模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與研究

李俊杰 林盛受 李秋怡 黃曉華

摘要：作為建筑物中最常用的垂直運(yùn)輸工具之一，電梯的諸多安全性檢測(cè)是必不可少的，許多針對(duì)于電梯各部件的檢測(cè)工具還在研究和完善當(dāng)中?？紤]到檢測(cè)工具在實(shí)驗(yàn)階段的便捷性，以及在教學(xué)等一些場(chǎng)合下的演示需要，本文借助SolidWorks輔助設(shè)計(jì)了一套模擬實(shí)際電梯的實(shí)驗(yàn)裝置，并詳細(xì)闡述其設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了分析和計(jì)算。

Abstract： As one of the most commonly used vertical transportation vehicles in buildings， many elevator safety inspections are indispensable， and many inspection tools for elevator components are still being researched and improved. Considering the convenience of the testing tool in the experimental stage， and the need for demonstration in teaching and other occasions， this article uses SolidWorks to assist in the design of a set of experimental devices that simulate actual elevators， and analyzes and calculates some key parts.

關(guān)鍵詞：電梯;模擬實(shí)驗(yàn)裝置;SolidWorks

Key words： elevator;simulation experiment device;SolidWorks

中圖分類號(hào)：TU857? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）10-0227-03

0? 引言

隨著科技的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，日常生活中出現(xiàn)了很多便捷的工具，電梯就是其中之一。但是電梯在給民眾帶來(lái)便利的同時(shí)，也隱藏著諸多隱患。由于一些制造誤差或長(zhǎng)期不間斷的使用，電梯各部件會(huì)存在磨損或損壞，如電梯導(dǎo)軌出現(xiàn)不同程度的彎曲扭轉(zhuǎn)、電梯導(dǎo)靴出現(xiàn)損壞、曳引系統(tǒng)的鋼繩存在疲勞破壞等等，這些故障不僅會(huì)影響人們乘坐電梯的舒適性，甚至?xí)a(chǎn)生安全問(wèn)題。因此，對(duì)電梯部分零部件的質(zhì)量性能、配合情況等進(jìn)行全面檢測(cè)十分必要。

電梯從開始制造到實(shí)際運(yùn)行，需要進(jìn)行檢測(cè)的環(huán)節(jié)比較多，一般可以分為出廠檢測(cè)、用前檢測(cè)、型式檢測(cè)、改造檢測(cè)以及定期檢測(cè)等幾類[1]?？紤]到型式檢測(cè)和定期檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)準(zhǔn)確性，以及驗(yàn)證各種檢測(cè)方法可靠性時(shí)的便利性，故需要一套能盡量模擬電梯實(shí)際的狀況，并可進(jìn)行多項(xiàng)檢測(cè)的模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置。

本文利用SolidWorks輔助設(shè)計(jì)了一組模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)一些關(guān)鍵位置進(jìn)行優(yōu)化分析，得到最終的模擬實(shí)驗(yàn)裝置方案。

1? 模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置旨在能夠在室內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)電梯多項(xiàng)指標(biāo)的模擬實(shí)驗(yàn)。該裝置主要由機(jī)械機(jī)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)兩大部分組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有支架、轎廂、緩沖裝置，電氣控制系統(tǒng)包括曳引裝置、控制裝置[2]-[3]。最終只要用控制器控制曳引裝置牽引轎廂沿T型軌在支架上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的模擬運(yùn)行。

由于T型軌和轎廂的導(dǎo)靴之間存在配合關(guān)系，是實(shí)際電梯容易出現(xiàn)問(wèn)題的部分，故需要對(duì)支架尺寸、T型軌間距以及導(dǎo)靴間距等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與準(zhǔn)確計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)裝置中轎廂運(yùn)行速度較為緩慢，可不考慮運(yùn)行速度對(duì)電梯產(chǎn)生的影響。另外由于裝置使用的非長(zhǎng)期性，對(duì)于安裝以及零部件磨損（例如曳引繩、導(dǎo)靴的磨損）對(duì)模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置的影響也不予以考慮[4]。

2? 模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——支架

機(jī)械結(jié)構(gòu)由三大部分組成：支架、轎廂、緩沖裝置。支架起支撐作用，需要具有較好的剛性?？紤]到支架需要與T型軌相互連接，故采用方便進(jìn)行鋸切、鉆孔、攻絲的鋁型材搭建支架。支架設(shè)計(jì)圖如圖1，尺寸為800mm×800mm×2000mm，采用20mm×20mm的鋁型材，T型軌型號(hào)為T75-3/B（10mm）。為了方便調(diào)節(jié)T型軌和支架之間的間隙，用兩塊帶槽的角鋼疊加來(lái)連接T型軌和支架，角鋼的尺寸為40mm×40mm。

鋁型材越長(zhǎng)，其剛度也就越差，支架的剛度也會(huì)相應(yīng)變差。為了提高支架的剛性和穩(wěn)定性，在支架的兩側(cè)腰部橫向固定了兩根20mm×20mm的鋁型材。且為了增大鋁型材與角鋼的接觸面積，在增加支架整體穩(wěn)定性的同時(shí)，加固支架與T型軌的連接，故將支架兩側(cè)的鋁型材全部替換為20mm×40mm的鋁型材。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——轎廂

轎廂作為運(yùn)動(dòng)的主體，需要具備輕便、易拆卸、易調(diào)整的特質(zhì)，采用20mm×20mm的鋁型材搭建轎廂的主體部分。另外，為了讓儀器與轎廂的連接面更加平整、便捷，選擇用木板作為連接面，連接鋁型材與導(dǎo)靴以及相關(guān)儀器，轎廂設(shè)計(jì)圖如圖2。轎廂尺寸為626mm×500mm×500mm。導(dǎo)靴作為移動(dòng)裝置，采用槽寬10mm的滑動(dòng)導(dǎo)靴。

考慮到檢測(cè)時(shí)測(cè)量?jī)x器等裝置不一定能集中放置，為了方便接線與測(cè)量，僅在轎廂的上下左右四個(gè)面安置木板，使連接線能從轎廂的前后兩個(gè)面通過(guò)。又因?yàn)榇藭r(shí)兩根T型軌的間距和轎廂的尺寸都是固定的，故將上下兩塊木板上與滑動(dòng)導(dǎo)靴連接的孔設(shè)計(jì)為槽，以便調(diào)整導(dǎo)靴的水平位置，上下兩塊木板平面設(shè)計(jì)圖如圖2（b）。

木板和鋁型材采用滑塊螺母與螺栓的方式連接。通過(guò)在鋁型材的槽內(nèi)移動(dòng)滑塊螺母可調(diào)整木板位置，提高連接密閉性和轎廂剛性。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——緩沖裝置

緩沖器的工作原理是將運(yùn)行轎廂的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成一種無(wú)害的或安全的能量形式。緩沖器安裝在電梯的轎廂和對(duì)重的正下方。當(dāng)電梯在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生曳引輪與鋼絲繩曳引摩擦力不足、制動(dòng)器抱閘制動(dòng)力不足、鋼絲繩或鋼帶斷裂時(shí)，緩沖器會(huì)起緩沖作用，從而避免轎廂直接沖頂或墩底，保護(hù)乘客和設(shè)備安全[5]。

本實(shí)驗(yàn)裝置選擇市場(chǎng)常見的聚氨酯緩沖器作為緩沖裝置。聚氨酯緩沖器是利用聚氨酯材料特殊的微孔氣泡結(jié)構(gòu)來(lái)吸收緩沖，在受沖擊過(guò)程中相當(dāng)于帶有多氣囊阻尼的彈簧，簡(jiǎn)單輕便、可靠且有效。

2.4 電氣控制裝置設(shè)計(jì)——曳引裝置

2.4.1 電機(jī)輸出安全負(fù)載的計(jì)算

曳引裝置是驅(qū)動(dòng)電梯運(yùn)動(dòng)的核心部件。根據(jù)曳引機(jī)有關(guān)額定參數(shù)，所得電梯的運(yùn)行速度與電梯額定速度的關(guān)系應(yīng)滿足《GB7588-2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范》中12.6的速度要求，即：當(dāng)電源為額定頻率，電動(dòng)機(jī)施以額定電壓時(shí)，電梯的速度不得大于額定速度的105%，宜不小于額定速度的92%;電梯的直線運(yùn)行部件的總載荷折算至曳引機(jī)主軸的載荷應(yīng)不大于曳引機(jī)主軸最大允許負(fù)荷[6]-[7]。

本實(shí)驗(yàn)裝置選用減速電機(jī)，額定電壓為24V，額定功率P為250W，額定輸出轉(zhuǎn)速n為300r/min，故額定扭矩T額：

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的安全負(fù)載FL：

其中ζ是安全系數(shù)。

2.4.2 對(duì)曳引鋼絲繩安全系數(shù)進(jìn)行校核

①給定曳引系統(tǒng)鋼絲繩安全系數(shù)實(shí)際值S的計(jì)算。

式中，T為鋼絲繩最大承重，N;n為曳引繩根數(shù);m為曳引鋼絲繩倍率;P為轎廂自重，kg;Q為轎廂上的額定載荷，kg;H為電梯起升高度，m;q為鋼絲繩單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m。

②鋼絲繩許用安全系數(shù)Sf的計(jì)算。

等效的滑輪數(shù)量為

式中，Nequiv （t）為曳引輪等效數(shù)量，查表得數(shù)值5;Nequiv （p）為導(dǎo)向輪等效數(shù)量，取預(yù)估值1。又曳引輪直徑D=50mm，鋼絲繩直徑d=1.2mm， 。根據(jù)GB7588-2003的9.2.2條款規(guī)定，由以上結(jié)果查得Sf=15。

③校核結(jié)果

因?yàn)镾>Sf，故曳引鋼絲繩安全系數(shù)校核通過(guò)。

2.5 電氣控制裝置設(shè)計(jì)——控制裝置

控制裝置用來(lái)控制電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。根據(jù)電機(jī)參數(shù)，選擇額定電壓24V，額定電流40A的PWM直流有刷電機(jī)馬達(dá)調(diào)速器。

2.6 模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖3。

3? 總結(jié)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的電梯制造規(guī)范，同時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，電梯各機(jī)組的使用重要性、參與度和檢測(cè)時(shí)裝置對(duì)真實(shí)狀況下的還原度，設(shè)計(jì)了面向?qū)嶒?yàn)階段或教學(xué)階段的模擬電梯實(shí)驗(yàn)裝置。主要研究了電梯各部件的簡(jiǎn)化方案，改進(jìn)了一些不便于實(shí)驗(yàn)的缺陷，并對(duì)一些關(guān)鍵組件進(jìn)行了分析和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了安裝的靈活簡(jiǎn)便性，并能滿足一般檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的基本要求。

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