曳引电梯轿架力学性能分析及结构优化

曳引电梯轿架力学性能分析及结构优化

陈成 张彬 奚鹏

江苏省特种设备安全监督检验研究院 , 江苏泰州 22 53 00

摘要：随着国家对节能减排的要求的提升，电梯作为逐年增加的机电设备。本文通过对其主要部件桥架的受力分析，并采用有限软件进行模拟，通过选择相关变量，寻找最优特征参数，希望为电梯制造企业优化电梯结构提供一定的思路。

关键词：电梯 桥架 有限元

0 前言

近年来随着城市化的快速推进，电梯作为楼宇建筑必不可少的设备，其数量也在突飞猛进。根据智研咨询发布的《2021-2027年中国电梯行业市场全景调查及发展战略研究报告》数据显示：中国电梯的采购率不断提升，采购规模在不断扩大，电梯的需求量在逐年增加，人们对电梯质量的要求越来越高。预计2020年中国电梯保有量为620万台，同比增长6.09%。 

近两年来部分优秀的中国电梯企业的电梯零部件的技术、质量水平已经处于世界领先地位，特别在中低速电梯零部件领域，中国企业已基本可以实现自主生产。2020年前三季度中国电梯产量为89.3万台，同比下降23.87%，电梯厂家的内部竞争压力也亟剧增大，因此如何降低电梯本身的重量，在不影响电梯承载安全的同时又能减少电梯曳引主机的负荷，满足国家节能减排的发展要求，成为各大电梯厂家寻求的方向^[1]。本文通过对电梯轿厢主要承重部件电梯桥架的受力分析及有限元模拟，并对其进行了优化设计，希望能为电梯行业的节能优化提供一定的创新和思路。

1电梯轿架结构受力分析

电梯的轿厢系统是电梯乘用或者装载货物的封闭式箱体结构，一般电梯的轿厢系统主要有轿厢体和轿厢架组成。轿厢架是轿厢体的主要支承构件，电梯导靴、安全钳机构、轿厢门等部件安装在上面；轿厢体主要由轿壁、轿顶、轿底等结构组成通过轿底防震橡胶与电梯桥架相连，侧面通过电梯桥架立柱上的卡胶进行辅助定位。

电梯轿架结构主要由立柱、斜拉杆、上横梁、轿底架组成的四边框架结构，加上安装在上面的反绳轮、导靴、安全钳等部件组成电梯的主要承载部件如图1所示。其中，反绳轮安装在上横梁上，钢丝绳绕过反绳轮固定于机房的承重梁上，形 成 2:1 的曳引比。

图1电梯轿架

曳引电梯的是通过牵动曳引轮来实现电梯轿厢的上升和下降，液压电梯是通过其液压油缸的升降来带动电梯轿厢的上升和下降。由于这两种驱动方式的电梯轿厢受力不同，这里只研究曳引电梯在固定工况下桥架的受力情况。

曳引电梯在标准工况下，其桥架主要受这几方面的载荷：a、自重载荷，是指电梯轿厢架全部构件的总重量之合；b、附加载荷，主要包括门系统的重力、轿厢的重量、其他与轿厢相连设备的重量，这部分载荷是恒定不变的；c、额定载荷，是指电梯在标准工作状态下的额载荷，这部分载荷会因重量集中的部位不同又分为均布载荷、偏载载荷等。

2影响电梯轿架结构力学性能的因素

电梯桥架在正常运行过程中主要受以上载荷影响，但是电梯存在超速及蹲底两种失控状态，电梯桥架的力学性能要求在这两种状态下都不会造成破坏性损伤，有效保护乘客安全。

当电梯超速时，一旦电梯运行速度超过限速器设定值时，限速器将会动作使限速器钢丝绳停止运动，同时带起安全钳提拉装置，安全钳上的滑块与导轨作用使电梯减速制停。在整个安全钳制停的过程非常短，此刻电梯的对重块还处在上升的状态中，电梯钢丝处于放松状态，因此该时刻钢丝绳对电梯桥架的作用力为零，桥架在电梯自重和安全钳与导轨摩擦力的作用下减速制停，该状态下桥架立柱与安全钳直接固定，因此安全钳制动时桥架立柱下端与桥底架两端接触处为轿架结构应力处。

当电梯钢丝绳断裂或者因为其他原因电梯失控下坠直至蹲底时，电梯桥架下的桥底架的缓冲板首先与底坑的缓冲器发生碰撞，使得电梯轿厢的下坠过程得到一定的缓冲，保护了轿厢内的乘客见图2轿厢撞击缓冲器示意图。由于桥底架的缓冲板与缓冲器的相互作用时间也非常短，这个时候电梯对重块也处于上升状态，因此钢丝绳对电梯轿厢的作用力为零，在导靴的作用下，电梯轿厢处于垂直向下的运动状态，此时电梯桥架受自身的重力载荷和缓冲器的缓冲力，由于缓冲板是电梯轿厢与缓冲器直接接触的部件，故轿厢蹲底时，轿架的桥底架缓冲板位置为应力最集中的部分位置。

图2 轿厢撞击缓冲器示意图

3 电梯轿架有限元分析

实际工况中电梯轿架结构非常复杂，而且零部件之间有这焊接、螺纹连接、铆接、铰链等多种连接方式，主要结构件有折弯钣金、型材等，为了保证有限元分析计算的收敛性，对电梯轿架模型进行了一定的简化处理主要包括：

1. 对轿架主要结构件进行壳体化处理，电梯轿架的主体结构由型材、薄 板等碳素结构钢组成，其特点是厚度方向的尺寸远小于其他两个维度的尺寸，基于板壳 理论，零件垂直于中面方向上的正应变极其微小，可以忽略不计^[3]。

在电梯的运行中，螺纹连接的部件正常不产生位移，因此轿架模型中的螺纹连接部位采用面面绑定的接触方式，减少部件。

3）反绳轮、反绳轮轴、安全钳等部件具有更高的刚度，因此将反绳轮、反绳轮轴、安全钳、导靴等部件简化为刚体，可以大大减少计算量。

4）将型材、折弯件的过渡圆角简化为直角，去掉零件小特征，增加有限元网格换分的合理性和有效性，将区域面积小且对轿架整体受力情况影响不大的区域进行简化，从而有利于分析模型的收敛。

根据电梯静载工况以及国标GB7588-2003^[2]要求及电梯使用的实际情况，分析桥架在受额定载荷、偏载（1/2偏载和3/4偏载）、超载(125%额定载荷)状态下，以电梯轿架处于底层平层状态为前提，建立电梯轿架静力学分析模型如下图3所示。

图3 电梯桥架静力学模型

通过电梯桥架静力学模拟结果可知，在电梯3/4额定载荷偏载工况为偏载最危险工况，该工况下，轿架结构的最大应力位于轿底架侧梁与中间防震橡胶的接触位置，其值为152.6MPa，满足 1.5 倍安全系数要求；在125%超载工况下，最大应力在桥架的桥底架与中间防震橡胶的接触位置，应力集中的最大之为165.3MPa，最大位移为8.9mm，该变形为累计变形量，因此超载工况下的轿架安全。

因此，偏载和额定载荷工况下受力情况评定轿架结构的安全系数，满足 1.5倍安全系数的要求。125%超载工况下轿架侧梁与防震橡胶接触处有微小塑性变形，此变形不影响轿架结构的整体功能。此外，由有限元分析结果可以发现整个桥架大部分受力部件所受的应力较小，主要集中在0-50MPa，桥架的安全余量较大，因此可以通过结构优化来轻量化桥架。

4 电梯轿架优化

根据上文对电梯桥架的有限元分析结构可知，桥架上上横梁的安全余量较大，因此以上横梁轻量化为列。大部分桥架上横梁主要由优质碳钢Q235A折弯而成，该有限元模型中其厚度t=6 mm，长度 L=1800mm，高度 H=220 mm，两侧折弯边高度h=80mm，横梁总质量达到31.5kg。考虑到轿架结构布局和其他电梯部件安装的需要，轿架上横梁的长度 L、高度H和折弯边高度h等参数优化的空间极小，故本优化方案不将 L、H、h 参数作为设计变量进行优化，而把厚度t作为优化变量，通过减薄钢板厚度，获得最优化的厚度见图4。

图4 上横梁不同板厚的有限元分析图

由模拟结果可之在优化前上横梁碳钢的板厚为6mm，其最大应力部位在内测为134.6MPa，其余各部位应力不大于100MPa；优化后上横梁采用的为4.5mm碳钢板，其最大应力部位在外侧弯处为137.2MPa，其余各部位应力不大于105MPa，上横梁总质量为23.6kg，优化后轻量化了25%，轻量化效果明显。

5 小结

本文主要通过对电梯主要承重部件桥架的受力分析及其在极端状态下的工况分析，采用有限元分析的方法对电梯桥架的上横梁进行了轻量化优化，经过优化后的上横梁具有可靠的安全性能，满足电梯桥架的使用要求，同时其重量与优化前相比减少为原来的75%，有效的节约了材料，为电梯制造企业带来客观的经济利益，同时也为电梯使用单位节约了能源，该方案具有一定的科学性，可以为电梯制造单位结构优化提供一定的借鉴。

参考文献：

1. 高铭.2016 年电梯行业发展调查分析报告[J].中国电梯,2016,27:28-39.

2. GB7588-2003,电梯制造与安装安全规范[S].

3. 韩石磊.基于运动张量的柔性多体系统动力学建模方法和三维梁板壳理论[D].上海:上海交通大学.2015.