曳引式電梯自動控制保護裝置的結構設計及有限元分析

付立新，呂云飛，韓彥龍，王繼偉

(承德石油高等?？茖W校 a.安全工作處；b.機械工程系,河北 承德 067000)

近年來電梯產業飛速發展,電梯應用不斷增多，由于電梯故障導致的安全事故不斷發生。給人民生命財產安全帶來極大損害，所以對電梯的安全性能要求不斷提高。曳引式電梯在垂直升降過程中，長期運行使鋼絲繩磨損，在檢修維護不仔細的情況下，鋼絲繩在受力過程中產生斷裂，造成轎箱墜落以及人員傷亡的事故。本文提出一種設計理念巧妙、起到預警保護功能、結構簡單，加工制造成本低，能夠批量生產，現場調整安裝方便、可靠性好等優點的曳引式電梯自動控制保護裝置。

1 結構設計

曳引式電梯自動控制保護裝置包括繩頭板、安全開關、支架構件、轉動軸、動作板等，如圖1所示。安全開關通過支架構件安裝到電梯繩頭板上，動作板通過轉動軸可轉動的安裝到支架構件上。安全開關與支架板的相對位置可調，動作板包括有與繩頭對應配合機構。當電梯鋼絲繩發生斷開或鋼絲繩異常伸長，繩頭在自身彈簧的作用下向上做巨量反彈，當彈簧推動動作板轉動時，會觸發安全開關動作的開關觸發部，曳引式電梯自動控制保護裝置開啟安全保護功能。當電梯鋼絲繩正常時,開關觸發部與安全開關保持正常工作距離，電梯正常工作。

當電梯鋼絲繩發生斷開或鋼絲繩異常伸長導致的松動等危險狀況時，能阻止電梯在這類狀況下運行；并且，該裝置能夠檢測到任意一根曳引繩的斷裂或者松動，從而提醒操作人員對曳引繩進行及時檢修，防患未然，起到預警保護功能。另外，安全開關與支架板的相對位置可調，設計理念巧妙、結構簡單，加工制造成本低,能夠批量生產，現場調整安裝方便、可靠性好。

2 繩頭板靜力學分析

2.1 參數設置

繩頭板材料為45號鋼，彈性模量取2.07×1011Pa，泊松比 0.3，材料密度7 800 kg/m3。電梯載重為1 050 kg，電梯由5根鋼絲繩均勻承重，每根鋼絲繩承重F=1 050×10÷0.55×12÷2÷5=22 909 N，工字鋼做為繩頭板的支撐部分，其底面設置全約束。選用SOLID45單元對繩頭板實體模型進行網格劃分，得到繩頭板有限元模型如圖2所示。

2.2 結果分析

1)應力分布

求解繩頭板有限元模型得繩頭板應力分布如圖3所示，繩頭板各部分最大應力值為0.164×109Pa,查閱機械設計手冊可知，45號鋼屈服極限為355 MPa,繩頭板強度滿足要求。

2)變形圖

求解繩頭板有限元模型得到繩頭板變形圖如圖4所示，繩頭板各部分變形最大值為0.001 12 m，查閱電梯相關行業標準可知，繩頭板剛度滿足要求。

3 繩頭板模態分析

Block Lanczos法提取繩頭板前6階固有頻率和振型圖，繩頭板前6階振動固有頻率如表1所示。

電梯工作時，電梯升降速度為1.6 m/s，樓房層高為2.8 m，電梯運行周期為1.75 s，電梯繩頭板所受到的電梯運行啟停激勵頻率分別為：0.571 Hz、1.143 Hz、1.714 Hz、2.286 Hz、2.856 Hz、3.429 Hz、4 Hz…，各激勵頻率有效的避開了繩頭板各階固有頻率，故電梯運行啟停時，繩頭板不會產生較大振動。繩頭板前6階振型圖如圖5所示，各階振型圖顯示繩頭板邊緣和螺紋孔中間部位為變形較大區域，故繩頭板邊緣部分需要增加光滑圓角過度，避免較大變形造成應力集中破壞；需對螺紋孔區域進行淬火處理，保證表面硬度較高，且內部韌性較好。

表1 繩頭板前6階振動固有頻率

4 總結

綜上所述，本文的曳引式電梯自動控制保護裝置能夠有效提高電梯的安全性能；不僅靜力學強度滿足使用要求，而且有效避免共振，減少振動和噪音。因為該裝置具有設計理念巧妙、結構簡單，加工制造成本低，能夠批量生產，現場調整安裝方便、可靠性好等優點，所以有非常大的推廣應用價值。