鋼帶有機(jī)房電梯機(jī)房部件的設(shè)計(jì)分析

摘要：隨著鋼帶電梯的不斷應(yīng)用，作為電梯重要部分之一的機(jī)房部件也越來(lái)越受關(guān)注。鑒于此，主要針對(duì)鋼帶電梯的機(jī)房部件設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹了機(jī)房部件的設(shè)計(jì)與校核方法。通過(guò)以《電梯制造與安裝安全規(guī)范》（GB 7588—2003）等為依據(jù)，對(duì)主機(jī)底座、承重梁、減震墊等機(jī)房部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，為鋼帶電梯產(chǎn)品的機(jī)房部件開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)參考。

關(guān)鍵詞：鋼帶有機(jī)房電梯;機(jī)房部件;設(shè)計(jì)分析;有限元分析

0? ? 引言

隨著全球城鎮(zhèn)化程度不斷提高，高層建筑大規(guī)模涌現(xiàn)，電梯在各種高層建筑中的使用也變得日益普及。與此同時(shí)，各電梯企業(yè)都在進(jìn)行有效產(chǎn)品成本控制，鋼帶相比與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的鋼絲繩會(huì)在成本上有較大的降低，因此鋼帶電梯由于成本優(yōu)勢(shì)將來(lái)必然會(huì)被廣泛應(yīng)用。在這一背景下，對(duì)于鋼帶電梯而言，產(chǎn)品安全得到了高度重視，其中機(jī)房部件作為整臺(tái)電梯的主要受力部件，在鋼帶有機(jī)房電梯產(chǎn)品中承擔(dān)著十分重要的作用。機(jī)房部件主要由主機(jī)底座、承重梁、減震墊組成，本文就鋼帶有機(jī)房電梯機(jī)房部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1? ? 機(jī)房部件的設(shè)計(jì)

機(jī)房部件在整臺(tái)電梯中承擔(dān)著主要承重作用，這是因?yàn)殡娞菟邢到y(tǒng)的重量都會(huì)通過(guò)鋼帶懸掛系統(tǒng)施加到機(jī)房部件上，所以機(jī)房部件的強(qiáng)度關(guān)系到整臺(tái)電梯的安全性能。本文主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與ANSYS分析兩方面對(duì)機(jī)房部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1.1? ? 系統(tǒng)的計(jì)算

為了能夠清晰地了解機(jī)房部件的實(shí)際使用環(huán)境，首先需要對(duì)所處環(huán)境的受力進(jìn)行計(jì)算。本文將以規(guī)格載1 600 kg，速度2.5 m/s，提升高140 m，吊掛比2，6根鋼帶配置為例進(jìn)行分析。

首先需要計(jì)算的是曳引力，曳引力用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)電梯的運(yùn)行，是獲取機(jī)房部件受力的重要參數(shù)。曳引力主要根據(jù)《電梯制造與安裝安全規(guī)范》（GB 7588—2003）中的要求進(jìn)行計(jì)算，如式（1）（2）所示;曳引力與主機(jī)包角有著緊密的聯(lián)系，在進(jìn)行系統(tǒng)曳引力計(jì)算的同時(shí)，需要結(jié)合吊掛中心（DIM1）、主機(jī)高度、導(dǎo)向輪位置所形成的包角一起設(shè)計(jì)。

工況說(shuō)明：Ⅰ為轎廂位于最上位置;Ⅱ?yàn)檗I廂側(cè)或?qū)χ貍?cè)有導(dǎo)向輪;Ⅲ為對(duì)于繩的倍率大于1;Ⅳ為對(duì)重位于最上位置;Ⅴ為對(duì)于繩的倍率大于1。

通過(guò)以上公式可獲得曳引力、導(dǎo)向輪位置、主機(jī)高度等數(shù)據(jù)，這在后續(xù)進(jìn)行主機(jī)底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將起到很大的指導(dǎo)作用。曳引力將通過(guò)結(jié)構(gòu)中的部件轉(zhuǎn)化為作用在主機(jī)底座和承重梁各個(gè)部位上的分力，我們將在整體的ANSYS模型中進(jìn)行分析。

系統(tǒng)導(dǎo)向輪基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，導(dǎo)向輪1位置的變化會(huì)影響到主機(jī)的包角情況，從而影響曳引力，所以曳引力的計(jì)算與包角設(shè)計(jì)需要同步進(jìn)行。

1.2? ? 主機(jī)底座與承重梁的設(shè)計(jì)

主機(jī)底座和承重梁上各位置的受力情況對(duì)于結(jié)構(gòu)分析是非常重要的，在獲取了主機(jī)底座與承重梁整體的受力狀態(tài)后，即可開(kāi)始對(duì)主機(jī)底座與承重梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先是對(duì)主機(jī)底座中各導(dǎo)向輪的位置進(jìn)行定位，根據(jù)曳引力計(jì)算過(guò)程中已經(jīng)確定下的包角，可以獲得吊掛中心DIM1，轎廂側(cè)繩頭組合到轎頂輪3的距離DIM2，主機(jī)與輪3的距離DIM3，主機(jī)與輪1的距離DIM4和DIM7，通過(guò)吊掛尺寸DIM1的傳遞，又能得出輪2與輪4間的距離DIM5，對(duì)重側(cè)繩頭組合到對(duì)重輪4的距離DIM6（圖1）。然后進(jìn)行主機(jī)底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，底座本身采用較為常用的口字型框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，長(zhǎng)度方向主要根據(jù)最外側(cè)的轎廂側(cè)繩頭組合與對(duì)重側(cè)繩頭組合距離考慮，在寬度方向主要根據(jù)主機(jī)輪軸寬度而定，在底座高度方向主要以導(dǎo)向輪的輪徑大小為參考。底座支架主要采用6 mm厚板折彎而成，在主機(jī)及兩側(cè)繩頭組合主要受力位置正下方配置8 mm加強(qiáng)筋，以緩解底座受力。主機(jī)底座主要材質(zhì)為Q235。

然后是對(duì)承重梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先根據(jù)整體計(jì)算的受力結(jié)果進(jìn)行承重梁型材的選擇，基于圖2（熱軋H型材GB/T 11263，Q235 GB/T 700）選擇300×150型H型鋼。同時(shí)，為了更好地承受主機(jī)底座傳遞下來(lái)的力，在主機(jī)底座下的承重梁上添加8 mm的加強(qiáng)筋。另外，為了緩解承重梁兩端固定在建筑承重墻內(nèi)的應(yīng)力集中，在承重梁的兩端位置添加8 mm的加強(qiáng)筋。承重梁選用的材質(zhì)為Q235。

在完成了主機(jī)底座與承重梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，首先通過(guò)Pro/E進(jìn)行建模，并導(dǎo)入ANSYS中，后續(xù)通過(guò)ANSYS軟件環(huán)境進(jìn)行建模，并對(duì)主機(jī)底座與承重梁進(jìn)行受力分析，如圖3～6所示。

通過(guò)如上對(duì)主機(jī)底座和承重梁的受力分析可知，在當(dāng)前最大規(guī)格（載重1 600 kg，速度2.5 m/s，提升高140 m，吊掛比2，6根鋼帶配置）情況下，對(duì)機(jī)房部件整體進(jìn)行ANSYS分析，各個(gè)部件的最大受力為170～180 MPa，均小于235 MPa，滿足目前主機(jī)底座與承重梁選用的Q235材質(zhì)性能要求，主機(jī)底座與承重梁的受力性能合格。

1.3? ? 減震墊的設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化客戶用梯體驗(yàn)，降低電梯震動(dòng)，可在主機(jī)底座與承重梁之間添加減震墊，減震墊有著良好的緩解震動(dòng)效果。減震墊可隔離主機(jī)底座與承重梁之間震動(dòng)的傳遞，在緩解和隔離因固有頻率產(chǎn)生的共振方面效果非常好。

在進(jìn)行主機(jī)底座減震橡膠的受力計(jì)算與設(shè)計(jì)時(shí)，以主機(jī)底座承受的總力為源頭，并通過(guò)正壓力與動(dòng)態(tài)剛度公式進(jìn)行計(jì)算。可參考公式（3）和公式（4）進(jìn)行計(jì)算，獲取剛度。

根據(jù)如上公式可以獲得合適的減震墊橡膠塊硬度與大小尺寸，并結(jié)合已完成設(shè)計(jì)的主機(jī)底座與承重梁的寬度尺寸，為確定減震墊橡膠塊添加的固定板的尺寸提供根據(jù)。需要保證主機(jī)底座、承重梁的面積大于減震墊橡膠塊的面積，即減震墊的橡膠塊面積必須全部被使用到，保證減震墊橡膠塊的性能全部實(shí)現(xiàn)。

2? ? 實(shí)際驗(yàn)證

2.1? ? 主機(jī)底座與承重梁的驗(yàn)證

為了確定主機(jī)底座與承重梁在實(shí)際使用過(guò)程中的真實(shí)受力情況，首先針對(duì)主機(jī)底座與承重梁等部件的整體ANSYS分析（圖6）檢測(cè)到的應(yīng)力相對(duì)集中點(diǎn)和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以往比較關(guān)注的位置，如繩頭組合懸掛部分等，在實(shí)際樣梯的同等位置添加應(yīng)變片采集實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)。在圖7所示位置分別布置應(yīng)變片，本次主機(jī)底座與承重梁受力情況驗(yàn)證試驗(yàn)所采集的位置為A～H 8個(gè)受力點(diǎn)，所選用的應(yīng)變片為120 Ω國(guó)產(chǎn)應(yīng)變片。

測(cè)試樣梯規(guī)格為載重1 600 kg，速度2.5 m/s，在此樣梯參數(shù)下進(jìn)行急停試驗(yàn)，并收集應(yīng)變片狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了確保測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，分別進(jìn)行了3組測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，ANSYS分析得到的應(yīng)力相對(duì)較大點(diǎn)A、B、C、D、G、H，其實(shí)際應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)主要區(qū)間為104.3～131.6 MPa;相對(duì)較為關(guān)心的繩頭組合懸掛部分應(yīng)力為73.1～97.9 MPa，應(yīng)力非常小，結(jié)構(gòu)受力很可靠。應(yīng)力數(shù)據(jù)最大點(diǎn)為131.6 MPa<235 MPa，與ANSYS分析結(jié)論相同，都是滿足使用要求的。

2.2? ? 減震墊的驗(yàn)證

為保證減震墊性能符合實(shí)際使用要求，將減震墊放置于減震墊測(cè)試機(jī)上，并施加1.6～1.8倍的理論力進(jìn)行驗(yàn)證（安全系數(shù)按1.6～1.8考慮）。如圖8所示，經(jīng)過(guò)減震墊測(cè)試機(jī)的驗(yàn)證，減震墊能反復(fù)回彈且性能穩(wěn)定，效果滿足使用需求。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼帶有機(jī)房電梯產(chǎn)品使用范圍的擴(kuò)大，作為鋼帶有機(jī)房電梯的重要承重部件，機(jī)房部件受力結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)整梯產(chǎn)品產(chǎn)生比較大的影響，所以必須通過(guò)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際樣梯共同驗(yàn)證以保證其可靠性。本文根據(jù)《電梯制造與安裝安全規(guī)范》（GB 7588—2003）要求進(jìn)行機(jī)房部件設(shè)計(jì)，結(jié)合ANSYS有限元分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證等流程，對(duì)鋼帶有機(jī)房電梯產(chǎn)品的機(jī)房部件主機(jī)底座、承重梁、減震墊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并介紹分析與驗(yàn)證過(guò)程，對(duì)于鋼帶有機(jī)房電梯機(jī)房部件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定參考意義。

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收稿日期：2020-03-04

作者簡(jiǎn)介：童禎雁（1985—），男，上海人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。