電梯轎頂護欄強度特性研究

陳棟棟，洪 睿，羅英俊，楊凱杰

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，浙江 杭州 310020)

(2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 310020)

電梯制造單位對電梯轎廂頂部安全護欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計大體相同。轎頂護欄主要由立欄、橫欄、側(cè)欄等組成，其中橫欄處于護欄的中間位置。當電梯井道壁面距轎頂外緣水平距離大于0.30 m時，轎頂應(yīng)裝設(shè)護欄，在設(shè)計護欄時應(yīng)保留足夠的轎頂作業(yè)空間[1]。

當前，一些電梯轎廂頂部護欄設(shè)計僅為了滿足標準中護欄存在的要求，設(shè)計時偷工減料，忽視了護欄本身的安全質(zhì)量，致使這些護欄的強度性能不夠，給作業(yè)人員帶來較大的安全隱患。美國ASME17.1標準和歐洲EN81-20：2014標準對護欄強度提出了明確的要求，其中歐洲EN81-20：2014規(guī)定：在護欄頂部的任意點垂直施加1 000 N的水平靜力，護欄應(yīng)無大于50 mm的彈性變形[2-3]。

文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多學(xué)者從檢驗檢測角度提出了護欄設(shè)計尺寸上的要求，對一些常見的護欄隱患案例進行詳細分析，強調(diào)通過合理的護欄尺寸設(shè)計，規(guī)避可能的安全風(fēng)險[4-6]。另外，部分學(xué)者針對現(xiàn)場護欄實際設(shè)置情況，提出了提高護欄強度性能的要求，使其真正符合安全實際使用需求[7-9]。到目前為止，鮮有針對具體的某一種轎廂頂部護欄進行深入的強度性能分析的文獻。

本文依據(jù)EN81-20：2014標準[2]規(guī)定，針對典型的電梯轎頂護欄結(jié)構(gòu)，通過對護欄等邊角鋼的選型、護欄尺寸設(shè)計及部件布置方案進行護欄強度的對比研究，以為工程人員進行轎頂護欄設(shè)計提供參考。

1 有限元分析與初步設(shè)計方案

本文以某品牌額定載質(zhì)量為1 350 kg的電梯轎頂護欄結(jié)構(gòu)為研究對象，護欄結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，護欄龍門頂梁為轎廂組成部分，其材料主要為槽鋼，與轎廂龍門架固定連接，有限元分析時進行固定Fixed Support設(shè)置。護欄結(jié)構(gòu)部件與龍門頂梁的模型網(wǎng)格Body尺寸設(shè)置為5 mm，其模型節(jié)點數(shù)為3萬，材料選取常規(guī)的Q235結(jié)構(gòu)鋼，采用薄壁殼單元進行分析，添加實常數(shù)厚度，模型前處理時需調(diào)整模型構(gòu)件間的間隙，防止網(wǎng)格模型單元貫穿所導(dǎo)致的位移解失真。由于護欄角鋼連接為焊接或者螺栓固定，因此角鋼接觸連接選取Bonded綁定的接觸模式進行分析轎頂護欄一般由同規(guī)格的等邊角鋼長梁所組成，其固定在龍門頂梁槽鋼上。根據(jù)GB/T 706—2016[10]要求，選取常用規(guī)格角鋼進行護欄的初步設(shè)計，轎頂護欄初步設(shè)計方案與角鋼等截面參數(shù)見表1。

圖1 典型的轎頂護欄結(jié)構(gòu)

表1 轎頂護欄初步設(shè)計方案與角鋼等截面參數(shù)

依據(jù)EN81-20：2014標準進行護欄強度性能分析，經(jīng)過多次結(jié)構(gòu)特征點有限元計算分析，結(jié)果表明：轎頂護欄在橫梁最頂部的中間節(jié)點處，受1 000 N水平靜力時，護欄整體彈性變形最大。因此，根據(jù)表1的初步設(shè)計方案，本文選取橫欄頂部中間節(jié)點為受力作用點，進行護欄的強度性能研究。

2 位移分析與討論

由表1可知，初步設(shè)計方案主要是對同一個護欄采用不同截面尺寸的角鋼進行設(shè)計，然后對不同截面尺寸角鋼護欄的強度進行對比研究。由于護欄模型整體對稱分布，選取頂部上橫欄的一半進行彈性位移分析(取上橫欄頂部中間節(jié)點橫坐標為0 mm，則端部為950 mm)，不同設(shè)計方案的上橫欄頂部彈性位移如圖2所示。

圖2 上橫欄頂部彈性位移

由圖2可知，由于采用了不同規(guī)格的角鋼，上橫欄產(chǎn)生的彈性位移也不相同，護欄頂部的彈性位移與護欄等邊角鋼的總質(zhì)量正相關(guān)。方案1與方案2角鋼規(guī)格小，護欄整體材料成本較低，盡管設(shè)計符合GB 7588—2003標準，但是依據(jù)EN81-20：2014標準，其護欄最大彈性位移已超過了標準規(guī)定的50 mm，強度性能不符合要求，需要重新進行護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計。下文將對表1中方案1與方案2進行重新設(shè)計并進行強度分析。

3 護欄設(shè)計與結(jié)果分析

當頂部橫欄受到1 000 N水平推力時，由材料力學(xué)可知，護欄兩邊的立欄角鋼頂部區(qū)域單側(cè)面分別受到500 N的作用力，作用力完全作用在立欄與橫欄的接觸面上，致使在方案1,2下其橫欄與立欄分別承受大的彈性變形與應(yīng)力。

方案1下，立欄頂部Von Mises應(yīng)力分布如圖3所示。由有限元分析可知：立欄頂部區(qū)域與橫欄端部區(qū)域Bonded接觸，該橫欄最下方邊緣接觸處應(yīng)力最大；對于立欄角鋼兩側(cè)面而言，其一側(cè)面承受橫欄的橫向推力，另一側(cè)面承受側(cè)欄的拉力，該立欄角鋼已發(fā)生塑性變形。保持方案1與方案2的橫欄和側(cè)欄角鋼截面規(guī)格不變，增加連接上下橫欄的筋板，減少橫欄長度和提高立欄角鋼規(guī)格，對轎頂護欄結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計(筋板的結(jié)構(gòu)尺寸與立欄一致，只是安裝位置不同)。設(shè)計方案及立欄與筋板截面參數(shù)見表2。

圖3 立欄頂部Von Mises應(yīng)力分布

表2 改進設(shè)計方案及立欄與筋板截面參數(shù)

通過有限元法分析得到橫欄頂部中間節(jié)點最大彈性位移，針對方案1,2分別改進的方案頂部橫欄最大位移見表3。

表3 改進方案頂部橫欄最大彈性位移 單位：mm

3.1 筋板設(shè)計分析

在表2中，方案A和方案B的護欄筋板分別布置在橫欄中間位置和距橫欄端點的兩個1/4位置；護欄與立欄尺寸規(guī)格一致。比較圖2和表3可知，筋板加強了護欄的剛度，使得方案2(A)的最大彈性位移為48.32 mm，符合EN81-20：2014的設(shè)計要求。方案2(B)較方案2(A)增加了1個筋板，其彈性位移由48.32 mm變?yōu)?5.38 mm，僅減少了6.1%，筋板個數(shù)的增加，并沒有顯著改善護欄水平面橫向抗彎剛度，這是因為其水平受力方向與筋板軸向垂直，導(dǎo)致筋板提高護欄橫向抗彎剛度的能力有限。

筋板連接上、下兩橫欄，有效提高了護欄軸向抗彎剛度。將護欄模型的受力方向改為垂直向下，力大小不變，分析得到方案1(A)下的彈性位移為35.47 mm，而不加筋板的方案1下為58.08 mm，可見方案1(A)較方案1的位移減少了38.8%，顯著改善縱向強度特性。這是因為筋板結(jié)構(gòu)方向與其受力方向一致，可有效連接上、下橫欄，提高其縱向抗彎剛度。

從實際考慮，人體在發(fā)生意外傾斜時，護欄承受橫向與縱向的沖擊動載荷，從安全角度考慮，應(yīng)該要提高縱向剛度。美國ASME 17標準對護欄縱向強度特性給出了明確的規(guī)定[3]。

3.2 橫欄設(shè)計分析

依據(jù)EN81-20：2014和GB 7588—2003標準，側(cè)欄外側(cè)與轎廂外壁間的水平距離最大不得超過0.15 m，因此橫欄可以進一步縮短，表2的改進設(shè)計方案C和設(shè)計方案D將橫欄長度分別縮短為1 800 mm和1 700 mm。由表3可知，方案1(D)與方案2(D)的最大彈性位移分別為47.20 mm和40.21 mm，均滿足標準要求。其中，方案1(D)較方案1(C)橫欄的長度減少了5.6%，其橫欄彈性變形由69.79 mm變?yōu)?7.20 mm，減少了32.3%，可見，橫欄長度的縮短顯著提高了其橫向抗彎剛度。

由材料力學(xué)可知，橫欄可簡化為單根梁，在等截面屬性下，長度決定了梁的撓度。對于轎頂護欄，縮短橫欄長度既可以減少成本，又可保證符合EN81-20：2014標準的要求，從而保證護欄安全。當然，提高橫欄的剛度還可通過提高角鋼截面規(guī)格來增加截面抗彎矩剛度。

在符合標準間距0.15 m的要求下，盡可能設(shè)計較短的橫欄，可滿足標準護欄強度性能要求。

3.3 立欄設(shè)計分析

由表3的E、F方案頂部橫欄最大彈性位移仿真結(jié)果可知，立欄和筋板截面規(guī)格的提高，對橫欄彈性位移的減少沒有顯著影響。由圖1可知，立欄一側(cè)面承受著橫欄的水平推力，為受壓面，另一側(cè)面承受側(cè)欄的拉力，為受拉面，導(dǎo)致立欄角鋼截面的轉(zhuǎn)角處非常容易發(fā)生應(yīng)力集中，致使立欄發(fā)生塑性變形。方案2與方案2(F)下的立欄局部應(yīng)力分布如圖4所示，應(yīng)力集中區(qū)域在橫欄端部與立欄接觸處，立欄角鋼規(guī)格增加后，方案2(F)下的最大應(yīng)力為403.6 MPa，較方案2下的514.9 MPa降低了近22%。

圖4 立欄局部應(yīng)力分布

分析表明，提高立欄角鋼規(guī)格并不能提高其橫向抗彎剛度，但可以降低局部的應(yīng)力值，從而延長護欄的使用壽命。

4 設(shè)計實例分析

對額定載質(zhì)量為1 000 kg的曳引驅(qū)動乘客電梯的轎頂護欄進行設(shè)計，假設(shè)其轎廂寬為1 600 mm，深為1 500 mm。采用如圖1所示護欄結(jié)構(gòu)型式。由以上分析可知，橫欄跨度小，護欄的最大彈性位移減小顯著，結(jié)合EN81-20：2014規(guī)定的轎頂安全作業(yè)空間，設(shè)計轎頂護欄L×B為1 500 mm×1 450 mm?？紤]護欄使用壽命，立欄的角鋼截面規(guī)格為等邊45角鋼(l=45 mm)，而側(cè)欄和橫欄均采用25角鋼(l=25 mm)。護欄所有角鋼截面厚度統(tǒng)一為t=3 mm?？紤]到筋板對增加護欄橫向剛度的作用不明顯，從成本考慮，不設(shè)置筋板。

對設(shè)計的護欄進行有限元分析，得到護欄位移分布和立欄局部應(yīng)力分布分別如圖5和圖6所示。由圖5可見，橫欄的最大彈性位移為8.46 mm，僅為表3中方案1(D)下彈性位移的17.9%。顯然，橫欄設(shè)計得越短，護欄整體剛度越高，且影響顯著，因此在滿足轎頂操作空間的需求下，應(yīng)盡可能地縮短橫欄的長度。由圖6可知，立欄的最大應(yīng)力區(qū)域在橫欄端部與立欄交匯處，應(yīng)力為199.4 MPa，相較于表3中方案2(F)，其最大應(yīng)力降低近一半。

圖5 護欄位移分布

圖6 立欄局部應(yīng)力分布

5 結(jié)論

1)基于有限元法對不同角鋼規(guī)格的電梯轎廂頂部護欄進行了對比研究，結(jié)果顯示，護欄頂部彈性位移與護欄角鋼總質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系，護欄角鋼規(guī)格越高，護欄整體質(zhì)量越大，其位移變形越小。

2)立欄一邊承受著橫欄推力，另一邊承受著側(cè)欄拉力，易發(fā)生塑性變形，縮短護欄使用壽命。

3)增加護欄筋板不能提高護欄橫向抗彎剛度，可有效提高縱向抗彎剛度。

4)橫欄在滿足轎頂作業(yè)人員操作空間的前提下，長度應(yīng)盡可能地短；提高立欄角鋼規(guī)格，可以降低其頂部區(qū)域的應(yīng)力，從而延長護欄使用壽命。