直驅(qū)電梯安全防墜裝置的研究與仿真分析

談偉榮，沈 浩，張 旺，孫 盟

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050)

直線電機驅(qū)動電梯(直驅(qū)電梯)經(jīng)過30多年的研究，在垂直提升領(lǐng)域取得了突破性的成果。與傳統(tǒng)鋼絲繩曳引電梯不同的是，直驅(qū)無繩電梯擺脫了鋼絲繩的束縛，具有單個井道同時運行多部轎廂、提升高度不受限制等優(yōu)點[1]。由于直驅(qū)電梯對安全性能有更高的要求，安全制動裝置成為亟待解決的難題[2]，如何解決系統(tǒng)運行中制動、緊急停車、安全等關(guān)鍵性技術(shù)問題，直接關(guān)系到直驅(qū)電梯的推廣和應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)成功研制出許多不同結(jié)構(gòu)的安全鉗防墜裝置[3-5]，但都應(yīng)用在曳引式提升電梯，依靠限速器和鋼絲繩提拉裝置實現(xiàn)安全鉗的抱閘。因為直驅(qū)電梯結(jié)構(gòu)設(shè)計的特殊性，所以這些提拉裝置已經(jīng)不適合用于它的制動。當前，國內(nèi)學者在直驅(qū)電梯安全制動方面的研究成果很少。汪旭東等[6]設(shè)計了一種安全防墜裝置，通過安裝在電機定子和動子上的齒輪齒條，帶動超越離合器，觸發(fā)鋼絲繩提拉安全鉗制動，其缺點是摩擦損耗大、制動反應(yīng)慢、制動可靠性不高；王建生等[7]設(shè)計的摩擦式防墜器，依靠彈簧拉力使制動閘塊作用于罐道，但是抓捕誤動作較多、動作不夠靈敏。因此，設(shè)計一款安全可靠的安全防墜裝置十分必要。

1 安全防墜裝置的設(shè)計

1.1 安全防墜裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了提高直驅(qū)電梯提升系統(tǒng)的安全性能，除了采用電氣制動方式[8-9]減小設(shè)備下墜速度外，還得依靠機械防墜裝置才能保證電梯的平穩(wěn)制停。本文設(shè)計的機械式安全鉗防墜裝置兼有限速和防墜雙重功能，結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)提升機的安全鉗防墜器基本相同，唯一區(qū)別是它以儲能彈簧為動力源，不需要限速器和鋼絲繩提拉裝置，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。電梯正常運行時依靠電磁裝置產(chǎn)生的作用力壓縮儲能彈簧4，制動楔塊6處于非動狀態(tài)。當供電系統(tǒng)失電或速度超過預(yù)設(shè)速度的115%時，電磁裝置失電，制動楔塊在彈簧力作用下與載客平臺相向運動，通過安全鉗與導軌抱閘，迫使載客平臺減速直至停止，從而保證乘客的人身安全。

1—固定楔塊；2—U型板簧；3—導板；4—儲能彈簧；5—提拉桿；6—制動楔塊；7—調(diào)節(jié)螺釘；8—鉗體；9—T型導軌

1.2 制動可靠性分析

安全防墜裝置在制動過程中需要提供足夠大的制動力，保證電梯下墜一定距離后及時制停，以免造成人員及貨物的損失。安全鉗制動過程復(fù)雜，動作時間短，具體受力情況很難確定，無法建立整個運動過程的數(shù)學模型，本文重點對安全鉗制動楔塊的受力進行分析，受力情況如圖2所示。

圖2 安全鉗制動楔塊受力分析

電梯制動停止后安全鉗的平衡方程為：

(1)

式中：∑Fx為平衡方程沿x軸的力系總和；∑Fy為平衡方程沿y軸的力系總和；g為重力加速度；N1為導軌對制動楔塊的正壓力，N；N2為固定楔塊對制動楔塊的壓力，N；f1為制動楔塊與導軌間的摩擦力，N；f2為兩楔塊間的摩擦力，N；F為彈簧推力，N；m為制動楔塊質(zhì)量，kg；α為制動楔塊傾角，(°)。

制動機構(gòu)的可靠性決定著安全防墜裝置的可靠性，因此把制動楔塊設(shè)計成一個自鎖機構(gòu)，它的可靠性就能得到很好的保證[10]。當電梯制停后，根據(jù)圖2推導出制動楔塊的自鎖條件。

由∑Fx=0得：

(2)

式中：μ1為制動楔塊與導軌間的滑動摩擦系數(shù)。

由式(2)推導得：

f1=μ1(N2cosα-f2sinα)

(3)

由∑Fy=0得：

(4)

式中：μ2為制動楔塊與固定楔塊之間的滾動摩擦系數(shù)。由式(4)推導得：

f1=μ2N2cosα+N2sinα

(5)

電梯制停后由于楔塊自重和彈簧作用力很小，忽略不計，結(jié)合式(3)和式(5)，整理得到：

(μ1f2+N2)sinα=μ1N2cosα

(6)

即：

(7)

因此，當楔塊夾角α滿足式(7)時即能實現(xiàn)自鎖，從而保證電梯的可靠制動。

1.3 儲能彈簧的設(shè)計計算

儲能彈簧作為驅(qū)動機構(gòu)的主要動力源，在設(shè)計中要考慮彈簧提供的最大作用力應(yīng)滿足《電梯工程施工技術(shù)標準》和《電梯制造與安裝安全規(guī)范》[11]中的相關(guān)規(guī)定：

1)安全制動裝置應(yīng)能夾緊導軌，使裝有額定載重的轎廂制停并保持靜止狀態(tài)。

2)在裝有額定載重的轎廂自由下落情況下，漸進式安全鉗制動的平均加速度為0.2g～1.0g。

3)作用于制動楔塊的最小力要滿足150～300 N。

2 安全防墜裝置動力學仿真

安全鉗防墜裝置的制動速度、制動時間、制動距離和加速度這幾個參數(shù)是衡量制動性能好壞的主要指標，本文利用ADAMS軟件對安全鉗制動過程進行動力學仿真試驗，探究其制動性能。

2.1 仿真模型的簡化

將SolidWorks軟件中建立的模型導入到 ADAMS 中，由于電梯結(jié)構(gòu)組成和受力情況復(fù)雜，因此在進行動力學仿真之前，需要對電梯和安全鉗防墜裝置的模型進行必要的簡化，對非關(guān)鍵部件的外部形狀不予考慮。在制動過程中防墜裝置只和導軌有摩擦接觸，而安全鉗和轎廂固定在一起的，其重力可以通過設(shè)置力的大小來實現(xiàn)，簡化模型如圖3所示，安全鉗只保留了鉗體、制動楔塊和儲能彈簧。其中儲能彈簧的添加在ADAMS中完成，設(shè)置彈簧彈性系數(shù)K=80 N/mm，阻尼系數(shù)C=0.5。

1—鉗體；2—制動楔塊；3—儲能彈簧；4—T型導軌

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真模型基于以下幾個假設(shè)條件：1)各零件的裝配間隙以及制造誤差均忽略不計；2)各零件均視為理想剛體；3)制動過程不存在打滑現(xiàn)象。通過添加約束來限制構(gòu)件之間的相對運動，將導軌與制動楔塊設(shè)置為滑移副接觸，安全鉗與轎廂體設(shè)置為固定副，導軌相對大地為固定構(gòu)件。制動楔塊與導軌接觸力在制動過程中發(fā)揮著主要作用，材料均設(shè)置為鋼。碰撞參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 導軌與安全鉗的碰撞參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

為了驗證防墜裝置的制動性能，以轎廂體質(zhì)量為1 000 kg、初速度為2 m/s，仿真時間為0.6 s，步長為100進行仿真，速度變化曲線如圖4所示。當轎廂體以2 m/s做自由落體時，安全鉗啟動，安全鉗制動楔塊和導軌接觸前，載客平臺速度會有一個小幅增大，之后轎廂體速度不斷減小，隨著安全鉗與導軌抱閘阻力的不斷增大，經(jīng)過約0.36 s后速度降為0，電梯被制停。

加速度的變化曲線如圖5所示，從圖中可以看出：

圖4 轎廂速度變化曲線

1)安全鉗制動過程中，加速度先迅速增大，之后以小振幅值波動，制停瞬間由于摩擦力的突變會有一個較大的波動，最后降為0。

2)在制動楔塊剛接觸到導軌瞬間，安全鉗對導軌有較大的沖擊力，會產(chǎn)生很大的沖擊加速度。

3)在制動過程中加速度基本保持在6 000 mm/s2，即0.6g，滿足安全鉗制動時的平均加速度要求。

圖5 安全鉗制動加速度曲線

位移的變化曲線如圖6所示，在整個制動過程中，位移曲線整體比較平滑，滑移了約380 mm后停止，說明安全鉗的制動滑移距離為380 mm。

圖6 轎廂位移曲線

3 結(jié)束語

電梯安全制動過程為危險運行階段，特別是加速度較大的制動過程，最易發(fā)生惡性事故。本文以直驅(qū)電梯安全防墜裝置為研究對象，設(shè)計了一種新型安全鉗防墜裝置，通過建立三維建模并在ADAMS中進行動力學仿真試驗，探究了制動過程中速度、加速度和位移的變化情況。仿真結(jié)果表明，設(shè)計的安全鉗防墜裝置制動指標參數(shù)均滿足電梯安全規(guī)章的規(guī)定，為直驅(qū)電梯的防墜設(shè)計提供了借鑒。