張 雍，金仲平，王滌宇，呂信策，林 榮，黃松檀

(1.臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 臺(tái)州 318000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

作為電梯機(jī)械保護(hù)環(huán)節(jié)中關(guān)鍵部件之一的安全鉗，是防止電梯轎廂墜落的最后一道屏障。例如曳引鋼絲繩或懸掛裝置斷裂，轎廂自由落體，此時(shí)安全鉗必須得有足夠的摩擦力將轎廂制停在導(dǎo)軌上避免發(fā)生事故。漸進(jìn)式安全鉗在制停過程中，轎廂及載重的機(jī)械能主要被鉗塊和導(dǎo)軌之間的摩擦所消耗，鉗塊和導(dǎo)軌之間接觸滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦功大部分轉(zhuǎn)化為熱能。摩擦熱會(huì)帶來接觸表面溫度的升高，導(dǎo)致接觸材料的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而改變安全鉗制動(dòng)性能進(jìn)而引發(fā)事故[1-3]。

目前安全鉗型式試驗(yàn)僅包括減速度、制動(dòng)速度及制動(dòng)距離等機(jī)械性能的測試，因此有必要對鉗塊進(jìn)行制動(dòng)溫升測量。李根義與倪陸[4-5]利用有限元軟件，通過將摩擦產(chǎn)生的熱量處理為熱邊界條件施加到鉗塊上，對防爆升降機(jī)和電梯的安全鉗進(jìn)行摩擦生熱問題模擬仿真分析；姚俊[6]從系統(tǒng)能量的角度求取瞬時(shí)熱流密度的解析表達(dá)式，并將所得瞬時(shí)熱流密度作為邊界條件施加到鉗塊上進(jìn)行仿真分析；金川[7]提出了一種新的摩擦模型，并編寫子程序進(jìn)行安全鉗制動(dòng)摩擦溫升仿真分析。上述研究都是針對平滑表面的安全鉗進(jìn)行制動(dòng)溫升仿真分析，利用能量轉(zhuǎn)化原理計(jì)算熱流密度，并作為邊界條件加載到鉗塊上進(jìn)行傳熱分析。

本文將對菱形表面的安全鉗制動(dòng)溫升測量方法進(jìn)行研究，并與數(shù)值仿真分析進(jìn)行比較。

1 安全鉗制動(dòng)傳熱分析及鉗塊材料性能與熱物性參數(shù)

安全鉗制停過程中，整個(gè)動(dòng)作過程從開始到結(jié)束的時(shí)間t內(nèi)，系統(tǒng)機(jī)械能的改變量大部分被用于整個(gè)整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的鉗塊界面的摩擦溫升，小部分以其他形式損耗掉。

制停過程中的重力勢能變化量為:

W1=mgh

(1)

(2)

式中：h—制動(dòng)距離；v0—鉗塊動(dòng)作時(shí)的初速度；a—制動(dòng)減速度。

動(dòng)能的變化量為：

(3)

v=v0-at

(4)

因此，整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為溫升的摩擦能量為:

W=(W1+W2)η

(5)

式中：η—系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換為熱能的比率，一般取值為0.85～0.9。

熱量、比熱、質(zhì)量、溫度等之間的計(jì)算關(guān)系為：

W=Q=Cm*(T2-T1)

(6)

式中：Q—熱量；C—比熱；m—鉗塊質(zhì)量；T1—初始溫度；T2—最大溫度。

鉗塊在導(dǎo)軌上制動(dòng)滑行，鉗塊上不斷聚集熱量，所以需確定鉗塊材料性能與熱物理性參數(shù)，本研究將與安全鉗相同材料制成的試件放到萬能拉壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同溫度下的壓縮試驗(yàn)，得到不同溫度下鉗塊材料的彈性模量和泊松比，如表1所示。

表1 不同溫度下鉗塊材料的彈性模量和泊松比

鉗塊材料的熱膨脹系數(shù)通過熱膨脹儀進(jìn)行測試，得到不同溫度下鉗塊材料的熱膨脹系數(shù)，如表2所示。

表2 不同溫度下鉗塊的熱膨脹系數(shù)

本研究通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)《GB/T22588-2008閃光法測量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》的規(guī)定，利用激光擴(kuò)散導(dǎo)熱儀測試得到鉗塊材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容，如表3所示。

表3 不同溫度下鉗塊材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容

由文獻(xiàn)[8]得到鉗塊材料摩擦系數(shù)隨溫度的變化，如表4所示。

表4 不同溫度下鉗塊材料的摩擦系數(shù)

本研究采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行安全鉗靜壓夾持力試驗(yàn)，其最大試驗(yàn)力為100 kN，準(zhǔn)確度等級為1級，如圖1所示。

圖1 安全鉗靜壓夾持力試驗(yàn)

最大壓縮力分別為19 260 N、16 087 N、47 853 N和53 322 N。測試得到的夾持力加載到鉗塊背面作為制動(dòng)壓力。

試驗(yàn)得到力與時(shí)間的曲線如圖2所示。

圖2 力-時(shí)間曲線

2 安全鉗制動(dòng)溫升有限元分析

2.1 三維模型及網(wǎng)格劃分

本文采用Abaqus對安全鉗制動(dòng)溫升過程進(jìn)行分析，首先在Solidworks里建立鉗塊和導(dǎo)軌的三維模型，如圖3所示。

圖3 鉗塊導(dǎo)軌三維模型

本研究通過Hypermesh對鉗塊和導(dǎo)軌進(jìn)行簡化及網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 鉗塊和導(dǎo)軌網(wǎng)格劃分

在該模型中，導(dǎo)軌在與鉗塊的接觸區(qū)域及菱形凸起網(wǎng)格劃分的較密，因鉗塊表面的摩擦溫升是研究的目的，網(wǎng)格劃分最密，定義為從面，單元邊長為0.2 mm；導(dǎo)軌網(wǎng)格劃分相對疏一點(diǎn)，定義為主面，單元邊長0.3 mm。整個(gè)模型的單元數(shù)量為50 906，其中導(dǎo)軌單元數(shù)為35 728，單元類型為C3D8T，為六面體單元；鉗塊單元數(shù)為15 178，單元類型為C3D4T，為四面體單元。

鉗塊材料是合金鋼，導(dǎo)軌材料是Q235，其材料參數(shù)如表5所示。

表5 Q235和合金鋼材料參數(shù)

2.2 載荷及邊界條件

因進(jìn)行4組仿真，本研究對鉗塊背面施加均布壓力為47 853 N、53 322 N、19 260 N和16 087 N，即鉗塊背面的面壓分別為22 657 670 Pa、25 247 159 Pa、9 119 318 Pa和7 616 950 Pa。對導(dǎo)軌的底面進(jìn)行全自由度約束。鉗塊背面放開X和Z方向的自由度，放開X方向自由度是因?yàn)橐言赬方向施加了均布壓力，在鉗塊Z方向定義速度的幅值曲線使鉗塊在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。整個(gè)模型的初始溫度和環(huán)境溫度都為20 ℃。

載荷設(shè)置示意圖如圖5所示。

圖5 載荷設(shè)置示意圖

各次仿真試驗(yàn)速度加載如圖6所示。

圖6 各次仿真試驗(yàn)速度加載

2.3 仿真結(jié)果分析

本研究共進(jìn)行4組仿真，得到各組仿真最高溫升結(jié)果分布圖，如圖7所示。

圖7 各組仿真最高溫升結(jié)果分布圖

從圖7可知：第1組仿真試驗(yàn)載荷為3 t，額定速度2.5 m/s，制動(dòng)速度為3.55 m/s，最高溫度是210.1 ℃；第2組仿真試驗(yàn)載荷為3 t，額定速度1.5 m/s，制動(dòng)速度為2.55 m/s，最高溫度是184.4 ℃；第3組仿真試驗(yàn)載荷為4 t，額定速度2.5 m/s，制動(dòng)速度為3.61 m/s，最高溫度是244.9 ℃；第4組仿真試驗(yàn)載荷為4 t，額定速度1 m/s，制動(dòng)速度為2.16 m/s，最高溫度是168.7 ℃。對比圖7(a)和圖7(b)，圖7(c)與圖7(d)，在同載荷不同初速度的情況，明顯看出速度大的最高溫升要大于速度小的；比較圖7(a)與圖7(c)，是同初速度不同載荷情況，可看出載荷大的最高溫升比載荷小的大；對比圖7(b)與圖7(d)，不同載荷不同初始度情況，載荷大的速度小的最高溫升小于載荷小的速度大的。

3 安全鉗制動(dòng)溫升測量試驗(yàn)

試驗(yàn)第一步安裝熱電偶，由于用熱電偶直接測量鉗塊與導(dǎo)軌摩擦表面溫度難度很大，且為了能更好的測得鉗塊表面的摩擦溫升，在鉗塊表面的不同區(qū)域埋熱電偶，具體位置如圖8所示。

圖8 熱電偶安裝位置

由于制動(dòng)過程時(shí)間比較短，對溫度記錄儀的反應(yīng)時(shí)間要求比較高，本文選用0.1 s記錄3次的多通道溫度記錄儀。在圖8中前面兩個(gè)鉗塊用直徑為0.15 mm的K型電偶絲，后面兩個(gè)鉗塊用直徑為0.15 mm的J型在，都用高溫導(dǎo)熱膠水固定。

試驗(yàn)在寧波某電梯安全部件有限公司試驗(yàn)塔進(jìn)行。試驗(yàn)中，架體(轎廂)上放置砝碼模擬載重。在試驗(yàn)前，把架體拉升到預(yù)定高度，額定速度2.5 m/s對應(yīng)滑行距離660 mm，額定速度1.5 m/s對應(yīng)滑行距離342 mm，額定速度1 m/s對應(yīng)滑行距離245 mm，架體脫離配重框和吊鉤自由落體，在下落的過程中轎廂架體會(huì)碰到預(yù)先在導(dǎo)軌上定位好的撞塊，撞塊撞擊活動(dòng)鉗塊后觸發(fā)安全鉗動(dòng)作，最終使轎廂架體制停在導(dǎo)軌上。

撞塊安裝示意圖如圖9所示。

圖9 撞塊安裝示意圖

本研究進(jìn)行了4次溫升測量試驗(yàn)，第1次額定速度2.5 m/s、載重3 t；第2次額定速度1.5 m/s、載重3 t；第3次額定速度2.5 m/s、載重4 t；第4次額定速度1 m/s、載重4 t。前兩次都是采用K型熱電偶進(jìn)行測量，后兩次同時(shí)采用J型熱電偶，都埋在上部鉗塊凹槽里。

本研究得到的最高溫升歷程如圖10所示。

圖10 4次試驗(yàn)最高溫升歷程

由圖10(a～b)可知：試驗(yàn)(1，2)中的熱電偶埋在鉗塊中部并用K型熱電偶，載重同為3 t，額定速度為2.5 m/s和1.5 m/s，測得最高溫升分別為67.5 ℃和57 ℃；由圖10(c～d)可知：試驗(yàn)(3，4)中的熱電偶埋在鉗塊中部并用K型熱電偶和上部中間勾槽處埋J型熱電偶，載重同為4 t，額定速度為2.5 m/s和1 m/s，K型熱電偶測得最高溫升分別為78.6 ℃和63 ℃；J型

熱電偶測得最高溫升分別為243.8 ℃和162 ℃?？偨Y(jié)得：K型熱電偶且埋在鉗塊中部，載重3 t，額定速度為2.5 m/s，最高溫升在67 ℃～70 ℃；K型熱電偶且埋在鉗塊中部，載重4 t，額定速度為2.5 m/s，最高溫升在77 ℃～80 ℃；J型熱電偶且埋在鉗塊上部中間勾槽處，載重4 t，額定速度為2.5 m/s，最高溫升在223 ℃～225 ℃。從圖10(c)和圖10(d)可知：鉗塊上部中間的勾槽里，測得溫度更符合，同時(shí)也可看出J型熱電偶相較于K型更合適。

4 結(jié)束語

本文研究了菱形表面安全鉗制動(dòng)過程的溫升測量方法，從仿真分析和試驗(yàn)角度分別測量安全鉗制動(dòng)過程中其表面溫升變化。

研究結(jié)果表明：額定速度在2.5 m/s以下的制動(dòng)溫升試驗(yàn)，測量溫度傳感器宜用J型熱電偶，并將其埋在鉗塊上部第二排菱形凸起的中間溝槽里，測得的最高溫度與仿真結(jié)果基本相符，同時(shí)由溫度記錄儀顯示最高溫升發(fā)生在制動(dòng)開始階段，鉗塊溫升最高區(qū)域在其上部第1排菱形塊到第3排之間，可對此區(qū)域的鉗塊表層進(jìn)行特殊處理并增加菱形凸起間的縫隙以保證散熱。

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