郭昊琛

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城048214）

引言

電梯作為一種機(jī)電一體化設(shè)備，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，對(duì)其運(yùn)行的安全性和可靠性要求也越來(lái)越高[1]。電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性不僅關(guān)系著運(yùn)輸人員、貨物等是否能夠順利完成輸送任務(wù)，還關(guān)系著人員的生命安全以及企業(yè)的正常工作。隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，對(duì)電梯的防爆性能提出了更高的要求，本安型防爆技術(shù)的發(fā)展，將其與在用電梯結(jié)合，出現(xiàn)了防爆電梯，并且在煤炭行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用[2-4]。防爆電梯提高了煤炭企業(yè)工作的效率，保證了相關(guān)工作人員的安全，但是連續(xù)工作過(guò)程中需要經(jīng)常啟停，運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其閘瓦經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題[5]。閘瓦發(fā)熱會(huì)使防爆電梯產(chǎn)生安全隱患，降低防爆性能，尤其是應(yīng)用于周圍環(huán)境中存在一定濃度瓦斯的情況下，必須引起高度重視[6]。因此開(kāi)展防爆電梯閘瓦發(fā)熱問(wèn)題的分析，對(duì)于提高防爆電梯的安全性具有重要的意義。

1 防爆電梯研究現(xiàn)狀

早期出現(xiàn)的防爆電梯考慮的主要問(wèn)題是如何防爆，其中涉及到電氣和機(jī)械兩個(gè)方面的內(nèi)容。電氣防爆技術(shù)是盡量避免電氣元器件控制過(guò)程中出現(xiàn)火花和高溫，通過(guò)對(duì)電氣元件進(jìn)行包裝，在其內(nèi)部充斥惰性氣體的方式實(shí)現(xiàn)隔爆。該技術(shù)實(shí)施過(guò)程中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)維工作繁瑣、性價(jià)比低，因此后來(lái)逐漸被本安型防爆技術(shù)取代，簡(jiǎn)化了電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，降低了后續(xù)運(yùn)行維護(hù)成本，現(xiàn)已取得了較為廣泛的應(yīng)用。機(jī)械防爆技術(shù)主要考慮電梯中個(gè)別經(jīng)常碰撞金屬件或者區(qū)域，包括繩頭組合的下墊片，為了防止碰撞過(guò)程中出現(xiàn)花火，設(shè)計(jì)采用了非敏感材料制備，同理情況下導(dǎo)靴靴套的上下?lián)醢宀捎昧饲嚆~制備。該技術(shù)雖然能夠?qū)㈦娞葸\(yùn)行過(guò)程中極易出現(xiàn)碰撞的零部件改成不產(chǎn)生火花的材料制備，但是忽略了電梯連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的相互摩擦情況，摩擦生熱會(huì)增加引起爆炸事故的可能，尤其是防爆電梯制動(dòng)系統(tǒng)。閘瓦作為制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，連續(xù)使用過(guò)程中摩擦生熱現(xiàn)象較為明顯，因此有必要進(jìn)行深入的分析。

2 閘瓦溫度分布仿真分析

ANSYS有限元仿真分析軟件具有極其全面的仿真功能，閘瓦的分析采用了軟件自帶的熱力學(xué)分析模塊，通過(guò)設(shè)置合適的仿真參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)閘瓦制動(dòng)過(guò)程中的發(fā)熱情況及其分布。ANSYS有限元仿真軟件主要包括前處理模塊、求解模塊和后處理模塊，具體分析步驟如下：三維模型建立→網(wǎng)格劃分→載荷和約束的施加→求解分析→結(jié)果顯示。

2.1 三維模型的建立

研究的制動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)稱式雙閘瓦式制動(dòng)器，當(dāng)電梯運(yùn)行過(guò)程中需要進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，由控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)閘瓦向制動(dòng)輪靠近，達(dá)到閘瓦緊抱制動(dòng)輪產(chǎn)出摩擦阻力的目的，實(shí)現(xiàn)電梯的制動(dòng)。具體制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1所示。因其為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，分析過(guò)程中僅需建立單片閘瓦三維模型即可，閘瓦結(jié)構(gòu)組成為兩個(gè)同心的圓柱體，其中大小半徑分別是175 mm與150 mm，閘瓦的寬度尺寸為120 mm，包角角度為77°，基于此完成了單個(gè)閘瓦的三維模型的建立。將建立完成的閘瓦模型導(dǎo)入ANSYS仿真分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，為了保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，提高仿真計(jì)算的效率，選擇映射網(wǎng)格劃分方法完成閘瓦網(wǎng)格的劃分，如下頁(yè)圖2所示。

2.2 載荷與約束施加

仿真過(guò)程中將閘瓦的初始溫度設(shè)置為25℃，摩擦面為閘瓦內(nèi)側(cè)表面，包括該表面上的所有節(jié)點(diǎn)。閘瓦運(yùn)行過(guò)程中的熱流密度值為91 500 J/（m2·s），選擇瞬態(tài)熱分析，設(shè)置求解時(shí)間子步為0.01 s、求解時(shí)間為1.7 s，分析時(shí)采用雙精度求解，將載荷設(shè)置成階躍形式。完成載荷和約束的施加之后即可調(diào)用ANSYS軟件自帶的求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 電梯制動(dòng)系統(tǒng)組成

圖2 閘瓦網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 仿真結(jié)果與分析

等待完成仿真計(jì)算之后調(diào)取結(jié)果，閘瓦的溫度分布云圖如圖3所示。由圖3可以看出制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中閘瓦的底面溫度基本沒(méi)有變化，依然為最初的設(shè)置溫度25℃，而摩擦表面的平均溫度升高了30℃，達(dá)到了55℃。制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中閘瓦固定，制動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由閘瓦的結(jié)構(gòu)可知當(dāng)閘瓦與制動(dòng)輪抱緊的過(guò)程中首先接觸的位置是熱量產(chǎn)生的主要位置，也是模型載荷施加的起始位置。由分析結(jié)果可以看出閘瓦制動(dòng)過(guò)程中的最高溫度出現(xiàn)了閘瓦的底部，溫度達(dá)到了92.5℃。

圖3 閘瓦溫度（℃）分布云圖

煤礦行業(yè)相關(guān)規(guī)定要求防爆電梯運(yùn)行過(guò)程中的局部升溫不能超過(guò)100℃，保證防爆電梯的安全可靠運(yùn)行。由仿真分析結(jié)果可以看出其最高溫度已經(jīng)接近規(guī)定要求的數(shù)值，如果在重載、長(zhǎng)時(shí)間等特殊情況下很可能就會(huì)超出100℃，給電梯內(nèi)部人員貨物、煤炭企業(yè)環(huán)境帶來(lái)安全隱患，甚至引發(fā)事故，因此有必要對(duì)其進(jìn)行必要的優(yōu)化改進(jìn)，以降低閘瓦制動(dòng)過(guò)程中的最大溫升，保證其防爆性能。

3 閘瓦改進(jìn)

3.1 閘瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本人的工作經(jīng)驗(yàn)及查閱相關(guān)資料得出增加制動(dòng)過(guò)程中閘瓦與制動(dòng)器的有效接觸面積可以有效改善閘瓦局部過(guò)熱的問(wèn)題。由閘瓦的具體結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)影響閘瓦與制動(dòng)輪接觸面積的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括閘瓦的直徑、寬度和包角等，通過(guò)改變上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法進(jìn)行閘瓦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖送瓿闪?組不同閘瓦直徑、寬度和包角參數(shù)的閘瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如表1所示，并且完成了有效接觸面積和仿真分析所用熱流密度的計(jì)算。由表1可以看出增加閘瓦的接觸包角、直徑和寬度能夠有效提高閘瓦和制動(dòng)輪的接觸面積，降低表面的熱爐密度。

表1 閘瓦結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

3.2 改進(jìn)分析結(jié)果

完成閘瓦結(jié)構(gòu)尺寸改進(jìn)設(shè)計(jì)之后重新建立有限元仿真分析模型，設(shè)置與之前相同的載荷與約束參數(shù)，分別完成不同閘瓦溫度分布情況的仿真計(jì)算。完成仿真計(jì)算的結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出閘瓦結(jié)構(gòu)尺寸的改變并未對(duì)整個(gè)摩擦接觸面的溫升產(chǎn)生明顯的影響，依然維持在55℃，但是隨著閘瓦與制動(dòng)器有效接觸面積的增大，閘瓦表面的最高溫度逐漸降低，4種結(jié)構(gòu)尺寸的閘瓦的最高溫度分別為80.9℃、70.7℃、63.1℃、58.1℃，最高溫度降低趨勢(shì)較為明顯，可以證明通過(guò)增加閘瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)中的包角、寬度和直徑，能夠取得很好的改進(jìn)效果。結(jié)合閘瓦實(shí)際應(yīng)用情況，考慮閘瓦制備過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，選擇3號(hào)閘瓦對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行當(dāng)前防爆電梯制動(dòng)系統(tǒng)的改造工作即可滿足要求。

圖4 改進(jìn)閘瓦仿真分析結(jié)果

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

基于以上改進(jìn)結(jié)果完成了包角90°、寬度150 mm、直徑360 mm閘瓦的加工制造工作，并且將其應(yīng)用至了防爆電梯當(dāng)中。為了閘瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)于防爆電梯發(fā)熱問(wèn)題的改進(jìn)效果，在其開(kāi)始運(yùn)行的半年時(shí)間內(nèi)跟蹤記錄了閘瓦最大溫度變化情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)之后的防爆電梯閘瓦工作過(guò)程中的月平均最大溫度均處于62.9～64.5℃，與仿真分析結(jié)果一致。隨著月份的增加，最大溫度存在降低的趨勢(shì)，可能原因是天氣逐漸變冷，環(huán)境溫度降低所致。總體看來(lái)通過(guò)增加閘瓦的包角、寬度、直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于降低閘瓦工作過(guò)程的發(fā)熱問(wèn)題的改進(jìn)效果較為顯著，也為今后相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供了參考。

表2 閘瓦溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果 ℃

5 結(jié)語(yǔ)

防爆電梯作為煤炭行業(yè)極其重要的升降設(shè)備，其運(yùn)行的安全性和可靠性必須引起高度重視。針對(duì)某煤礦企業(yè)防爆電梯運(yùn)行過(guò)程中閘瓦發(fā)熱的問(wèn)題，采用ANSYS仿真分析軟件開(kāi)展了閘瓦發(fā)熱原因分析，結(jié)果表明閘瓦底部存在最高溫度，溫度值為92.5℃。之后通過(guò)改變閘瓦的直徑、寬度和包角等參數(shù)，完成了閘瓦結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)包角為90°、寬度為150 mm、直徑為360 mm時(shí)能夠?qū)㈤l瓦工作過(guò)程中的最高溫度降低至63.1℃。應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)之后的閘瓦工作過(guò)程中實(shí)際最高溫度在62.9～64.5℃范圍之內(nèi)變化，與仿真優(yōu)化結(jié)果一致，取得了很好的改進(jìn)效果，這對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際改進(jìn)設(shè)計(jì)起到了重要的指導(dǎo)作用。