一種電梯轎廂門鎖的改進(jìn)設(shè)計(jì)

穆洪彪，張含博，趙培余

（林肯電梯（中國）有限公司，浙江海寧 314415；2.沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽 110001；3.沈陽東北制藥設(shè)計(jì)有限公司，遼寧沈陽 110027）

電梯轎廂門鎖安裝在電梯轎廂上，位于轎廂門外側(cè)，層門內(nèi)側(cè)，具有4項(xiàng)功能：第一項(xiàng)功能是電梯在平層位置，通過層門鎖上的左側(cè)滾輪帶動層門打開或關(guān)閉；第二三項(xiàng)功能是給電梯轎廂上鎖和解鎖；第四項(xiàng)功能是轎廂在事故狀態(tài)下的轎廂緊急救援開鎖。從這幾項(xiàng)功能上粗略分析，實(shí)現(xiàn)這些功能所需要的力均不大，因此從現(xiàn)代制造業(yè)的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念出發(fā)，電梯轎廂門鎖中的的金屬材質(zhì)門刀及圓鋼材質(zhì)的操縱桿有可能是過強(qiáng)度設(shè)計(jì)，但對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)也必須經(jīng)過強(qiáng)度校核，在滿足使用要求的條件下才能用其他材質(zhì)或結(jié)構(gòu)所替換，以降本增效，節(jié)約社會資源。

1 電梯轎廂門鎖結(jié)構(gòu)[1]

如圖1[2]—3所示，電梯轎廂門鎖主要由主門刀機(jī)構(gòu)、副門刀機(jī)構(gòu)、上鎖機(jī)構(gòu)、轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)組成，主門刀機(jī)構(gòu)主要由限位擋板102和定位板103，左側(cè)門刀116、右側(cè)門刀106、連桿一109、連桿二114及與它們鉸接的銷軸等零件組成；副門刀機(jī)構(gòu)主要由安裝板404、副門刀407、連桿三402、連桿四406、連桿五409及與它們鉸接的銷軸等零件組成；上鎖機(jī)構(gòu)主要包括轎廂門鎖鉤302及轎廂門鎖鉤座303；轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)（改進(jìn)后)主要由細(xì)鋼絲繩502、拉伸彈簧505和鋼絲508等零件組成。

2 機(jī)構(gòu)作用及其受力

如圖1—3所示，主門刀機(jī)構(gòu)通過層門鎖鉤座203上的左側(cè)滾輪204推動層門打開或拖拉層門關(guān)閉（層門在設(shè)計(jì)時(shí)具有自動關(guān)閉功能），副門刀機(jī)構(gòu)用于在轎廂位于平層位置在電梯轎廂門打開時(shí)為轎廂門解鎖，上鎖機(jī)構(gòu)用于保護(hù)電梯處于正常上下運(yùn)行工作狀態(tài)下時(shí)轎廂內(nèi)乘客的人身安全，此時(shí)轎廂門處于上鎖狀態(tài)；轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)用于電梯轎廂處于非平層狀態(tài)或出現(xiàn)事故位于底坑位置，在打開層門或轎廂門外露時(shí)，電梯專業(yè)人員從轎廂外面移動操縱桿解鎖電梯轎廂門，再打開轎廂門，用于解救轎廂內(nèi)的乘客；從以上各機(jī)構(gòu)的作用分析中可知，主門刀機(jī)構(gòu)中的左側(cè)門刀受力最大，受到轎廂門機(jī)主動開門力帶動層門移動所產(chǎn)生的彎矩作用，由于轎廂門機(jī)所配置的電機(jī)功率很小，因此電機(jī)軸的輸出扭矩不大，它產(chǎn)生的開門力也不大，而右側(cè)門刀由于在使用過程中沒有彎矩存在，只受到輕微的拉力或壓力，受力非常??；副門刀機(jī)構(gòu)中的主要零件副門刀受到轎廂鎖鉤所產(chǎn)生的偏心阻力矩的作用而產(chǎn)生的拉力，受力較??；轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)中的操縱桿的受力大小與副門刀相同。

圖1 轎廂門鎖結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 圖2中I部放大視圖

3 主門刀機(jī)構(gòu)中重要零件左側(cè)門刀和右側(cè)門刀改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 受力分析

如圖4所示[7]，主門刀機(jī)構(gòu)受到層門開門力的反作用力F0及兩個(gè)鉸接銷軸（銷軸四110和銷軸六113）的支撐力F（兩個(gè)支撐力大小相等，方向一致）的作用，安裝板對擋桿組件向下的壓力F2作用。

圖4 主門刀機(jī)構(gòu)受力分析圖

左側(cè)門刀受到層門開門力的反作用力F0及兩個(gè)鉸接銷軸（銷軸二107和銷軸七117）的支撐力F（兩個(gè)支撐力大小相等，主向一致）的作用，這兩個(gè)支撐力可以分別分解出兩個(gè)分力；擋桿組件對左側(cè)門刀的向下的壓力F2和由于F2移動到左側(cè)門刀平面力系中產(chǎn)生的力偶矩M（在這里力偶矩M數(shù)值非常小忽略計(jì)算）的作用。

在水平方向?yàn)?/p>

式中：α為連桿軸線與水平方向的夾角。

在豎直方向?yàn)?/p>

式中：α為連桿軸線與水平方向的夾角。

列平衡方程為

解上述平衡方程為

右側(cè)門刀在層門運(yùn)動過程中只受到限位擋板102通過銷軸一105對施加壓力F1的作用其大小為

3.2 左側(cè)門刀剛度計(jì)算和彎曲強(qiáng)度校核

按F作用于左側(cè)門刀支撐點(diǎn)連線中點(diǎn)計(jì)算，左側(cè)門刀的剛度（最大變形量）計(jì)算[3]為

式中：ymax為在力F的作用下的左側(cè)門刀的最大變形量，mm；L為左側(cè)門刀兩個(gè)支撐點(diǎn)間的距離，mm；E為左側(cè)門刀材料的彈性模量，N/mm2；I為左側(cè)門刀在力F的作用點(diǎn)截面的慣性矩，N/mm4。

左側(cè)門刀的強(qiáng)度校核為

式中：δ是左側(cè)門刀的彎曲強(qiáng)度，N/mm2；M為左側(cè)門刀受最大彎矩矩，N?mm，M=FL/4；w是左側(cè)門刀的抗彎截面模數(shù)，mm3；[δ]是門刀材料的許用彎曲強(qiáng)度，N/mm2。

3.3 改進(jìn)實(shí)例

3.3.1 左側(cè)門刀

如圖5所示，一種轎廂門機(jī)的電機(jī)功率為P=50 W，輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)：n=200 r/min；動力輸出同步帶輪直徑為40 mm，半徑r=0.02 m。

則電梯層門的最大開門力[5]（這里按把轎廂門機(jī)電機(jī)全部功率都施加在層門上進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上，施加在層門上的功率應(yīng)只有門機(jī)電梯功率的50%左右）為

式中：T為電機(jī)的輸出扭矩，N?m；n是電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；r為動力輸出同步帶輪直徑，m。

把上述給定數(shù)值代入式（3）為

圖5 轎廂門機(jī)運(yùn)動原理圖

如圖6（a）所示，鋁質(zhì)材料門刀截面比較小，面積為1.85 cm2；它的慣性矩為I=6 328 mm4；彈性模量E=68 000 N/mm2；L=280 mm。左側(cè)門刀材料為鋁質(zhì)材料時(shí)，在力F的作用下的左側(cè)門刀的最大變形量計(jì)算[3]：

圖6 左側(cè)門刀力F作用點(diǎn)的截面視圖

如圖6（b）所示，面積為3.77 cm2；慣性矩I=44 289 mm4；E=3 000 N/mm2；L=280 mm。則左側(cè)門刀材料為高強(qiáng)度中沖擊型ABS材料時(shí)，在力F的作用下的左側(cè)門刀的最大變形量計(jì)算及彎曲強(qiáng)度校核：

彎曲強(qiáng)度校核為

式中：δ是左側(cè)門刀的彎曲強(qiáng)度，N/mm2；M為左側(cè)門刀受最大彎矩矩，N?mm，M=FL/4；w是左側(cè)門刀的抗彎截面模數(shù)，mm3，圖6（b）中截面的抗彎模數(shù)為w=I/24=1 845 mm3；[δ]是高強(qiáng)度中沖擊型ABS材料的彎曲強(qiáng)度，這里取[δ]=97 N/mm2，則

綜上所述，左側(cè)門刀使用高強(qiáng)度中沖擊型ABS材料完全可以滿足使用要求。

進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案：如果有進(jìn)行長壽命試驗(yàn)的條件，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，還可以相應(yīng)減小橫截面積，以節(jié)約材料成本。

3.3.2 右側(cè)門刀

右側(cè)門刀所受壓力計(jì)算為F1=F2=F sinα，這里取α=4°，則F1=F sinα=8.3 N。

因此，右側(cè)門刀只受到輕微的向下壓力作用，可以使用與鋁質(zhì)材左側(cè)門刀同樣截面的高強(qiáng)度中沖擊型ABS材料制做，以進(jìn)一步降低原材料成本。

3.3.3 鉸接孔厚度設(shè)計(jì)

由于采用這種非金屬材料制做左側(cè)、右側(cè)門刀，它們的熱膨脹系數(shù)比相應(yīng)的金屬材料大10倍以上[4]，為了滿足該四桿機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動，左側(cè)門刀、右側(cè)門刀的下部鉸接孔應(yīng)設(shè)計(jì)為豎直腰形孔，用以抵消由于使用高強(qiáng)度中沖擊型ABS材料[4]使左側(cè)門刀或右側(cè)門刀在不同環(huán)境溫度內(nèi)的伸長或收縮產(chǎn)生的長度方向變形量。

鉸接銷軸在這種腰形孔內(nèi)運(yùn)動，相當(dāng)于車輪在軌道上滾動，因此，腰形孔的厚度應(yīng)由下述公式[6]計(jì)算為

式中：Pmax為允許最大輪壓，N，這里為了保證該孔足夠安全，可以取Pmax=119.3 N；k為車輪與滾輪的許用比壓，N/mm2，這里??；D為鉸接銷軸直徑，mm，取D=10 mm；L為腰形孔厚度，mm。

（1）左側(cè)門刀

左側(cè)門刀下鉸接腰形孔的厚度計(jì)算為

取L=7 mm，可以滿足左側(cè)門刀的使用要求。

（2）右側(cè)門刀

下鉸接腰形孔的厚度計(jì)算設(shè)計(jì)說明：右側(cè)門刀由于沒有水平力的作用，因此可以相應(yīng)減小腰形孔的厚度，按結(jié)構(gòu)需要選擇。

4 副門刀機(jī)構(gòu)中重要零件副門刀改進(jìn)設(shè)計(jì)

如圖7所示[7]，副門刀機(jī)構(gòu)只受到連桿四406的拉力T作用及左側(cè)滾輪的推動力N，從圖7（b）所示的副門刀受力圖中可以清楚知道，N的數(shù)值應(yīng)小于T的數(shù)值，而在如圖1所示的實(shí)例中，T=3.5 N，因此，該副門刀可以直接用非金屬材料取代金屬鋁制做，以降低原材料成本；副門刀的下部絞接孔也應(yīng)設(shè)計(jì)為腰形孔，道理同右側(cè)門刀腰形孔設(shè)計(jì)的原理。

圖7 副門刀機(jī)構(gòu)受力原理圖

5 轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

如圖8所示，原轎廂轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)中操縱桿為防滑拉桿701，在拉桿固定架下中設(shè)置有壓縮彈簧，用于支撐防滑拉桿，該防滑拉桿701用φ8 mm×1 750 mm圓鋼制做，僅用于拉動轎廂門鎖鉤302，受到的拉力為3.5 N，因此采用如圖2、3中所示鋼絲508（這里選φ1 mm）作為操縱桿使用，從功能上沒有任何問題，另一方面，由于鋼絲508的重量輕，只有原防滑拉桿701重量的1/64，使之保持拉伸豎直狀態(tài)的拉伸彈簧505的拉力也不大，因此可以進(jìn)一步減輕其他輔助零件的重量，從而顯著降低轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)的制造成本。

作為另外兩種改進(jìn)型式，使φ1 mm鋼絲保持張緊狀態(tài)的力也可以由壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧提供，其中壓縮彈簧的有效壓縮長度應(yīng)大于拉動轎廂門鎖鉤302解鎖的行程[1]。

作為最佳方案之一，細(xì)鋼絲繩與鋼絲可以為一體結(jié)構(gòu)，使用與左側(cè)轎廂門112固定連接的扭轉(zhuǎn)彈簧定位的細(xì)鋼絲繩或鋼絲作為操縱桿使用，這樣節(jié)材效果最優(yōu)（定位板一503可省略），從節(jié)約角度出發(fā)，使用鍍鋅彈簧鋼絲（鍍鋅可以防腐）為最優(yōu)選擇，因?yàn)閺椈射摻z的耐疲勞強(qiáng)度高，這可解決電梯在使用過程中鋼絲振動產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象。

鋼絲的強(qiáng)度校核[8]為

式中：δ是鋼絲截面上的正應(yīng)力，N/mm2；FN是鋼絲受到的軸力， N，F(xiàn)N=13.5 N（FN為彈簧預(yù)緊力、鎖鉤行程產(chǎn)生的彈力和鎖鉤阻力的合力）；A是鋼絲的截面積，mm2，A=0.78 mm2；[δ]是鋼絲的許用應(yīng)力，N/mm2，鋼絲材料為碳素彈簧鋼絲，這里取[δ]/1.48=1 122 N/mm2。

則

圖8 原轎廂緊急救援機(jī)構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

（1）通過對主門刀機(jī)構(gòu)受力分析，計(jì)算主門刀機(jī)構(gòu)中的左側(cè)門刀采用金屬鋁和高強(qiáng)度中沖擊型ABS材料的剛度后，兩者之間的數(shù)值相差不大；又對后者進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核，證明采用后者完全可以替代前者；左側(cè)門刀進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案：如果有進(jìn)行壽命試驗(yàn)的條件，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，還可以相應(yīng)減小橫截面積，以節(jié)約材料成本；右側(cè)門刀只受到輕微壓力的作用，則可以直接采用原鋁質(zhì)材料的相同截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低制造成本的效果更為明顯。

（2）通過對副門刀機(jī)構(gòu)的受力分析，副門刀只受到較小的外力——連桿四的拉力和左側(cè)滾輪的推力作用，因此可以直接采用更換制造材料的方法改進(jìn)，降低制造成本的效果顯著。

（3）轎廂門救援開鎖機(jī)構(gòu)中，操縱桿用φ1 mm的鍍鋅彈簧鋼絲取代φ8 mm的圓鋼，可以最大限度地減輕轎廂救援機(jī)構(gòu)的材料使用量，從而減輕轎廂的重量，降低制造成本。

（4）綜上所述，在進(jìn)行電梯設(shè)計(jì)制造過程中，充分了解各機(jī)構(gòu)的作用，對各組成零件進(jìn)行精確的受力分析，不難看出原設(shè)計(jì)的零件是否為最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，合理的部分繼承，不合理的部分可以進(jìn)行大膽的改進(jìn)，但必須應(yīng)用等強(qiáng)度原理，經(jīng)強(qiáng)度校核后才能施行；如果有進(jìn)行壽命試驗(yàn)條件，還可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，這對電梯產(chǎn)品中其它機(jī)構(gòu)中零件的設(shè)計(jì)制造具有指導(dǎo)意義。