趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

面向電梯對重架的數(shù)值模擬分析

趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

對重架作為電梯的重要部件，對電梯的正常運行起到舉足輕重的作用。通過使用Creo建立電梯對重架的3D模型，然后使用ANSYS Workbench分析其應力與變形。對比其理論計算與CAE分析的結果，給出對重架反彈工況加速度的計算方法，并且對各種工況下的對重架進行了有限元分析。

對重架；工況；有限元

Abstract：Counterweight frame is a primary part of an elevator， which plays a critical role for its steady running. This paper is intended to creat three-dimension models of counterweight frame assembly with Creo software and conduct FEA analysis with ANSYS Workbench Software， which is verified by ASME17.1.Compared to hand calculations and CAD simulations， the same results are obtained with different methods. The finite element analysis of the counterweight frame under different working conditions is carried out.

Keywords：counterweight frame；working conditions；the finite element

近年來，電梯在使用過程中的安全事故時常發(fā)生，除使用不當?shù)热藶橐蛩赝?，某些部件結構設計不合理也是造成事故的重要原因。對重架作為電梯的核心部件之一，雖然其結構簡單，但對電梯的安全運行起著舉足輕重的作用。本研究就對重架設計的理論計算及有限元分析進行了的探討。

圖1 電梯原理圖

對重系統(tǒng)(后簡稱對重)包含對重架和對重塊，是由曳引繩經(jīng)曳引輪與轎廂相連接，在運行過程中起到平衡作用[1]。圖1為常見的曳引比為1∶1和2∶1的電梯原理圖。對重相對于轎廂懸掛在鋼絲繩的另一側，起到平衡轎廂的作用，并使轎廂與對重的重量通過鋼絲繩作用于曳引輪，從而保證其有足夠的驅動力。由于轎廂的載重是變化的，因此不可能做到兩側的重量始終相等并處于完全平衡狀態(tài)。一般情況下，只有轎廂的載重達到50%的額定載重量時，對重側和轎廂側才處于完全平衡，這時的載重稱為電梯的平衡點，此時由于鋼絲繩兩端的靜荷重相等，使電梯處于最佳運行狀態(tài)。

1 企業(yè)常用計算方法

通常在對重架的設計時，只要保證其有足夠的強度和剛度即可[2]。圖2為曳引比為2∶1某一型號電梯對重架簡圖，圖3為使用Creo2軟件所建模型[3]。

圖2 對重架簡圖

圖3 對重模型

實際生產中，企業(yè)在做對重架設計時，主要考慮對重架上、下梁和側梁的強度，以及螺栓(及焊縫)強度，計算時將對重架上、下梁分別簡化成簡支梁。

1.1 對重架上梁、下梁計算與側梁受力計算

對重架上、下梁簡支梁模型如圖4所示。

圖4 對重上、下梁受力分析圖

對上梁受力分析知，在靜載時，對重處于井道最上時，即轎廂位于最低層站時，因有補償額外施加的重力，對重所受力為最大。

緩沖器撞擊時，對重架下梁受力最大，沖擊加速度為2 g。對重架撞擊緩沖器時，mc為零，因此，

根據(jù)對重架上、下梁截面，利用AutoCAD Mechanical 2015計算的對重架上梁、對重架下梁慣性矩截圖，如圖5所示。

圖5 對重上梁、下梁截面矩

圖6是利用AutoCAD Mechanical 2015工程計算工具所計算的施加約束力，支點反作用力下應力曲線和彎矩曲線。

圖6 支點反作用力下應力曲線、彎矩曲線

應力等相關計算結果如圖7所示。從計算結果可以看出，靜載工況下，應力最大值是42.915 MPa，緩沖器撞擊工況下，最大應力值為61.998 MPa，應力值均在允許范圍內，結構安全。

對重架側梁(單側)截面如圖8所示，面積最小處為775.4 mm2，其總面積A=2×775.4=1 550.8 mm2。則對重架側梁拉應力

圖7 對重架上梁、對重架下梁計算結果

圖8 側梁截面圖

1.2 螺栓的強度計算

因對重架側梁與對重架上、下梁之間采用螺栓連接，是通過螺栓預緊力所產生的摩擦力平衡外部載荷的。此時的螺栓受到的拉應力與擰緊螺栓的扭轉切應力的共同作用，相當于受到復合應力的作用[5]。取螺栓的安全系數(shù)為6.5，同時螺栓為8.8級，則螺栓的許用拉應力為

GB5783 M16X45-8.8螺栓螺紋小徑為13.835 mm，因此螺栓的強度完全滿足要求。返繩輪組件的計算可以參考文獻[6]。

2 有限元分析

近年來，有限元分析在工程設計和分析中得到越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑。在對重架分析中，電梯分為靜載、緩沖器撞擊、緊急制停和對重反彈等幾種工況，企業(yè)分析計算存在模型簡化內容多，復雜工況難以計算問題，因此，采用有限元數(shù)值模擬分析。

2.1 緊急制停對重加速度計算

對于緊急制停工況，可以計算轎廂加速度[7]，因轎廂裝載情況不同，計算結果相應不同。

式中：P為空載轎廂及其支撐的其他部件的質量之和，共1 515 kg；Q為額定載重量，1 000 kg；mr為轎廂側單邊鋼絲繩重量，208.2 kg；f為滯留工況當量摩擦系數(shù)，0.371；α為包角，2.757 6 rad；αCAR為轎廂加速度，單位為m/s2。

根據(jù)GB7588-2003附錄M—曳引力計算[8]，則efα=2.783。

滿載時，Q為1 000；空載時，Q為0，將相應數(shù)值代入上述公式，計算結果如表1所示。

表1中所計算結果為轎廂的加速度，轎廂上行時加速度方向與重力加速度相反，轎廂下行加速度方向與重力加速度相同。對重側加速度αCWT則與αCAR相反，所以對于對重系統(tǒng)，其最大加速度為

表1 緊急制停轎廂加速度計算m/s2

2.2 對重反彈加速度計算

當轎廂撞到緩沖器或轎廂安全鉗制動時，對重會因慣性向上彈起后下落，直到速度為零，后因鋼絲繩彈性繼續(xù)向上反彈，此種工況計算往往被忽略。受力示意圖如圖9所示。

圖9 受力示意圖

式中：h為提升高度，單位為m；z為鋼絲繩根數(shù)；ρ為鋼絲繩線密度，單位為kg/m。

根據(jù)歐拉公式T2=T1efα，F(xiàn)=m總αCWT。

式中：F為對重所受合力，單位為N；m總為對重系統(tǒng)質量，單位為kg；

因鋼絲繩是一個整體，對重有加速度產生，轎廂側的鋼絲繩因與對重連接，同樣也會產生加速度。當對重滯留工況時(轎廂壓在緩沖器上，曳引機向上旋轉)有成立，可以認為，鋼絲繩質量折算系數(shù)為efα。因曳引比為2∶1，轎廂側鋼絲繩質量為2mr，同時對重又是動滑輪結構，則有m總最小值為考慮到重力加速度疊加，則有

2.3 有限元計算結果分析

利用Creo與ANSYS Workbench之間的接口，將模型導入到ANSYS Workbench中，施加接觸、位移、載荷等約束[10-11]。對重框架(對重架上、下梁、對重架側梁)使用Q235A[12-13]，返繩輪應用ANSYS Workbench系統(tǒng)Gray Cast Iron材料，因對重塊外層為Q235A材料，中間填充礦石材料，可以復制Structural Steel屬性，修改其密度為4 829 kg/m3，其他屬性不變，新材料命名為CWT Filler，對重塊使用該材料。其他部件統(tǒng)一用ANSYS Workbench系統(tǒng)Structural Steel材料。

因緊急制停與對重反彈工況約束邊界條件相同，僅是加速度大小不同，且對重反彈加速度小于14.96 m/s2，因此對重反彈工況就不分析了。 通過進行網(wǎng)格劃分，對靜載、緩沖器撞擊和緊急制停三種常見工況約束及加載如圖10所示，運行分析得到三種工況應力，應變分析如圖11所示。

圖10 三種常見工況約束及加載

由圖11可以看出，靜載工況時，應力最大值達95.6 MPa，主要原因是導靴連接孔處存在應力集中，其他區(qū)域基本在42.499 MPa以下，與理論計算結果42.9 MPa還是相符的；緩沖器撞擊工況時，最大應力值為37.9 MPa，與理論計算結果61.998 MPa有出入，主要原因是理論計算是簡化模型，比如下梁加強板在承受緩沖器撞擊可以適當分散沖擊力，企業(yè)目前所用計算方法受限，故優(yōu)先考慮有限元分析；緊急制停工況時，最大應力值為146.2 MPa，同樣有應力集中現(xiàn)象，且位置與靜載工況相同。

圖11 三種常見工況應力應變分析結果

ASME A17.1對于各工況有相關應力的要求，相關應力標準要求如表2所示。對于對重架上、下梁的變形，只要不大于跨距1/190[14]即可。依據(jù)理論計算及有限元分析，此款對重架設計安全可靠。

表2 許用應力表[15]

3 結論

本研究分析了對重的各種工況，并且進行了理論計算及有限元計算。結果表明，對重架總體強度完全滿足要求，特別是螺栓、對重架上、下梁這兩個部件。而對重架側梁局部存在應力集中，對該部位進行加固可以解決此類問題。

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(責任編輯：李 華)

Numerical Simulation Analysis of Elevator Counterweight Frame

ZHAO Haiyan
(School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

TH123-3

A

1008-5475(2017)03-0038-05

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.03.008

2017-01-12；

2017-02-02

蘇州市科技基礎設施建設科技計劃項目(SZS201009)

趙海燕(1978-)，女，河北滄州人，講師，碩士，主要從事機械結構設計與分析研究。

趙海燕.面向電梯對重架的數(shù)值模擬分析[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2017，28(3)：38-42.