基于有限元的電梯承重梁焊接頭穩(wěn)定性研究

周正啟

摘? 要：為研究電梯承重梁焊接頭在最大加速提升時的穩(wěn)定性，該文通過分析電梯模型，對電梯系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，依此建立電梯運(yùn)行時動態(tài)力學(xué)模型，根據(jù)電梯系統(tǒng)實際運(yùn)行工況，建立電梯承重梁焊接頭動力學(xué)模型，分析焊接頭在最大加速度時的力學(xué)特性。其次利用ABAQUS有限元分析工具的Explicit求解器對電梯承重梁實際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果為，承重梁焊接頭區(qū)域出現(xiàn)較大應(yīng)力集中區(qū)，且該區(qū)域的應(yīng)力大于其他部位，承重梁焊接頭接觸支點部位受力大于背面，應(yīng)力集中由焊接頭向承重梁兩端逐漸減小，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊接頭區(qū)域，由計算可知焊接頭部位是整個承重梁在運(yùn)行過程中受載最大的部位，因此，承重梁焊接頭穩(wěn)定性是保證電梯系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，為電梯承重梁焊接安裝工藝提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電梯承重梁；焊接頭；有限元分析；最大加速度；動力學(xué)模型

中圖分類號：TH113.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0093-05

Abstract： In order to study the stability of the welded joint of the elevator load-bearing beam during the maximum acceleration， this paper analyzes the elevator model， carries on the force analysis to the elevator system， establishes the dynamic mechanical model of the elevator during operation; and according to the actual operating condition of the elevator system， this paper establishes the dynamic model of the welded joint of the elevator load-bearing beam， and analyzes the mechanical characteristics of the welded joint at the maximum acceleration. Secondly， the actual operation parameters of the elevator load-bearing beam are simulated and analyzed using the Explicit solver of the ABAQUS finite element analysis tool. the results show that there is a large stress concentration zone in the welding head area of the load-bearing beam， and the stress in this area is greater than that in other parts， the stress at the contact fulcrum of the welded joint of the load-bearing beam is greater than that on the back， the stress concentration decreases gradually from the welded joint to the two ends of the load-bearing beam， and the maximum stress appears in the welded joint area. It is calculated that the welded joint is the most loaded part of the whole load-bearing beam during operation， so the stability of the welding head of the load-bearing beam is the key factor to ensure the normal operation of the elevator system， which provides a basis for the welding and installation process of the elevator load-bearing beam.

Keywords： elevator load-bearing beam; welded joint; finite element analysis; maximum acceleration; dynamic model

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，全國各大、中、小城市高樓建筑如雨后春筍，大大增加對電梯的使用量[1-4]，甚至為滿足人們生活便捷需求[5]，采用多臺電梯構(gòu)造電梯群已成為高層建筑運(yùn)送人員的一種發(fā)展趨勢，據(jù)國家特種設(shè)備相關(guān)單位統(tǒng)計，截至2018年全國電梯使用在冊總量超過627萬臺，且數(shù)據(jù)顯示2011年以來國內(nèi)電梯保持20%以上的年增長率[6-8]，目前，我國不僅是全球最大的電梯銷售、制造市場，更是最大的電梯使用國。

電梯已成為人們生活中重要的交通工具之一[9-11]，每天都有大量人群依賴其出行[12]，但隨著電梯使用數(shù)量的急劇增加，電梯故障傷人事件頻頻發(fā)生[13-14]，因此電梯安全穩(wěn)定問題已引起了行業(yè)及社會的高度重視[15]，電梯安全隱患因素來源比較復(fù)雜，主要包括材料、生產(chǎn)制造、加工工藝、安裝調(diào)試、運(yùn)行控制系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性等因素，其中電梯部件安裝焊接工藝是其安全性評估的重要指標(biāo)，然而電梯承載梁的安裝是電梯安裝的基石。

本文以電梯承重梁焊接穩(wěn)定性研究為對象，利用ABAQUS有限元分析軟件對電梯承重梁焊接接頭進(jìn)行有限元分析。電梯承重梁均采用工字鋼，在其安裝過程中，時常會遇到承重梁需要采用2根工字鋼進(jìn)行對接焊接的情況，但因受材料結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場安裝條件等限制，電梯承重梁焊接不能使用機(jī)械自動化操作，只能通過手工電弧焊作業(yè)，由于受手工焊接工人技術(shù)差異及環(huán)境等不確定隨機(jī)偶然因素的影響，導(dǎo)致電梯焊接過程中質(zhì)量不穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生釬焊裂紋，本文以曳引式電梯為研究對象，利用ABAQUS有限元分析工具對電梯承重梁焊縫穩(wěn)定性進(jìn)行研究，研究結(jié)果為電梯承重梁焊接安全性評估提供理論基礎(chǔ)。

1? 電梯承重梁力學(xué)模型

1.1? 電梯力學(xué)模型

電梯是辦公樓、商場及居民住宅樓等高層建筑垂直運(yùn)輸貨物和人員的重要交通工具，根據(jù)傳動系統(tǒng)牽引結(jié)構(gòu)的不同，曳引式電梯的曳引比通常有1∶1和2∶1 兩種，曳引比是指電梯曳引輪沿豎直方向的線速度與轎廂豎直升降速度之比。本文研究選用曳引比為1∶1的曳引拖動式電梯，其機(jī)械硬件部分主要由曳引組件、平衡組件、張緊組件、補(bǔ)償組件和轎廂組件等組成，其中各構(gòu)件與構(gòu)件，以及組件與組件之間的連接大多采用焊接和螺紋連接方式，各部件之間的連接方式對電梯工作時載荷變化有很大影響。為方便研究可以將電梯系統(tǒng)中豎直方向的曳引機(jī)、轎廂、對重、曳引鋼絲繩及繩頭板裝置等機(jī)構(gòu)簡化如圖1所示的模型。曳引機(jī)是整個電梯運(yùn)行的動力源，為電梯的升降提供驅(qū)動力，曳引輪兩側(cè)分別是轎廂組件和對重組件，其通過曳引鋼絲繩及繩頭組件將二者懸掛連接在一起。

1.2? 電梯系統(tǒng)受力分析

電梯運(yùn)行過程中經(jīng)歷3個階段，即啟動階段、平衡階段和制動階段，其中啟動和制動過程電梯處于變加速狀態(tài)，在啟動階段電梯驅(qū)動加速度從0逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一設(shè)定峰值后其逐漸減小至0進(jìn)入平衡階段，在平衡階段以恒定的速度運(yùn)行，此時電梯系統(tǒng)處于受力平衡狀態(tài)，當(dāng)電梯進(jìn)入制動階段時，制動加速度呈先增加后減小的趨勢，直至加速度減為0，此時電梯速度也減小到0達(dá)到制動效果。因此，電梯系統(tǒng)運(yùn)行時隨空間和時域不斷變化，若電梯運(yùn)行參數(shù)不隨時間變化，可將圖1電梯系統(tǒng)中鋼絲繩與繩頭彈簧的組合及超載橡膠等抽象為黏彈性凱爾文體，假設(shè)忽略曳引電機(jī)和曳引鋼絲繩等的水平振動影響，可將電梯系統(tǒng)運(yùn)行時的動力學(xué)模型簡化如圖2所示。

圖1? 電梯模型

圖2? 電機(jī)系統(tǒng)動力學(xué)模型

圖2中，m1、I1、R1分別為曳引組件的質(zhì)量、曳引輪轉(zhuǎn)動慣量和等效半徑，m2、I2、R2分別為張緊組件的質(zhì)量、張緊輪轉(zhuǎn)動慣量和等效半徑；k1、k2、k3、k4、k5和k6分別為減震墊與承重梁剛度，曳引輪與對重間鋼絲繩和繩頭彈簧剛度，張緊輪與對重間鋼絲繩和繩頭彈簧剛度，張緊組件阻尼器剛度，張緊輪與轎廂間鋼絲繩和繩頭彈簧剛度，曳引輪與轎廂間鋼絲繩和繩頭彈簧剛度；c1、c2、c3、c4、c5和c6分別為減震墊與承重梁阻尼，曳引輪與對重間鋼絲繩和繩頭彈簧阻尼，張緊輪與對重間鋼絲繩和繩頭彈簧阻尼，張緊組件阻尼器阻尼，張緊輪與轎廂間鋼絲繩和繩頭彈簧阻尼，曳引輪與轎廂間鋼絲繩和繩頭彈簧阻尼；m3、m4分別為張緊組件的質(zhì)量，轎廂組質(zhì)量。

通過電梯系統(tǒng)受力模型的等效簡化，可以建立其在垂直方向上的動力學(xué)方程，假設(shè)曳引電機(jī)輸出的動力載荷為F（t），則電梯系統(tǒng)動力學(xué)微分方程為

M■（t）+c■（t）+kx（t）=F（t）+Mg， （1）

式中：M為電梯各組件質(zhì)量矩陣，M=[m1，m2...m6]，其中m5為轎架組件質(zhì)量，m6為補(bǔ)償鏈質(zhì)量；x為電梯系統(tǒng)各組件的位移，x=[x1，x2...x6]；c為電梯各部件的阻力矩陣，c=[c1，c2...c6]；k為電梯組件的剛度矩陣，k=[k1，k2...k6]；F（t）為電梯曳引力

。

2? 電梯承重梁焊接頭瞬態(tài)力學(xué)模型

電梯承重梁主要承載的載荷來自轎廂組（轎廂自重及貨物質(zhì)量）的運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，因此研究電梯承重梁在電梯運(yùn)行中所受載荷關(guān)鍵在于分析轎廂產(chǎn)生的動態(tài)載荷。轎廂在電梯系統(tǒng)中是承載和貨物關(guān)鍵部分，并通過鋼絲繩跨過曳引輪與對重相連，由此通過曳引底座將轎廂動態(tài)載荷傳遞給承重梁，電梯整個運(yùn)行過程中轎廂在曳引電機(jī)、對重等的作用下作變加速運(yùn)動，但曳引電機(jī)和對重等都是通過末端帶有彈簧的鋼絲繩間接作用于轎廂，假設(shè)鋼絲繩的剛度為 k（t），其作用于轎廂的拉力為f（t），根據(jù)圖2電梯系統(tǒng)動力學(xué)模型可將轎廂動力學(xué)模型簡化如圖3所示。

電梯承重梁是電梯安全運(yùn)行的承載部件，是保證轎廂與對重組件受曳電機(jī)牽引運(yùn)行的關(guān)鍵部件，本文選用焊接承重梁為研究對象，分析承重梁焊接接頭在電梯額定載荷下的力學(xué)穩(wěn)定性能。本文選用的電梯安裝方式為上至式，因此電梯在運(yùn)行過程中，電梯承重梁所受的載荷有曳引電機(jī)組件施的靜載荷，其中電梯承重梁所承受的主要載荷來自轎廂質(zhì)量、貨物質(zhì)量及平衡對重等在電梯快速運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，以承重梁焊接橫截面對象對承重梁進(jìn)行受力分析，在電梯運(yùn)行時承重梁所受承重墻體支撐力f（t）隨電梯動載而變化，根據(jù)電梯力學(xué)模型，可將承重梁焊接截面受力情況簡化為如圖4所示。

圖3? 轎廂組件動力學(xué)模型

圖4? 電梯承重梁受力分析

根據(jù)電梯升降過程受力平衡，則

f（t）=F+C■1，? ? （2）

式中：C為電梯系統(tǒng)鋼絲繩阻尼，x1為轎廂豎直方向上的運(yùn)動位移。

3? 有限元模型建建

3.1? 承重梁焊接模型創(chuàng)建

本文選用的電梯承重梁焊接模型按1∶1比例創(chuàng)建，由于研究的承重梁是通過焊接組成，因此承重梁可視為由3部分部件組成的裝配件，故直接在ABAQUS中建模較為復(fù)雜，所以本文選用三維建模軟件Solidworks創(chuàng)建承重梁焊接模型如圖5所示，圖5中承重梁凸起部分為焊接頭。

圖5? 電梯承重梁焊接模型

3.2? 試驗材料屬性及定義接觸

以實際工況為依據(jù)，本文電梯承重梁選用40a型號的工字鋼，材料為Q235A，由于承重梁為電梯關(guān)鍵承載部件，對焊接質(zhì)量及穩(wěn)定性要求較高，因此承重梁焊料選用堿性焊條ES5016。本文研究承重梁選用2根工字鋼焊接而成，在理想焊接條件下不考慮焊接過程，將左右梁與焊接頭視為一個整體，且在劃分網(wǎng)格時焊接頭與承重梁尺寸差異不大，因此左右承重梁和焊接頭可采用綁定接觸。

3.3? 設(shè)定約束及載荷

本文研究選用有安裝機(jī)房電梯為研究對象，其承重梁實際現(xiàn)場安裝工藝為兩端固定安裝，因此將承重梁兩端安裝位置設(shè)定為固定約束。

電梯運(yùn)行時承重梁所受的實際工況較復(fù)雜，不僅受到引電機(jī)組件靜載荷的作用，還受到電梯加速或減速時轎廂、貨物及對重產(chǎn)生的動載荷的作用，特別電梯在加減速瞬間承重梁受到的載荷沖擊較大，甚至?xí)霈F(xiàn)極端偏載作用等情況。

本文以電梯加速上升過程中達(dá)到最大加速瞬間為研究對象，此時電梯加速提升瞬間承重梁焊縫受力最大，則焊縫裂紋最容易出現(xiàn)擴(kuò)展風(fēng)險，因此對加速度最大瞬間進(jìn)行動力學(xué)響應(yīng)分析有重要意義。轎廂和轎架重量4 000 kg，平衡對重的質(zhì)量為2 800 kg，曳引電機(jī)組自重2 000 kg，額定滿載重量m額為2 500 kg，平衡系數(shù)r為0.5，轎廂運(yùn)行時阻尼系數(shù)0.8，變加速提升階段最大加速度gmax可到1.5 m/s2。若忽略承重梁自重及導(dǎo)向滑輪組件的重量，承重梁在電梯到達(dá)最大加速提升時所受的載荷為曳引電機(jī)組產(chǎn)生的靜載荷F，曳引輪鋼絲繩產(chǎn)生的拉力C■

F=m1g=2 000×10＝20 000 Ｎ 。? ? ? ? ? ? （3）

曳引輪鋼絲繩左右拉力分別為轎廂產(chǎn)生的拉力fT1，平衡對重產(chǎn)生的拉力fT2。

， （4）

。（5）

曳引輪鋼絲繩拉力C■為左右拉力之和，如下所示

由以上計算可以得到電梯承重梁在提升達(dá)到最大加速度時，所受載荷f（t）如下

3.4? 網(wǎng)格劃分

本文主要研究電梯承重梁焊接接頭在電梯最大加速提升時，承重梁焊接頭力學(xué)性能，因此在網(wǎng)格劃分時需要重點考慮焊接頭處的網(wǎng)格分布，由于焊接頭尺寸相對電梯橫梁較小，需要以較小的單元尺寸單獨(dú)給焊接頭布種。另外，為分析更精確，工字鋼的上下腿需要布至少兩側(cè)網(wǎng)格，為提高模擬精度，整個模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因此，電梯承重梁模型網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6? 模型網(wǎng)格劃分

4? 計算結(jié)果及分析

為提高試驗仿真模擬精度，準(zhǔn)確模擬實際工況條件下電梯運(yùn)行時承重梁焊接頭處力學(xué)性能，本文依據(jù)電梯安裝現(xiàn)場工況，不僅采用實際尺寸創(chuàng)建電梯承重梁模型，而且承重梁及焊料都是依據(jù)實際的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，更重要的是按照電梯運(yùn)行實際工況，分析電梯承重梁在以最大加速度提升時的受載荷情況，根據(jù)電梯實際受力情況選用ABAQUS對應(yīng)的分析計算工具進(jìn)行模擬仿真，計算結(jié)果如圖7所示。電梯焊接承重梁在該工況下，其各部位受載作用下發(fā)生形變，并將承重梁應(yīng)變轉(zhuǎn)化成應(yīng)變能，圖8是電梯承重梁受外載荷后應(yīng)變能變化關(guān)系。

圖7? 電梯承重梁應(yīng)力云圖

圖8? 電梯承重梁應(yīng)變能變化規(guī)律

根據(jù)圖7的計算結(jié)果可以得出，電梯承載梁在以最大加速度提升時，其受力分布不均勻，而且整個承重梁出現(xiàn)3個較大應(yīng)力集中區(qū)域，其中焊接頭受壓區(qū)域應(yīng)力較為集中，并出現(xiàn)應(yīng)力最大值，其次在電梯承重梁左右兩端安裝區(qū)域下表面受載應(yīng)力較大。通過分析結(jié)果可以見，在承重梁安裝區(qū)域和焊接區(qū)域之間應(yīng)力分布逐漸擴(kuò)散，若以承重梁安裝區(qū)域和焊接頭為分界線，承重梁所受的應(yīng)力分布由兩者向其中間逐漸遞減趨勢，且在焊接頭處出現(xiàn)應(yīng)力最大集中值。通過分析可以得出，在電梯以最大加速度提升時，承重梁上載荷分布規(guī)律為焊接頭處應(yīng)力最集中，且逐漸向安裝部位遞減，因此焊接頭是整過承重梁受載最大的部位。故在承重梁安裝焊接過程中焊接質(zhì)量至關(guān)重要，焊接頭的力學(xué)性能直接影響整個電梯系統(tǒng)的安全運(yùn)行穩(wěn)定性。

5? 結(jié)論

本文主要研究電梯承重梁焊接頭在電梯最大載荷運(yùn)行時的受載力學(xué)性能。為分析承重梁焊接頭在該工況下力學(xué)表現(xiàn)，先對電梯整體進(jìn)行受力分析，并將各部件進(jìn)行對應(yīng)的模型簡化分析，通過對整個模型分析后，提煉出承重梁受力簡化模型，并建立力學(xué)模型，最后利用有限元對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如下。

①通過簡化模型分析，創(chuàng)建電梯整體力學(xué)模型。②根據(jù)實際工況建立電梯承重梁焊接頭力學(xué)模型。③利用ABAQUS有限元模擬分析最大載荷工況下電梯承重梁焊接頭力學(xué)性能表現(xiàn)及承重梁應(yīng)力分布規(guī)律。

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