李寒冰，衛(wèi)小兵，張召軍，王敏星

（1.河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000；2.西繼迅達(dá)（許昌）電梯有限公司，河南 許昌 461000）

1 引言

目前我國(guó)電梯行業(yè)發(fā)展迅速，但電梯事故頻發(fā)[1]，《GB7588-2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范》及其第1 號(hào)修改單針對(duì)電梯層門的強(qiáng)度提出了新的擺錘沖擊要求，即電梯層門在遭受意外撞擊時(shí)不能被撞開(kāi)[2]，而2016 年7 月這一修改單實(shí)施前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入運(yùn)行了約有400 萬(wàn)臺(tái)未考慮層門強(qiáng)度要求的電梯（以下簡(jiǎn)稱老舊電梯）。電梯層門最薄弱的位置是在下部的層門靴上，老舊電梯上的層門靴并沒(méi)有考慮或設(shè)計(jì)防撞功能，導(dǎo)致電梯層門在異常外力下打開(kāi)，造成了人身傷亡事故，近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生的因?qū)娱T靴脫槽引起事故的案例大多與此有關(guān)[2]。

因此，老舊電梯加裝防層門腳靴脫槽裝置成為亟待解決的問(wèn)題，這就要求加裝結(jié)構(gòu)具有普遍適用性，必須要嚴(yán)格滿足新規(guī)范中的擺錘沖擊要求。目前，有限元分析法已在電梯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方面廣泛應(yīng)用[3-7]，運(yùn)用有限元分析的方式可以對(duì)層門的撞擊性能進(jìn)行準(zhǔn)確和快速完整的分析。目前，對(duì)老舊電梯的耐撞性或?qū)娱T加固設(shè)計(jì)方面的研究較少，通過(guò)運(yùn)用仿真和試驗(yàn)結(jié)合的手段，可以更準(zhǔn)確的對(duì)老舊電梯層門的加固提供設(shè)計(jì)方案和分析依據(jù)。

2 沖擊有限元模型

2.1 掛鉤式防脫槽裝置組成

選取具有代表性單側(cè)寬度475mm 規(guī)格層門建模，設(shè)計(jì)掛鉤式電梯層門防脫槽裝置，主要包括門腳掛鉤、地坎防脫件、門板掛鉤、門套防脫件等部件[8-9]。層門關(guān)閉后受外力作用時(shí)，門腳掛鉤可以掛住地坎防脫件，門板掛鉤掛住門套防脫件。掛鉤式防電梯層門脫槽裝置，如圖1 所示。

圖1 掛鉤式防電梯層門脫槽裝置Fig.1 Hook-Type Anti-Elevator Door Slotting Device

2.2 接觸-碰撞算法

接觸碰撞算法可處理任意多個(gè)物體間的相互作用，假設(shè)相互接觸的兩個(gè)柔性體A和B，t時(shí)刻邊界的外法向分別為nA和nB[10]。接觸碰撞系統(tǒng)除應(yīng)滿足有限元法中連續(xù)體控制方程外，接觸界面還應(yīng)滿足物理不可穿透條件和動(dòng)量守恒定律[11]。考察位于接觸界面分別屬于物體A和物體B的任意兩個(gè)點(diǎn)xA和xB，不可穿透條件可表述為：

即接觸間隙要求不小于0，0 值對(duì)應(yīng)于剛好接觸狀態(tài)，式中：gN為接觸間隙。接觸界面的動(dòng)量守恒要求作用于兩物體的面力tA和tB滿足：

罰函數(shù)算法假設(shè)法向接觸壓力fN與主節(jié)點(diǎn)與法向滲透量Δp成線性正相關(guān)，即：

式中：α—?jiǎng)偠纫蜃?，取值一般在?～1）之間，可由計(jì)算程序控制，式中：E—材料的彈性模量，A—接觸單元面積，V—單元體積。

同理，在引入切向動(dòng)摩擦系數(shù)μ 后，可以得出

根據(jù)計(jì)算得到的法向接觸力fN和切線摩擦力ft需要根據(jù)具體單元的形函數(shù)將力插值到節(jié)點(diǎn)[12]。

2.3 網(wǎng)格模型

掛鉤式防脫槽裝置主要為鈑金和螺栓連接裝配結(jié)構(gòu)，在有限元建模時(shí)，進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：刪除了不影響主體結(jié)構(gòu)的小特征，如小圓角[11]等；根據(jù)板殼理論，對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)抽取中面，使用殼單元shell181 進(jìn)行模擬[12]；對(duì)于螺栓連接，使用和實(shí)際螺栓等徑的beam188 單元模擬；其它零部件使用六面體solid186 單元實(shí)體單元建模。網(wǎng)格劃分使用ANSYS19.0 有限元軟件，單元尺寸設(shè)置為（2～15）mm，采用高級(jí)尺寸函數(shù)控制曲率，網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖2所示。共生成28 萬(wàn)個(gè)單元，三角形單元的數(shù)量小于3%，單元的平均扭曲度0.193，滿足分析對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的要求。根據(jù)實(shí)際裝配關(guān)系建立各個(gè)部件之間的連接方式，掛鉤接觸對(duì)、導(dǎo)輪接觸對(duì)、擺錘與層門、層門腳靴與地坎等接觸對(duì)設(shè)置為非線性摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，目標(biāo)面和接觸面設(shè)定為對(duì)稱。材質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖3 所示。掛鉤組件材質(zhì)和門框等材質(zhì)為Q235A，層門等鈑金結(jié)構(gòu)材質(zhì)為SPCC，考慮到擺錘沖擊過(guò)程中可能產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，對(duì)層門和掛鉤材質(zhì)依據(jù)《GB/T228.1-2010 金屬材料拉伸試驗(yàn)》制作了樣件，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并根據(jù)工程應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系對(duì)彈塑性曲線進(jìn)行了修正，以此作為有限元分析的材料參數(shù)輸入，材料的力學(xué)屬性，如表1 所示。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 FEA Mesh Model

圖3 材質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-Strain Curves of Main Materials

表1 材料的力學(xué)屬性Tab.1 Mechanical Property of Main Materials

2.4 邊界條件

軟擺錘沖擊裝置，如圖4 所示。總質(zhì)量為45kg，分析時(shí)簡(jiǎn)化為等質(zhì)量的實(shí)心球，彈性模量見(jiàn)表1。全約束電梯層門周圍側(cè)邊框架端部的自由度，模擬實(shí)際電梯層門的安裝狀態(tài)；分析時(shí)，軟擺錘處于距離層門底部1m 高度且居單側(cè)層門中間的位置，根據(jù)動(dòng)能定理，軟擺錘具有的撞擊初速度為：

圖4 軟擺錘測(cè)試裝置的示意Fig.4 Schematic of the Soft Pendulum Test Device

圖中：H—跌落高度0.8m。

3 擺錘沖擊分析與試驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果分析

在撞擊層門過(guò)程中，擺錘沖擊動(dòng)能傳遞到層門，再通過(guò)層門傳遞到掛鉤和層門腳靴與周圍連接處，最終傳遞到門框和地坎的約束位置，提取以下位置的撞擊力曲線：擺錘與層門之間，加裝掛鉤裝置的層門，如圖5（a）所示。未加裝層門，如圖5（b）所示。門腳掛鉤與地坎防脫件之間，如圖5（c）所示。門板掛鉤與門板防脫件之間，如圖5（d）所示。

從圖5（a）和圖5（b）中可以看出，加裝掛鉤式防脫裝置后，擺錘撞擊力在撞擊開(kāi)始后4.5ms 達(dá)到峰值5113N；沒(méi)有加裝防脫裝置的層門的撞擊力峰值為3578N，由于層門腳靴與地坎之間在垂直方向上可以相對(duì)移動(dòng)，撞擊過(guò)程中導(dǎo)致層門腳靴與地坎脫離，可以看出，底部構(gòu)件約束不足是造成這種老舊電梯層門在事故中被異常打開(kāi)的直接原因。

從圖5（c）和圖5（d）可以看出，在加裝掛鉤式防脫裝置后的層門撞擊中，位于側(cè)面的門套防脫掛鉤主要承受了由于層門彎曲而產(chǎn)生的垂直（FZ）方向的力；位于底部的門坎防脫掛鉤則同時(shí)承受了水平（FY）和垂直（FZ）方向的撞擊反作用力，從而避免了層門底部與地坎的脫離，提高了層門的防撞性能。

圖5 沖擊過(guò)程中的接觸力曲線Fig.5 Contact Force Curve During Impact

從表2 可以看出，加裝掛鉤防脫裝置和未加裝的層門組件中的最大塑性應(yīng)變均沒(méi)有超過(guò)對(duì)應(yīng)材質(zhì)的斷裂延伸率，因此，撞擊過(guò)程中不會(huì)發(fā)生因結(jié)構(gòu)斷裂導(dǎo)致的層門異常打開(kāi)；而未加裝掛鉤組件的層門的最大塑性應(yīng)變僅為0.002，因此，擺錘撞擊未加裝掛鉤的層門時(shí)，層門產(chǎn)生的彈性變形是導(dǎo)致層門腳靴脫離地坎的主要原因，體現(xiàn)了在撞擊過(guò)程中層門材質(zhì)本身的強(qiáng)度未得到充分的利用；而加裝掛鉤的層門結(jié)構(gòu)也仍具有較大的抗撞裕度。在45kg 擺錘沖擊仿真基礎(chǔ)上，通過(guò)直接施加沖擊力，在滿足120mm 永久變形規(guī)范范圍內(nèi)，分別計(jì)算帶掛鉤式防脫槽裝置和不帶掛鉤電梯層門的最大耐撞力，結(jié)果表明，加裝前不帶掛鉤層門最大耐撞擊力為2765N；加裝后帶掛鉤式防脫槽裝置后層門最大撞擊力為5974N；加裝掛鉤式防脫槽裝置后的抗撞擊能力是加裝前的2.16 倍。

表2 擺錘沖擊產(chǎn)生的最大塑性應(yīng)變Tab.2 Maximum Plastic Strain Due to Pendulum Impact

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證及與分析結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證掛鉤式防電梯門脫槽裝置的抗沖擊能力和有限元分析結(jié)果的正確性，按照?qǐng)D4 裝置要求搭建了擺錘沖擊平臺(tái)，如圖6 所示。使用高速攝像機(jī)（1500 fps）記錄沖擊整個(gè)擺錘沖擊變形，得到?jīng)_擊過(guò)程中層門的最大撞擊位移與永久變形位移，并與規(guī)范要求進(jìn)行校核；并與有限元沖擊分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。加裝防脫裝置的層門的永久變形，如圖7 所示。沖擊過(guò)程中加裝防脫裝置的層門的最大位移變形，如圖8 所示。此次擺錘沖擊試驗(yàn)的電梯層門分為加裝掛鉤防脫靴裝置的老舊電梯層門和傳統(tǒng)未加裝防脫裝置的老舊層門，單側(cè)層門寬度均為475mm。試驗(yàn)結(jié)果如下：未加裝掛鉤防脫槽裝置的電梯層門底部腳靴在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被撞脫開(kāi)，不能滿足現(xiàn)行《GB7588-2003》及其第1 號(hào)修改單中的要求；而加裝掛鉤式防脫槽裝置后的電梯層門可以抵抗住45kg軟擺錘的沖擊，撞擊后層門的永久變形小于標(biāo)準(zhǔn)要求的120mm。仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表3 所示。

圖6 軟擺錘撞擊層門測(cè)試裝置Fig.6 Soft Pendulum Test Device

圖7 加裝防脫裝置的層門的永久變形Fig.7 Permanent Deformation with Anti-Dropout Device

圖8 沖擊過(guò)程中加裝防脫裝置的層門的最大位移變形Fig.8 Maximum Displacement and Deformation of Landing Door with Anti-Dropout Device During Impact

表3 仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Analysis and Test Results

對(duì)比表3 中結(jié)果可知，軟擺錘撞擊試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果趨勢(shì)一致，永久變形結(jié)果和最大撞擊位移結(jié)果相對(duì)誤差小于10%，主要是由于軟件分析和試驗(yàn)中的局部邊界約束差異導(dǎo)致，誤差在合理誤差范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）未加裝掛鉤式防脫槽裝置的電梯層門腳靴在有限元分析和擺錘試驗(yàn)中均被撞脫開(kāi)；而加裝掛鉤式防脫槽裝置的電梯層門在有限元分析和擺錘試驗(yàn)中永久變形結(jié)果均小于規(guī)范120mm的要求，部件均未失去完整性，滿足《GB7588-2003》及其第1 號(hào)修改單針對(duì)電梯層門的強(qiáng)度提出了抗擺錘沖擊要求；同時(shí)，在滿足120mm 永久變形規(guī)范的前提下，通過(guò)加大撞擊力的方式，分析出在加裝掛鉤式防脫槽裝置后的層門耐撞擊力與加裝前相比提高了2.16 倍。

（2）掛鉤式防層門脫槽裝置抗撞原理分析：①在擺錘試驗(yàn)中，傳統(tǒng)未加裝掛鉤的層門腳靴脫離地坎導(dǎo)致整個(gè)下部層門被撞飛，而層門的強(qiáng)度并未達(dá)到材料的極限斷裂強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)上有較大的改進(jìn)裕度；②在層門底部以及側(cè)面加裝防脫槽掛鉤后，撞擊過(guò)程中，撞擊力通過(guò)層門傳遞到掛鉤和頂部導(dǎo)輪，進(jìn)而將撞擊力傳遞到地坎和門框；c.層門撞擊后彎曲變形，門腳掛鉤和側(cè)門框的門套防脫掛鉤從水平和垂直方向阻礙這一彎曲變形，進(jìn)而將撞擊彈性變形能轉(zhuǎn)換為塑性變形能，吸收了部分撞擊能量。

（3）軟擺錘撞擊試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果永久變形和最大變形位移結(jié)果誤差在合理誤差范圍之內(nèi)，對(duì)后續(xù)同類產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析有較大的指導(dǎo)意義。