基于ANSYS的電梯曳引機輪齒失效分析

劉 磊，李德鋒，韋方平，阮一暉

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇常州 213000）

0 引言

電梯在城市中的應(yīng)用越來越普及，隨著樓層的不斷增加，電梯的運行速度越來越快，曳引機的功率也隨之不斷升高。近年來，各種電梯沖頂事故時有發(fā)生，主要原因就是電梯曳引機的蝸輪失效，因此對曳引機減速箱的輪齒失效分析成為目前亟需要解決的問題。

曳引機又被稱為電梯驅(qū)動主機，是電梯的動力來源。輸送與傳遞動力使電梯正常運行是電梯曳引機的主要功能。在電梯技術(shù)飛速發(fā)展的今天，曳引機一般分為有齒輪曳引機和無齒輪曳引機，比較常見的是有齒輪曳引機。有齒輪電梯曳引機通常由電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速箱、曳引輪、機架和導(dǎo)向輪及附屬緊急盤車裝置等部件組成[1]。有齒輪曳引機通常是利用減速箱將電動機動力傳輸?shù)揭芬?，以實現(xiàn)動力傳輸和減速比要求。為了提高電梯運行時的平穩(wěn)性、減少運行噪聲和減速箱體積，一般情況下使用蝸輪蝸桿減速箱。按蝸輪蝸桿的布置方式，通常又由可分為上置式和下置式。

文獻[2]指出：電梯減速箱出現(xiàn)下列情況之一，將視為達到報廢技術(shù)條件：

（1）蝸輪副、斜齒輪、行星齒輪出現(xiàn)影響安全運行的輪齒塑性變形、折斷、裂紋、齒面點蝕、膠合或磨損等形式的嚴重失效；

（2）傳動軸、軸承或鍵出現(xiàn)影響安全運行的損壞；

（3）減速箱體出現(xiàn)裂紋；

（4）減速箱滲漏油不符合GB/T 24478-2019中4.2.3.8要求。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)已經(jīng)有不少學(xué)者對齒輪的失效分析做了研究，但是針對電梯曳引機蝸輪的失效分析還是少有涉及。歐陽惠卿等[3]對比相關(guān)技術(shù)標準的要求，針對電梯用減速箱中齒輪、傳動軸、箱體，分析其失效模式、機理和風(fēng)險，提出電梯用減速箱的報廢技術(shù)條件。劉興華[4]論述齒輪失效的各種形式，分析產(chǎn)生的原因，提出切實可行的解決方法。丁康和王延春[5]討論激振能量對輪齒失效和軸彎曲產(chǎn)生的振動調(diào)制現(xiàn)象的影響，指出變速箱3種不同的調(diào)制現(xiàn)象：齒輪嚙合頻率調(diào)制、齒輪固有頻率調(diào)制和傳動箱固有頻率調(diào)制產(chǎn)生的根本原因是激振對量的不同，同時提出相對應(yīng)的齒輪箱振動故障診斷方法并將它們成功地運用到輪齒失效和軸彎曲的工程實例中。陳忠和鄭時雄[6]簡述齒輪箱傳統(tǒng)信號分析技術(shù)與經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)技術(shù)的異同，并詳細論述EMD的分解原理和富立葉變換的關(guān)系。通過應(yīng)用EMD分解技術(shù)，將齒輪箱振動加速度數(shù)據(jù)進行分解，得到IMF(Intrinsic Mode Function)模式分量，而后提出相應(yīng)的兩種失效參考指標，并且分別驗證其在特定條件下的有效性和可操作性，為齒輪箱振動的故障診斷提供參考方法。

在工業(yè)生產(chǎn)中齒輪及齒輪箱的失效和故障診斷已經(jīng)引起各方學(xué)者的關(guān)注。電梯屬于特種設(shè)備，與老百姓的日常生活息息相關(guān)，尤其驅(qū)動主機的異常振動對電梯安全有重大影響[7]，因此電梯曳引機減速箱的蝸輪蝸桿失效分析迫在眉梢。

2 常見曳引機減速箱蝸輪失效形式

在有齒輪曳引機的減速箱中，蝸輪蝸桿機構(gòu)變速箱是目前應(yīng)用最為普遍的。蝸桿通常選用45鋼或40Cr材料，一般為阿基米德螺旋蝸桿。蝸輪通常應(yīng)選用錫青銅或鋁青銅材料鑄造而成，但現(xiàn)在由于行業(yè)惡性競爭導(dǎo)致大幅度壓低生產(chǎn)成本，所以目前均大量采用高鋁鋅基合金材料來代替。這種替代材料價格便宜，質(zhì)量輕，機械特性好，但缺點是熱敏性高，對鑄造的要求高，容易產(chǎn)生氣孔、疏松和夾渣等缺陷。由于材料和結(jié)構(gòu)上的因素，蝸桿的強度一般高于蝸輪的強度，所以通常都是蝸輪的輪齒失效。

電梯曳引機的減速箱通常是封閉環(huán)境，由于散熱條件不好，并且連續(xù)長時間的重載運行，所以蝸輪蝸桿的蝸輪非常容易發(fā)生失效。工程應(yīng)用中比較常見的蝸輪輪齒的失效形式有：齒面膠合、齒面磨損、齒面點蝕、輪齒折斷和齒面塑性變形等。電梯曳引機的減速箱中齒面磨損和輪齒折斷最常見，如圖1所示。

圖1 輪齒失效

3 建模分析

設(shè)定一般參數(shù)：載重800 kg，梯速1.75 m/s，曳引機功率15 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，曳引輪直徑620 mm，極數(shù)4。為簡化計算，便于觀察輪齒，假設(shè)齒頂直徑48 mm，齒底直徑30 mm，齒數(shù)10，齒厚4 mm，彈性模量2.06×1011，密度7.8 × 103，最大轉(zhuǎn)速5.7 rad/s。

通過考察蝸輪在高速運轉(zhuǎn)時發(fā)生多大的徑向位移，從而判斷其變形情況以及蝸輪運轉(zhuǎn)過程中齒面受到的壓力作用。ANSYS軟件以它的多種分析功能而成為CAE軟件的應(yīng)用主流，在工業(yè)的各個方面應(yīng)用廣泛[8]。本文作者利用ANSYS有限元分析軟件進行建模分析，步驟如下：

（1）建立蝸輪模型：定義單元類型和實常數(shù)、定義材料屬性、建立幾何模型，如圖2所示。

圖2 齒輪模型

（2）對建立好的模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 劃分網(wǎng)格

（3）定義邊界條件并求解：其中定義施加載荷為旋轉(zhuǎn)離心力，由5.7 rad/s轉(zhuǎn)速產(chǎn)生；定義位移邊界條件為固定蝸輪內(nèi)孔邊緣各節(jié)點的周向位移。

（4）查看結(jié)果：查看變形和徑向應(yīng)力，分別如圖4、5所示。

由求解結(jié)果可知，最大變形位于輪齒的外齒廓最大處，數(shù)值為0.004 mm，此處最易發(fā)生輪齒磨損，最大徑向的位置位于齒根處，數(shù)值為0.158e+09，此處最易發(fā)生輪齒折斷。

圖4 齒輪變形

圖5 齒輪徑向應(yīng)力

4 結(jié)束語

電梯是日常生活中一種常見的特種設(shè)備，電梯的正常運行涉及老百姓的人身和財產(chǎn)安全。曳引機是電梯的動力源，是電梯安全運行的最主要部件。對于采用蝸輪蝸桿減速箱的有齒輪曳引機，在維修保養(yǎng)時需按照廠家規(guī)定的要求進行維保，選用合適的潤滑油，必須加到規(guī)定的量，按時更換，對于沒有達到更換時間的潤滑油，在維修保養(yǎng)時只要打開油箱蓋觀察到油的粘度變稠、變稀、潤滑油發(fā)黑變質(zhì)等異?，F(xiàn)象也應(yīng)該立刻更換。電梯減速箱的溫度不宜過高，在日常維保時可以嘗試觸摸軸承的端蓋和減速箱外殼，如果溫升異常，應(yīng)立刻檢查原因，排除原因后方可繼續(xù)運行。曳引機減速箱應(yīng)定期保養(yǎng)，及時更換符合要求的潤滑油。當發(fā)現(xiàn)輪齒有磨損和折斷現(xiàn)象時，應(yīng)及時進行修復(fù)或更換，確保電梯安全運行。