馬幸福

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，湘潭 411101)

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4∶1大噸位高速度載貨電梯的設(shè)計(jì)計(jì)算

馬幸福

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，湘潭 411101)

針對(duì)當(dāng)前載貨電梯日益向著大噸位、高速度方向發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了渦輪蝸桿主機(jī)與永磁同步主機(jī)的載重與速度參數(shù)的區(qū)別，設(shè)計(jì)了4∶1的新型曳引比傳動(dòng)方案.結(jié)合電梯法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，以額定載重3000 kg、額定速度1.0 m/s的載貨電梯設(shè)計(jì)為例，對(duì)永磁同步主機(jī)的傳動(dòng)、電梯曳引條件、鋼絲繩安全系數(shù)及導(dǎo)軌強(qiáng)度4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行校核，結(jié)果表明：采用4∶1的曳引比，能夠滿足載貨電梯大噸位、高速度的設(shè)計(jì)要求.

載貨電梯；曳引比；曳引條件；安全系數(shù)；導(dǎo)軌

0 前 言

隨著工業(yè)與商業(yè)的繁榮，載貨電梯在工廠、倉(cāng)庫(kù)、購(gòu)物中心、超級(jí)市場(chǎng)、物流中心、機(jī)場(chǎng)、車(chē)站等不同的場(chǎng)所得到廣泛的應(yīng)用.常規(guī)載貨電梯的特點(diǎn)是有機(jī)房結(jié)構(gòu)、采用2∶1曳引比.采用渦輪蝸桿主機(jī)，具有傳動(dòng)比大、載重量大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)的特性，但是速度普遍很低.渦輪蝸桿主機(jī)額定載重量一般均大于1000 kg，最大載重量可達(dá)到7000 kg；渦輪蝸桿主機(jī)的額定速度一般均低于0.63 m/s，只有0.5 m/s和0.63 m/s兩種常用速度規(guī)格.

隨著工作效率的提升，要求載貨電梯能實(shí)現(xiàn)貨物快速轉(zhuǎn)移，電梯運(yùn)行速度要求達(dá)到1.0 m/s以上.渦輪蝸桿主機(jī)可以滿足載貨電梯大噸位的運(yùn)輸要求，但是由于受自身結(jié)構(gòu)的制約，無(wú)法提供1.0 m/s的提升速度.永磁同步主機(jī)作為新型的驅(qū)動(dòng)裝置，具有提升速度高的特點(diǎn)，采用2∶1曳引比，電梯速度可以達(dá)到4.0 m/s以上，但主機(jī)額定載重量一般低于2000 kg.因此2∶1曳引比的渦輪蝸桿主機(jī)、永磁同步主機(jī)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)大噸位、高速度的載貨電梯技術(shù)要求.如果將曳引比由2∶1改成4∶1，主機(jī)實(shí)際載重量、運(yùn)行速度均可提高一倍，從理論上可以實(shí)現(xiàn)載貨電梯大噸位、高速度的技術(shù)要求.

1 電梯參數(shù)設(shè)計(jì)

本文以載貨電梯額定載重3000 kg、運(yùn)行速度1.0 m/s設(shè)計(jì)為例，采用永磁同步主機(jī)及4∶1曳引比，所需主機(jī)載重量1500 kg、速度2.0 m/s即可滿足要求，電梯主要性能設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 電梯主要性能參數(shù)

4∶1曳引比載貨電梯井道布置圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖1、圖2所示，轎廂有4個(gè)轎底輪，對(duì)重裝置有2個(gè)對(duì)重輪，機(jī)房承重梁上有3個(gè)導(dǎo)向輪；而傳統(tǒng)2∶1曳引比結(jié)構(gòu)中，轎廂只有2個(gè)轎底輪，對(duì)重裝置只有1個(gè)對(duì)重輪，機(jī)房承重梁上無(wú)導(dǎo)向輪.

圖1 4∶1載貨電梯井道布置圖

圖2 4∶1曳引系統(tǒng)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 電梯關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.1 主機(jī)功率、速度計(jì)算

廣東金泰德勝電機(jī)有限公司是一家電梯主機(jī)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家，其中型號(hào)為WTY-1600-200型永磁同步主機(jī)定額載重1600kg、額定速度2.0m/s、額定功率22kW，滿足設(shè)計(jì)需求.主機(jī)其他相關(guān)參數(shù)如下：曳引比2∶1、曳引輪直徑D=400 mm、轉(zhuǎn)速n=191 r/min、繩槽切口角β=95°、槽楔入角γ=30°.

2.2 曳引條件計(jì)算

電梯曳引系統(tǒng)傳動(dòng)圖中T1、T2分別為主機(jī)兩側(cè)鋼絲繩的拉力，T1、T2的值跟電梯在井道中所處的位置以及轎廂的實(shí)際裝載情況有關(guān)，設(shè)T1為較大的值.鋼絲繩在主機(jī)上纏繞接觸的角度α稱(chēng)為電梯的包角，f為鋼絲繩與曳引輪的當(dāng)量摩擦系數(shù)，efα為電梯的曳引系數(shù)，曳引系數(shù)越大，說(shuō)明曳引能力越大.額定載重量3000 kg的載貨電梯，考慮叉車(chē)的重量，電梯轎廂的重量會(huì)達(dá)到5500 kg，對(duì)曳引能力有嚴(yán)格要求.既需要保證曳引能力足夠大，即要求T1/T2≤efα，以防“滿載轎廂蹲底”、“空載轎廂沖頂”事故發(fā)生；又要求曳引系數(shù)又不能過(guò)大，即要求T1/T2>efα，以防“對(duì)重蹲底”時(shí)提升空轎廂.

(1)轎廂裝載工況靜態(tài)曳引條件計(jì)算

轎廂裝載125%倍額定載荷位于最低層時(shí)，要求轎廂保持平層狀態(tài)不打滑.

efα=e0.216×3.14=1.97

T1=(G+1.25Q+G1)/i=1606 kg

T2=(G+kQ)/i=987.5 kg

T1/T2=1.626

由計(jì)算結(jié)果可知，轎廂裝有125%額定載荷位于最低層時(shí)曳引系數(shù)足夠大，鋼絲繩與曳引輪之間不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，轎廂不會(huì)發(fā)生超重蹲入底坑現(xiàn)象.

轎廂空載位于最高層時(shí)，要求轎廂保持平層狀態(tài)不打滑.

T1=(G+kQ+G1)/i=1008 kg

T2=(G+G2)/i=652.75 kg

T1/T2=1.544

由計(jì)算結(jié)果可知，轎廂空載位于最高層時(shí)，鋼絲繩與曳引輪之間不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，對(duì)重裝置不會(huì)發(fā)生超重蹲入底坑現(xiàn)象.

(2)轎廂緊急制動(dòng)工況動(dòng)態(tài)曳引條件計(jì)算

轎廂緊急制動(dòng)指電梯以額定速度上行或下行時(shí)，電梯突然斷電，電梯緊急制動(dòng)停止，要求電梯鋼絲繩與曳引輪間不發(fā)生打滑[3].需考慮電梯緊急制動(dòng)減速度及重力加速度對(duì)電梯曳引能力的動(dòng)態(tài)影響，取減速度a=0.5 m/s2，與轎廂額定速度對(duì)應(yīng)的鋼絲繩線速度為Vc=V×i=4 m/s，摩擦系數(shù)μ1=μ/(1+Vc/10)=0.107，當(dāng)量摩擦系數(shù)f1=μ1×f/μ=0.177，ef1α=1.744.

轎廂裝載額定載荷位于最低層緊急制動(dòng)時(shí)：

T1=(G+Q+G1)(g+a)/i=14631.17 kg

T2=(G+kQ)(g-a)/i=9183.75 kg

T1/T2=1.593

轎廂空載位于最高層緊急制動(dòng)時(shí)：

T1=(G+kQ+G1)(g+a)/i=10382.4 kg

T2=(G+G2)(g-a)/i=6070.57 kg

T1/T2=1.71

轎廂緊急制動(dòng)工況動(dòng)態(tài)曳引條件滿足要求.

(3)對(duì)重裝置蹲底靜態(tài)工況曳引條件計(jì)算

對(duì)重裝置蹲入底坑壓在緩沖器上時(shí)，要求曳引機(jī)空轉(zhuǎn)不能提升空轎廂，防止轎廂沖頂事故.

摩擦系數(shù)μ2=0.2，當(dāng)量摩擦系數(shù)為：

T1=(G+G2)/i=652.75 kg,T2=G1/i=20.5 kg

T1/T2=652.75/20.5=31.8>ef2α

由計(jì)算結(jié)果可知，此時(shí)曳引機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)，鋼絲繩與曳引輪發(fā)生打滑，產(chǎn)生的曳引能力不足以提升空轎廂，保證電梯安全.

2.3 鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算

電梯系統(tǒng)的運(yùn)行是通過(guò)主機(jī)與鋼絲繩之間的摩擦力進(jìn)行提升傳動(dòng)，對(duì)于3根以上鋼絲繩的曳引驅(qū)動(dòng)電梯的安全系數(shù)最小為12.

(1)鋼絲繩參數(shù)

本電梯主機(jī)配置8條鋼絲繩.選用鋼絲繩型號(hào)為：8×19S+NF-10-1500(雙)，鋼絲繩直徑10 mm，由8條繩股捻制而成，采用天然麻芯，具有貯存潤(rùn)滑劑功能，適當(dāng)減少鋼絲繩與主機(jī)輪盤(pán)之間的摩擦.

查 10 mm繩頭組合型式試驗(yàn)報(bào)告：繩頭組合承受鋼絲繩80%的標(biāo)稱(chēng)破斷載荷為54.08 kN.則 10 mm鋼絲繩最小破斷負(fù)荷為54.08/0.8=67.6 kN.

(2)鋼絲繩安全系數(shù)

按照電梯標(biāo)準(zhǔn)要求，主機(jī)輪的直徑與鋼絲繩的直徑比值必須大于40倍，以減少鋼絲繩的彎曲程度，減少鋼絲繩內(nèi)的彎曲應(yīng)力，提高鋼絲繩的使用壽命.本文中主機(jī)輪直徑為400 mm，400/10=40，符合標(biāo)準(zhǔn)要求.鋼絲繩安全系數(shù)：

式中：fs為單根鋼絲繩的最小破斷載荷，N為鋼絲繩的根數(shù)，T1為鋼絲繩承受的最大載荷.由計(jì)算結(jié)果可知，安全系數(shù)S>12，滿足電梯標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.4 導(dǎo)軌計(jì)算

電梯導(dǎo)軌承受安全鉗動(dòng)作時(shí)的制動(dòng)力及電梯載重偏載力的作用[4-5]，需要對(duì)導(dǎo)軌的彎曲應(yīng)力、壓彎應(yīng)力、復(fù)合應(yīng)力、翼緣應(yīng)力、撓度進(jìn)行綜合計(jì)算.本梯選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)T90型實(shí)心導(dǎo)軌，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表2所示.

表2 電梯導(dǎo)軌技術(shù)參數(shù)

(1)彎曲應(yīng)力計(jì)算

額定載重量在每側(cè)導(dǎo)軌X軸方向的作用力Fx=k1gQxQ/(nh)=3650 N.其中xQ為額定載重分布在3/4轎廂面積上X方向的偏心距，計(jì)算得xQ=312 mm.Fx在Y軸方向產(chǎn)生的彎矩My=3Fxl/16=1095 N·m；fx在Y軸方向的彎曲應(yīng)力σy=My/Wy=92 MPa.

額定載重在每側(cè)導(dǎo)軌Y軸方向的作用力Fy=k1gQyQ/(nh/2)=5849 N.其中yQ為額定載重分布在3/4轎廂面積上Y方向的偏心距，計(jì)算得yQ=250 mm.Fy在X軸方向的彎矩Mx=3Fyl/16=1555 N·m；Fy在X軸方向的彎曲應(yīng)力σx=Mx/Wx=74 MPa.

(2)復(fù)合應(yīng)力計(jì)算

安全鉗動(dòng)作時(shí)，鉗體夾緊導(dǎo)軌工作面，對(duì)導(dǎo)軌的作用力：Fk=k1g(G+Q)/n=5684 N；壓彎應(yīng)力σk=Fxω/A=49.9 MPa.

安全鉗動(dòng)作時(shí)，對(duì)導(dǎo)軌工作面產(chǎn)生的復(fù)合彎曲應(yīng)力σm=σx+σy=166 MPa<[σ]，復(fù)合彎曲和壓縮應(yīng)力σ=σm+Fk/A=199 MPa<[σ]，復(fù)合壓彎和彎曲應(yīng)力σc=σk+0.9σm=199.3 MPa<[σ]，翼緣彎曲應(yīng)力σF=1.85Fx/c2=67 MPa<[σ].

(3)撓度計(jì)算

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在安全鉗動(dòng)作工況下，導(dǎo)軌的應(yīng)力及撓度均滿足設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié) 論

由以上電梯主機(jī)功率、速度計(jì)算、電梯曳引條件計(jì)算、鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算及導(dǎo)軌受力計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于大噸位、高速度的載貨電梯設(shè)計(jì)，采用新型的4∶1曳引比傳動(dòng)方式，電梯各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)均滿足電梯標(biāo)準(zhǔn)要求，為電梯產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù).在此基礎(chǔ)上，對(duì)于超重型的載貨電梯的開(kāi)發(fā)，如載重量達(dá)到7000 kg，甚至高達(dá)10000 kg，可以通過(guò)采用6∶1或8∶1的曳引比傳動(dòng)方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn).

[1] 顧 鑫，康 紅，張廣健．GB7588-2003電梯制造與安裝安全規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[2] 張國(guó)禎，朱昌明．GB/ T13435-1992電梯曳引機(jī)[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[3] 梁昌勇．電梯轎廂滯留工況下曳引機(jī)轉(zhuǎn)矩的分析[S]．中國(guó)電梯，2014(21)：20-22 .

[4] 江子榮，張國(guó)林，何建國(guó)．JG/ T 5072.1-1996電梯T型導(dǎo)軌[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996 .

[5] 李 勇，朱維良．電梯導(dǎo)軌的連接板對(duì)導(dǎo)軌強(qiáng)度校核的影響[J]．中國(guó)電梯，2014(11)：33-35.

Designing and Calculating Parameters of Large Tonnage and High Speed Goods Elevator with Hoist Rope Ratio of 4∶1

MA Xing-fu

(Department of Mechanical Engineering, Hunan Electrical College of Technology, Xiangtan 410001，China)

Nowadays, the goods elevator develops towards large tonnage and high speed．Based on the situation, the differences of weight and speed between the worm gear traction machine and permanent magnet traction machine are analyzed．Then, the transmission scheme with hoist rope ratio of 4:1 is designed．Combined with the elevator standards, the design of goods elevator with the rated load 3000kg and rated velocity 1.0m/s is taken as an example．The transmission of worm gear traction machine, the elevator traction condition, the safety factor of wire rope and the strength of guide rail are analyzed．The results show that the transmission scheme with hoist rope ratio of 4∶1 meets the design of goods elevator with large tonnage and high speed．

goods elevator；hoist rope ratio；traction condition；safety factor；guide rail

2014-12-15

湖南省職業(yè)教育“十二五”省級(jí)重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目 (湘教通[2014]176號(hào)).

馬幸福(1983-)，男，碩士,講師,工程師，研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)制造及安全系統(tǒng)分析.

TH2

A

1671-119X(2015)02-0023-04