根數(shù)；ρ為鋼絲繩線密度，單位為kg/m。

根據(jù)歐拉公式T2=T1efα，F(xiàn)=m總αCWT。

式中：F為對(duì)重所受合力，單位為N；m總為對(duì)重系統(tǒng)質(zhì)量，單位為kg；

因鋼絲繩是一個(gè)整體，對(duì)重有加速度產(chǎn)生，轎廂側(cè)的鋼絲繩因與對(duì)重連接，同樣也會(huì)產(chǎn)生加速度。當(dāng)對(duì)重滯留工況時(shí)(轎廂壓在緩沖器上，曳引機(jī)向上旋轉(zhuǎn))有成立，可以認(rèn)為，鋼絲繩質(zhì)量折算系數(shù)為efα。因曳引比為2∶1，轎廂側(cè)鋼絲繩質(zhì)量為2mr，同時(shí)對(duì)重又是動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)，則有m總最小值為考慮到重力加速度疊加，則有

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

利用Creo與ANSYS Workbench之間的接口，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，施加接觸、位移、載荷等約束[10-11]。對(duì)重框架(對(duì)重架上、下梁、對(duì)重架側(cè)梁)使用Q235A[12-13]，返繩輪應(yīng)用ANSYS Workbench系統(tǒng)Gray Cast Iron材料，因?qū)χ貕K外層為Q235A材料，中間填充礦石材料，可以復(fù)制Structural Steel屬性，修改其密度為4 829 kg/m3，其他屬性不變，新材料命名為CWT Filler，對(duì)重塊使用該材料。其他部件統(tǒng)一用ANSYS Workbench系統(tǒng)Structural Steel材料。

因緊急制停與對(duì)重反彈工況約束邊界條件相同，僅是加速度大小不同，且對(duì)重反彈加速度小于14.96 m/s2，因此對(duì)重反彈工況就不分析了。 通過(guò)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)靜載、緩沖器撞擊和緊急制停三種常見(jiàn)工況約束及加載如圖10所示，運(yùn)行分析得到三種工況應(yīng)力，應(yīng)變分析如圖11所示。

圖10 三種常見(jiàn)工況約束及加載

由圖11可以看出，靜載工況時(shí)，應(yīng)力最大值達(dá)95.6 MPa，主要原因是導(dǎo)靴連接孔處存在應(yīng)力集中，其他區(qū)域基本在42.499 MPa以下，與理論計(jì)算結(jié)果42.9 MPa還是相符的；緩沖器撞擊工況時(shí)，最大應(yīng)力值為37.9 MPa，與理論計(jì)算結(jié)果61.998 MPa有出入，主要原因是理論計(jì)算是簡(jiǎn)化模型，比如下梁加強(qiáng)板在承受緩沖器撞擊可以適當(dāng)分散沖擊力，企業(yè)目前所用計(jì)算方法受限，故優(yōu)先考慮有限元分析；緊急制停工況時(shí)，最大應(yīng)力值為146.2 MPa，同樣有應(yīng)力集中現(xiàn)象，且位置與靜載工況相同。

圖11 三種常見(jiàn)工況應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

ASME A17.1對(duì)于各工況有相關(guān)應(yīng)力的要求，相關(guān)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求如表2所示。對(duì)于對(duì)重架上、下梁的變形，只要不大于跨距1/190[14]即可。依據(jù)理論計(jì)算及有限元分析，此款對(duì)重架設(shè)計(jì)安全可靠。

表2 許用應(yīng)力表[15]

3 結(jié)論

本研究分析了對(duì)重的各種工況，并且進(jìn)行了理論計(jì)算及有限元計(jì)算。結(jié)果表明，對(duì)重架總體強(qiáng)度完全滿足要求，特別是螺栓、對(duì)重架上、下梁這兩個(gè)部件。而對(duì)重架側(cè)梁局部存在應(yīng)力集中，對(duì)該部位進(jìn)行加固可以解決此類問(wèn)題。

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(責(zé)任編輯：李 華)

Numerical Simulation Analysis of Elevator Counterweight Frame

ZHAO Haiyan
(School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

TH123-3

A

1008-5475(2017)03-0038-05

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.03.008

2017-01-12；

2017-02-02

蘇州市科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(SZS201009)

趙海燕(1978-)，女，河北滄州人，講師，碩士，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究。

趙海燕.面向電梯對(duì)重架的數(shù)值模擬分析[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28(3)：38-42.