電梯曳引機(jī)主軸的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳琳

大連特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院有限公司 遼寧大連 116013

1 電梯結(jié)構(gòu)

曳引電梯的傳動系統(tǒng)主要由安裝在機(jī)房內(nèi)的電機(jī)、減速器、制動器、聯(lián)軸器等設(shè)備組成，其中曳引電機(jī)傳動系統(tǒng)是動力單元。電機(jī)將動力傳遞到曳引鋼絲繩的一端，通過聯(lián)軸器、減速器和曳引輪將一端與配重裝置連接到小車上。電梯的曳引力是由小車的重力和作用于牽引鋼絲繩上的配重以及曳引鋼絲繩與曳引輪之間產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的[1]。

2 主軸的設(shè)計(jì)

依據(jù)客戶提供的某型號電梯曳引機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，，其技術(shù)參數(shù)：額定負(fù)載是650公斤，膠囊重量是950公斤，提升高度是100米，直徑6.5毫米的鋼絲繩，鋼絲繩每米的重量是0.16公斤/米，鋼絲繩的數(shù)量是6，平衡系數(shù)為0.45，牽引比2軸允許掛2200公斤的重量，主軸實(shí)際重量是1517.25公斤。

（1）計(jì)算主軸強(qiáng)度。圖1顯示了電梯主軸結(jié)構(gòu)的受力，其中前軸承的支撐點(diǎn)是A點(diǎn)；后軸承的支撐點(diǎn)是B點(diǎn)；曳引輪的中點(diǎn)是C點(diǎn)；轉(zhuǎn)子的的中點(diǎn)是D點(diǎn)。A點(diǎn)的Da軸直徑為80毫米，D點(diǎn)的Dd軸直徑為75毫米，制動花鍵部分的最小直徑為46.3毫米，主軸材料為40Cr。曳引輪處受力F為2200kg，L1為188mm是A支點(diǎn)到D點(diǎn)距離，L2為174mm是D點(diǎn)到B支點(diǎn)的距離，L3為69mm是曳引輪中點(diǎn)到A支點(diǎn)距離，RA為2619.34N是支點(diǎn)A的的作用力，RB為419.34N是支點(diǎn)B的作用力，260N·m是主軸運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，650N·m是制動狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，1487.64N·m是A點(diǎn)的彎矩，715.05N·m是D點(diǎn)的彎矩，B點(diǎn)的彎矩為0。1510.19N·m是A點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的彎扭組合力矩為1510.19N·m，制動狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩為1623.44N·m，D點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的彎扭組合力矩，966.33N·m是制動狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩。51200mm3是A點(diǎn)抗彎截面模量，42187.5mm3是D點(diǎn)的抗彎截面模量，19850.57mm3是花鍵部分抗扭截面模量，31.71MPa（制動狀態(tài)）是A點(diǎn)的彎曲應(yīng)力，22.91MPa（制動狀態(tài)）是D點(diǎn)的彎曲應(yīng)力，τ為32.74MPa（制動狀態(tài)）是花鍵部分的抗扭應(yīng)力，[σ]為75MPa是材料的許用彎曲極限，[τ]為40MPa是材料的許用扭轉(zhuǎn)極限。上述計(jì)算表明，主軸強(qiáng)度滿足要求。

（2）主軸剛度的計(jì)算。DC為79mm是C點(diǎn)的軸徑，Dd為75mm是D點(diǎn)的軸徑，Ic為1911957.59mm4是C點(diǎn)的慣性矩，Id為1553155.52mm4是D點(diǎn)的慣性矩，E為206000MPa是材料的彈性模量。-0.0374mm（方向向下）是C點(diǎn)的撓度，0.0375mm（方向朝下）是D點(diǎn)的撓度。允許的撓度不應(yīng)超過發(fā)動機(jī)空氣隙量的0.1倍，即0.1毫米。上述計(jì)算表明，主軸的剛度滿足要求。

（3）計(jì)算主軸疲勞的強(qiáng)度計(jì)算。當(dāng)只有彎矩的時(shí)候，350是A點(diǎn)與D點(diǎn)的彎曲疲勞極限；1.9和1.51是A和D點(diǎn)應(yīng)力的有效集中系數(shù)；0.95是A和D點(diǎn)的表面質(zhì)量系數(shù)；尺寸為0.64A點(diǎn)與D點(diǎn)的尺寸影響系數(shù)，0.43是A點(diǎn)與D點(diǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)，1487.64MPa和715.05MPa是A點(diǎn)與D點(diǎn)的彎矩；51200mm3和42187.5mm3是A點(diǎn)與D點(diǎn)的抗彎截面模量；29.06MPa和16.95MPa是A點(diǎn)與D點(diǎn)的彎曲應(yīng)力；A點(diǎn)與D點(diǎn)的平均應(yīng)力為0；10.43和22.49是A點(diǎn)與D點(diǎn)僅考慮彎曲時(shí)的安全系數(shù)。當(dāng)僅扭轉(zhuǎn)作用時(shí)，200是A點(diǎn)與D點(diǎn)的彎曲疲勞極限；1.59和1.45是A點(diǎn)與D點(diǎn)的有效應(yīng)力集中系數(shù)；0.95是A點(diǎn)與D點(diǎn)的表面質(zhì)量系數(shù)；0.72是A點(diǎn)與D點(diǎn)的尺寸影響系數(shù)，0.29是A點(diǎn)與D點(diǎn)的平均應(yīng)力折算系數(shù)，650MPa是A點(diǎn)與D點(diǎn)的彎矩；102400mm3和84375mm3是A點(diǎn)與D點(diǎn)的抗扭截面模量；6.35MPa和7.7MPa是A點(diǎn)與D點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；A點(diǎn)與D點(diǎn)的平均應(yīng)力為0；13.55和12.25是A點(diǎn)與D點(diǎn)僅考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)的安全系數(shù)。上述計(jì)算表明，點(diǎn)8.26和10.76是點(diǎn)A和D的疲勞安全系數(shù)，其值遠(yuǎn)高于1，因此主軸的疲勞強(qiáng)度滿足要求[2]。

3 主軸的優(yōu)化

在電梯工作中，主軸的載荷非常復(fù)雜，在實(shí)際操作中，很難確定強(qiáng)度的計(jì)算是可靠的。因此，本文根據(jù)工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分別計(jì)算了對主軸處于空載上行、空載下行、滿載上行及滿載下行四種工況分別進(jìn)行計(jì)算，并在每個(gè)工況下的受力分別為10604.55N、10831.35N、22561.35N以及13666.35N?；谶@四種情況，當(dāng)電梯滿載行駛時(shí)，在主軸系統(tǒng)中最容易受到載荷的影響。于是，利用軟件ansys有限滿載的提高工況面臨著十分嚴(yán)峻的問題進(jìn)行數(shù)值模擬，主要軸靜力分析中，材料是40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，采用2.06×105mpa的彈性模型，0.27的泊松比，785mpa的屈服強(qiáng)度，980mpa的抗拉強(qiáng)能力。可忽略不影響強(qiáng)度的螺紋孔和花鍵結(jié)構(gòu)，以便優(yōu)化網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和提高計(jì)算速度。在主軸系統(tǒng)處于滿載條件下，利用分析了主軸系統(tǒng)的應(yīng)力和等效位移。57.682MPa是主軸的等效最大應(yīng)力，5是安全系數(shù)，157MPa是材料允許應(yīng)力，因此主軸的強(qiáng)度符合要求。

4 結(jié)論

曳引電動機(jī)是電梯傳動系統(tǒng)中的驅(qū)動元件，曳引電動機(jī)電梯是傳動系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其設(shè)計(jì)水平和硬件質(zhì)量將直接影響電梯的工作性能和使用壽命。