電梯安全鉗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析及優(yōu)化設(shè)計

文/朱國乾，西繼迅達(dá)（許昌）電梯有限公司

1 電梯安全鉗運(yùn)作原理

電梯的安全鉗系統(tǒng)主要由限速器、安全鉗、張緊輪及其他部件組成。電梯安全鉗運(yùn)作原理是在電梯應(yīng)用的時候，如果出現(xiàn)了電梯意外事故，電梯會迅速下行。當(dāng)電梯快速下行的時候，速度可能會超過限速器設(shè)定的速度，通過甩塊（或者類似結(jié)構(gòu)）的離心力作用，限速器在這個時候會因?yàn)榭焖龠\(yùn)作卡緊相關(guān)的限速器結(jié)構(gòu)（例如棘輪），從而導(dǎo)致電梯限速器停止運(yùn)作。限速器在摩擦力的影響下向上提拉安全鉗鉗塊動作，而電梯轎廂由于慣性持續(xù)下行。在電梯下行的時候，產(chǎn)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致安全鉗鉗塊、導(dǎo)軌、轎廂之間間隙減小并且并緊卡死，從而避免電梯下墜引起安全事故。

2 電梯安全鉗機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

2.1 安全鉗關(guān)鍵部件靜力學(xué)分析

2.1.1 U型簧的受力仿真

筆者應(yīng)用SolidWorksSimulation插件進(jìn)行了U型簧的受力仿真，這一仿真得到了該U型簧最大VonMises應(yīng)力1118MPa、最大合位移3．61mm的結(jié)論，而這一數(shù)值就表明U型簧不滿足型式試驗(yàn)要求，為此筆者將動滑塊與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)變?yōu)?．34μ，而再一次進(jìn)行U型簧的受力仿真最終得到的結(jié)果顯示該U型簧滿足了設(shè)計使用要求。

2.1.2 動滑塊的受力仿真對于電梯安全鉗部件來說，動滑塊是其重要組成部分，而結(jié)合SolidWorksSimulation進(jìn)行的動滑塊的受力仿真，筆者得到了安全鉗動滑塊最大VonMises應(yīng)力為144MPa、最大合位移1.81mm、最小安全系數(shù)的動滑塊受力仿真結(jié)果，而結(jié)合本文進(jìn)行的電梯安全鉗設(shè)計，我們能夠清楚得出動滑塊滿足設(shè)計使用要求的結(jié)論。

2.1.3 楔塊的受力仿真而在對楔塊的受力仿真中，通過SolidWor ksSimulation軟件對其進(jìn)行受力仿真，通過約束、摩擦力、均勻分布、正壓力的施加，筆者得到了安全鉗動滑塊最大VonMises應(yīng)力107MP a、最小安全系數(shù)2．04的結(jié)果，而這一結(jié)果就表明本文研究的電梯安全鉗楔塊的仿真結(jié)果符合要求。

2.2 安全鉗的運(yùn)動學(xué)仿真

在完成安全鉗關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析后，我們還需要進(jìn)行安全鉗的運(yùn)動學(xué)仿真，這一仿真需要應(yīng)用軟件SolidWorksMotion，而通過這一仿真就能夠確定本文研究的電梯安全鉗在2．5m/s的運(yùn)行條件下能否滿足設(shè)計使用要求，而結(jié)合SolidWorksMotion求得的安全鉗運(yùn)行中速度隨時間變化、加速度隨時間變化、位移隨時間變化的數(shù)據(jù)，我們能夠清楚發(fā)現(xiàn)電梯安全鉗自由落體運(yùn)動后的速度變化與實(shí)際情況相符合，而電梯安全鉗制停減速度約為0．61倍重力加速度滿足設(shè)計要求，電梯安全鉗制停距離與設(shè)計相差較小也滿足設(shè)計要求，由此可見本文研究的電梯安全鉗具備較高的實(shí)用價值。

3 安全鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 電梯參數(shù)的選擇

早在2015年底我國電梯保有量便已經(jīng)到達(dá)426萬臺，這一世界第一的電梯數(shù)量也使得種類繁多、規(guī)格復(fù)雜已經(jīng)成為了我國電梯行業(yè)的特點(diǎn)，而之所以選擇設(shè)計額定速度2．5m/s、自重1600kg、額定載荷1250kg電梯的安全鉗，主要是由于這一電梯參數(shù)在我國當(dāng)下具備著最廣泛的適用性所致。

3.2 安全鉗的選擇

我國當(dāng)下的安全鉗分為瞬時式和漸進(jìn)式兩類，考慮到本文選擇的電梯參數(shù)，筆者最終選擇了雙楔塊漸進(jìn)式安全鉗作為研究對象，而在這一雙楔塊漸進(jìn)式安全鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計中，該設(shè)計主要由鉗架、型簧、固定楔塊、導(dǎo)板、制動塊、滾針排、動滑塊等7部分組成。

3.3 安全鉗的設(shè)計計算

為了更為深入完成本文研究，我們還需要展開安全鉗的設(shè)計計算，這一計算主要圍繞瞬時式安全鉗的計算、制停減速度的計算、安全鉗作用時的受力計算、導(dǎo)軌工作面所受壓力計算等四方面展開。在瞬時式安全鉗的計算中我們需要應(yīng)用電梯能量轉(zhuǎn)化公式2Q=(P+Q)×g×h×r，這一公式中的Q、g、h、r分別代表電梯安全鉗吸收能量、標(biāo)準(zhǔn)重力加速度、轎廂減速到停止的距離、安全系數(shù);而在制停減速度的計算中，筆者將制動距離設(shè)為640mm，限速器的速度為115%，而通過公式S=(v12-v02)/2a,筆者求得了688．8mm的制動距離結(jié)果;而在安全鉗作用時的受力計算中，結(jié)合能量平衡法則，筆者求出了45．03kN的制動力結(jié)果;而在導(dǎo)軌工作面所受壓力計算中，筆者得出了66．22kN的導(dǎo)軌每個工作側(cè)面受到的壓力結(jié)果。

3.4 安全鉗楔塊的設(shè)計

結(jié)合安全鉗設(shè)計計算求出的各類數(shù)值，我們就可以開展安全鉗楔塊的設(shè)計，這一設(shè)計需要確定楔塊角度、楔塊高度，其中楔塊角度的確定通過公式得出了12°楔塊角度計算的結(jié)果，而考慮到安全性與舒適度，筆者最終確定了7°作為安全鉗楔塊角度;而在楔塊角度的確定中，考慮到楔塊角度為7°、提拉楔塊的一側(cè)與導(dǎo)軌的側(cè)工作面之間為3mm、楔塊材料為45鋼，筆者最終確定了80mm的安全鉗楔塊高度。

3.5 滾針的選擇

為了減小固定楔塊與提拉楔塊之間摩擦力，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T309－2000，筆者選擇了平頭滾針用于本文設(shè)計，這一平頭滾針的表面粗糙度0.2μm、材料選擇GCr15軸承鋼、倒角最小值0.1mm、倒角最大值1mm、徑向0.9mm。

3.6 鉗座體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合上文研究，筆者確定了設(shè)計中的鉗座體選擇低合金鋼16M n作為材料，角焊縫、雙單邊V形坡口焊接。結(jié)合公式τ=M/la(δ+a)≤［τ'］，筆者確定了該鉗座體結(jié)構(gòu)設(shè)計的焊縫能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

本文從電梯安全鉗動作的原理上，詳細(xì)論述了安全鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算、安全鉗關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析、安全鉗的運(yùn)動學(xué)仿真等內(nèi)容，希望這一研究能為相關(guān)業(yè)界人士帶來一定啟發(fā)。