徐畀澤 張雍 呂信策

（臺(tái)州市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，浙江臺(tái)州 317700）

0 引言

隨著近年來(lái)土地資源日益緊張，住宅和工廠廠房也向著多層化、高層化發(fā)展，居住和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)﹄娞莸男枨笳诓粩嘣龆啵?-3］。土地資源緊張和電梯高頻運(yùn)行的情況下，一旦使用人員的安全意識(shí)薄弱，就會(huì)造成安全事故的發(fā)生［4-6］。近些年的電梯事故案例表明，電梯發(fā)生傷亡事故有不少是使用人員操作不當(dāng)，同時(shí)電梯層門可靠性失效，導(dǎo)致人員跌入井道造成。因此電梯層門作為隔絕井道和人員活動(dòng)區(qū)域的重要裝置，是保障電梯使用安全的關(guān)鍵所在。

電梯層門被撞擊損壞導(dǎo)致人員傷亡的事故案例和越來(lái)越嚴(yán)峻的使用環(huán)境說(shuō)明，隨著電梯使用狀況的不斷變化，目前的電梯層門相關(guān)要求有著一定的改進(jìn)空間。對(duì)于電梯層門國(guó)內(nèi)外大多研究都是針對(duì)門機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)，而對(duì)于層門結(jié)構(gòu)本身的研究并不多［7-10］。王河等［11］利用ANSYS 有限元分析軟件模擬電梯受到靜力的物理過(guò)程，通過(guò)其特定材質(zhì)不同厚度的仿真分析，分析特定材質(zhì)下的門板的應(yīng)力與變形影響情況，給出了層門結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的一些建議。駱凱等［12］基于《電梯制造與安裝規(guī)范》中對(duì)于層門的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了關(guān)于電梯層門強(qiáng)度的討論，對(duì)電梯層門的安全指標(biāo)給出了一些建議。吳愛(ài)軍等［13］根據(jù)《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則-曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》設(shè)計(jì)出了一種電梯門機(jī)械強(qiáng)度檢測(cè)裝置的硬件和軟件，能快速檢測(cè)電梯層門的機(jī)械強(qiáng)度。李樺［14］針對(duì)電梯層門受外力沖擊失效導(dǎo)致的事故，分析了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，從中找出層門設(shè)計(jì)改進(jìn)的方法。

但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于撞擊對(duì)層門連接結(jié)構(gòu)的破壞失效機(jī)制研究較少，缺少規(guī)范化的判定依據(jù)，理論與實(shí)驗(yàn)成果不多。因此，研究重物撞擊下電梯層門的破壞失效機(jī)制，結(jié)合實(shí)際制定破壞失效臨界點(diǎn)的關(guān)鍵性安全指標(biāo)，可以指導(dǎo)制定科學(xué)的電梯層門安全的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有重要的科學(xué)理論和工程指導(dǎo)意義。本文基于理論力學(xué)給出層門滑塊最大應(yīng)力的計(jì)算模型，結(jié)合LS-DYNA 進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同滑塊嵌入深度對(duì)層門抗撞擊能力的影響。

1 撞擊對(duì)電梯層門結(jié)構(gòu)的破壞失效機(jī)制分析

電梯門從安裝位置來(lái)分可以分為2 種，裝在井道入口層站處的為層門，裝在轎廂入口處的為轎廂門。層門和轎廂門按照結(jié)構(gòu)形式可分為中分門、旁開門、垂直滑動(dòng)門、鉸鏈門等。貨梯主要采用的是中分式門或者旁開式門。電梯層門和轎廂門一般由門、導(dǎo)軌架、滑輪、滑塊，門框、地坎等部件組成。門通過(guò)滑輪與導(dǎo)軌相聯(lián)，門的下部裝有滑塊，插入地坎的滑槽中；門的下部導(dǎo)向用的地坎由鋼材、鋁材或銅型材制作，貨梯一般用鋼制地坎、客梯可采用鋁或銅地坎。

電梯層門受到外力撞擊時(shí)，門體本身往往不會(huì)有比較大的變形，或者變形不足以產(chǎn)生能夠使人員安全受到威脅的程度。往往是門體與地坎的連接失效，導(dǎo)致門體下部失去固定而自由活動(dòng)。電梯層門上端通過(guò)掛輪在導(dǎo)軌上運(yùn)行，下端連接滑塊，滑塊在地坎滑槽中運(yùn)行，如果滑塊因?yàn)橥饬Πl(fā)生變形脫出，層門的下端就得不到限制，一旦人員接觸到這樣的層門，層門受到輕微外力作用，人員就容易墜入井道。在受到較大的撞擊后層門的下部很容易失去約束，門體本身會(huì)產(chǎn)生一定的變形，而層門滑塊與地坎接觸的位置更是產(chǎn)生了彎曲并且脫落，見圖1。

圖1 撞擊后的電梯層門示意

簡(jiǎn)化層門結(jié)構(gòu)，層門受到撞擊受力和電梯層門整體結(jié)構(gòu)示意如圖2—圖3 所示。分析忽略層門質(zhì)量對(duì)撞擊的影響，將層門和滑塊看做一體，簡(jiǎn)化為一根梁。層門受到撞擊時(shí)，會(huì)以層門滑塊和地坎的接觸位置作為支點(diǎn)，發(fā)生彎折。

圖2 撞擊層門受力示意

對(duì)于支點(diǎn)，撞擊點(diǎn)到支點(diǎn)的距離、滑塊到支點(diǎn)的距離、撞擊的力、地坎給滑塊的反作用力，分別以O(shè)、l1（m）、l2（m）、Fp（N）、Fr（N）表征。以層門和滑塊整體作為控制體，根據(jù)牛頓第三定律，可以得到如下關(guān)系式為：

由此，可以得到層門滑塊的拉應(yīng)力為：

聯(lián)立式（1）和式（2），可以得到：

式中，S為滑塊截面積，m2。

因此可以推出，想要增強(qiáng)層門的抗沖擊能力，減小滑塊的拉應(yīng)力，防止滑塊的變形脫落，可以通過(guò)以下3 種方式：

（1）提高材料的屈服極限，使其大于滑塊的最大應(yīng)力，阻止滑塊的塑性形變。

（2）增大滑塊的初始截面積，使得同樣條件下滑塊的最大應(yīng)力減小，達(dá)不到材料的屈服極限，也就無(wú)法產(chǎn)生塑性形變。

（3）增加滑塊到支點(diǎn)的距離l2，同樣可以使得滑塊的最大應(yīng)力減小，達(dá)不到材料的屈服極限，也就無(wú)法產(chǎn)生塑性形變。

2 重物撞擊下層門結(jié)構(gòu)失效的計(jì)算和模擬

目前臺(tái)州地區(qū)的工廠中使用較多的的載貨電梯噸位為3 t，這個(gè)噸位能滿足大部分企業(yè)的運(yùn)輸要求，價(jià)格也比較適中。各品牌同噸位的電梯層門尺寸大多是相同的，因此以額定載重量3 t 的中分門貨梯為例進(jìn)行分析，電梯層門尺寸為1 800 mm×2 800 mm。螺栓型號(hào)為M24×70 ，直徑為24 mm，螺桿長(zhǎng)度為70 mm。層門材料采用Q235 鋼，厚度3 mm?；瑝K分別采用Q460 鋼材，設(shè)置厚度3 mm，分為鋼片和橡膠塊上下兩部分。螺絲螺栓采用SUS430 不銹鋼，地坎為Q235 鋼材料。

根據(jù)上文理論推導(dǎo)得到的增強(qiáng)層門結(jié)構(gòu)抗沖擊能力的方法共有3 種，第1 種方法提高層門材料的屈服極限也就是使用更高等級(jí)的鋼材，需要增加較大的成本；第2 種方法增加滑塊的初始截面積，這也意味著配套的地坎寬度以及門套間隙等需要重新設(shè)計(jì)，也要增加較高的成本；綜合考量第3 種方法增加滑塊底部到支點(diǎn)的距離，也就是增加滑塊嵌入的深度最簡(jiǎn)單也不需要太多成本。

撞擊對(duì)電梯層門結(jié)構(gòu)的破壞方式除了短時(shí)間大沖量的瞬時(shí)破壞，還有小沖量長(zhǎng)時(shí)間的累積破壞。可能在不斷的撞擊中結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小的損傷，然后在不斷的累積中于某一次瞬間失效破壞。由于使用單位的安全管理人員也會(huì)定期檢查電梯情況，因此本文只考慮不同滑塊嵌入深度下，撞擊對(duì)層門結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)破壞，分別設(shè)置10 mm、20 mm 和30 mm 的滑塊嵌入地坎深度，基于理論分析、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析討論相同工況不同嵌入深度下的滑塊變形破壞，給出合適的滑塊嵌入深度。

Q460 鋼作為一種性能優(yōu)秀的低合金結(jié)構(gòu)鋼，在滿足相同力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)比普通碳素鋼可以節(jié)約大約25%的材料。選取10 mm、20 mm 和30 mm的Q460 鋼作為滑塊材料，基于理論分析、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析討論相同工況下的層門變形破壞，給出最合適的滑塊嵌入深度。工廠中較為常見的小型電動(dòng)堆垛叉車額定載荷為2 t，自重在450 kg左右，廠區(qū)內(nèi)行駛速度在10 ～12 km/h。因此綜合考慮，設(shè)置總重量2.5 t 的小車，以3 m/s 的速度撞擊電梯層門，滑塊嵌入地坎深度為10 mm，觀察撞擊后的層門滑塊破壞情況。層門以及滑塊地坎布置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 層門以及滑塊地坎布置結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滑塊深度對(duì)層門抗沖擊能力的影響

設(shè)置重量為2.5 t 的小車，以3 m/s 的速度直接撞擊電梯層門，撞擊點(diǎn)到支點(diǎn)的距離l1取1 m，滑塊外露部分高度為5 cm，則滑塊底部到支點(diǎn)的距離l2為（5+x）cm，其中x為滑塊嵌入地坎深度，作為理論計(jì)算依據(jù)。代入式（3），得到3 種嵌入深度下滑塊的最大應(yīng)力，結(jié)果列入表1。數(shù)值模擬的尺寸參數(shù)和能量法相同，網(wǎng)格單元全部按照2 mm 進(jìn)行劃分，結(jié)合LS-DYNA 進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算250 ms 得到不同厚度風(fēng)門中心點(diǎn)的位移時(shí)間歷程曲線，如圖5 所示；對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖6—圖8 所示。將對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力也列入表1，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)考慮相同設(shè)置參數(shù)下的物理實(shí)驗(yàn)的滑塊變形情況，如圖9 所示，將變形量與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。

表1 不同嵌入深度下滑塊最大應(yīng)力

圖5 不同嵌入深度下滑塊最大應(yīng)力點(diǎn)的位移時(shí)間歷程曲線

圖6 10 mm 嵌入深度下層門的應(yīng)力云圖

3.2 結(jié)果分析

從圖6 中可以看到，數(shù)值模擬中10 mm 嵌入深度的層門的最大應(yīng)力為500.3 MPa，且應(yīng)力集中位置在滑塊和地坎接觸的位置上，同時(shí)最大應(yīng)力也超過(guò)了Q460 鋼的屈服極限460 MPa，鋼板進(jìn)入了塑性變形狀態(tài)，滑塊破壞失效；而20 mm和30 mm嵌入深度的滑塊最大應(yīng)力則分別為444.9 MPa 和404.6 MPa，小于Q460 鋼的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)圖5顯示，10 mm 嵌入深度滑塊最大應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大撓度超過(guò)了13 mm，由于進(jìn)入了塑性變形狀態(tài)，滑塊變形后無(wú)法復(fù)原。而圖9 的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果滑塊在水平方向的變形為11.52 mm，這是由于物理實(shí)驗(yàn)中螺栓的連接處以及部件的碰撞摩擦都吸收了一部分能量，而數(shù)值模擬中為簡(jiǎn)化計(jì)算未考慮，2 種方法的誤差為11.4%，且實(shí)際值小于數(shù)值模擬值，從安全余量的角度考慮是可以接受的；而圖7 和圖8 中，20 mm和30 mm嵌入深度的滑塊最大應(yīng)力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大撓度為12 mm和10 mm，也沒(méi)有進(jìn)入屈服狀態(tài)，變形后可以復(fù)原。為了防止運(yùn)行過(guò)程中門扇晃動(dòng)，地坎寬度一般在10 mm 左右，而10 mm 和20 mm 嵌入深度的滑塊撞擊時(shí)變形超過(guò)了10 mm，有可能會(huì)導(dǎo)致滑塊脫出地坎軌道。因此結(jié)合留有安全余量的考慮，3 t額定載重量的貨梯的層門滑塊嵌入深度設(shè)置為30 mm 較為合適。

圖7 20 mm 嵌入深度下層門的應(yīng)力云圖

圖8 30 mm 嵌入深度下層門的應(yīng)力云圖

圖9 撞擊下10 mm 嵌入深度滑塊的破壞情況

對(duì)表1 和圖9 進(jìn)行分析，能量法和數(shù)值模擬的誤差在4%～11%之間，且應(yīng)力越小誤差也越小。這是因?yàn)槟M時(shí)，還有滑塊和地坎以及螺栓之間的碰撞摩擦，損耗了一部分形變能。而理論計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化分析導(dǎo)致部件之間的摩擦和碰撞都沒(méi)有考慮在內(nèi)，所以計(jì)算的最大應(yīng)力也就更大，同時(shí)10 mm滑塊嵌入深度下的數(shù)值模擬的滑塊變形量與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致。因此，通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)研究層門滑塊嵌入深度的問(wèn)題是可行的。

4 結(jié)論

基于理論推導(dǎo)得到了3 t 貨梯的層門在設(shè)置不同的滑塊地坎嵌入深度下受到撞擊時(shí)的最大應(yīng)力。利用數(shù)值模擬手段，研究分析了3 種不同滑塊嵌入深度的層門結(jié)構(gòu)在重物撞擊作用下的動(dòng)力學(xué)特征。研究得到：

（1）數(shù)值模擬得到的滑塊最大應(yīng)力值和理論計(jì)算較為接近，在4%～11%之間，且最大應(yīng)力越小誤差也越小。應(yīng)力集中區(qū)域在滑塊與地坎接觸位置附近，數(shù)值模擬中滑塊產(chǎn)生的變形量與物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)情況誤差為11.4%，且實(shí)際值小于數(shù)值模擬值，從安全余量的角度考慮是可以接受的，對(duì)于利用數(shù)值模擬來(lái)研究設(shè)置不同尺寸的電梯層門滑塊嵌入深度的問(wèn)題來(lái)說(shuō)是可行的。

（2）Q460 鋼的屈服極限為460 MPa，10 mm 嵌入深度滑塊的最大應(yīng)力超過(guò)了460 MPa，無(wú)法達(dá)到性能要求；20 mm 和30 mm 嵌入深度滑塊的最大應(yīng)力都小于460 MPa，但大于10 mm 的形變量可能會(huì)導(dǎo)致滑塊脫出地坎軌道。因此結(jié)合實(shí)際地坎寬度和留有安全余量的考慮，3 t 貨梯的層門滑塊嵌入深度門設(shè)計(jì)應(yīng)盡量大于30 mm。

（3）撞擊對(duì)電梯層門結(jié)構(gòu)的破壞方式除了短時(shí)間大沖量的瞬時(shí)破壞，還有小沖量長(zhǎng)時(shí)間的累積破壞。在未來(lái)需要同時(shí)考慮這些可能，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步深入研究。