撞擊對電梯層門結構的破壞失效研究＊

徐畀澤 張雍 呂信策

（臺州市特種設備檢驗檢測研究院，浙江臺州 317700）

0 引言

隨著近年來土地資源日益緊張，住宅和工廠廠房也向著多層化、高層化發展，居住和工業生產領域對電梯的需求正在不斷增多［1-3］。土地資源緊張和電梯高頻運行的情況下，一旦使用人員的安全意識薄弱，就會造成安全事故的發生［4-6］。近些年的電梯事故案例表明，電梯發生傷亡事故有不少是使用人員操作不當，同時電梯層門可靠性失效，導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區域的重要裝置，是保障電梯使用安全的關鍵所在。

電梯層門被撞擊損壞導致人員傷亡的事故案例和越來越嚴峻的使用環境說明，隨著電梯使用狀況的不斷變化，目前的電梯層門相關要求有著一定的改進空間。對于電梯層門國內外大多研究都是針對門機系統的改進，而對于層門結構本身的研究并不多［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程，通過其特定材質不同厚度的仿真分析，分析特定材質下的門板的應力與變形影響情況，給出了層門結構加強的一些建議。駱凱等［12］基于《電梯制造與安裝規范》中對于層門的相關規定，進行了關于電梯層門強度的討論，對電梯層門的安全指標給出了一些建議。吳愛軍等［13］根據《電梯監督檢驗和定期檢驗規則-曳引與強制驅動電梯》設計出了一種電梯門機械強度檢測裝置的硬件和軟件，能快速檢測電梯層門的機械強度。李樺［14］針對電梯層門受外力沖擊失效導致的事故，分析了相關標準要求，并結合實際工作經驗，從中找出層門設計改進的方法。

但總的來說，國內外學者對于撞擊對層門連接結構的破壞失效機制研究較少，缺少規范化的判定依據，理論與實驗成果不多。因此，研究重物撞擊下電梯層門的破壞失效機制，結合實際制定破壞失效臨界點的關鍵性安全指標，可以指導制定科學的電梯層門安全的相關技術標準，具有重要的科學理論和工程指導意義。本文基于理論力學給出層門滑塊最大應力的計算模型，結合LS-DYNA 進行數值模擬，研究不同滑塊嵌入深度對層門抗撞擊能力的影響。

1 撞擊對電梯層門結構的破壞失效機制分析

電梯門從安裝位置來分可以分為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構形式可分為中分門、旁開門、垂直滑動門、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、導軌架、滑輪、滑塊，門框、地坎等部件組成。門通過滑輪與導軌相聯，門的下部裝有滑塊，插入地坎的滑槽中；門的下部導向用的地坎由鋼材、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，門體本身往往不會有比較大的變形，或者變形不足以產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，導致門體下部失去固定而自由活動。電梯層門上端通過掛輪在導軌上運行，下端連接滑塊，滑塊在地坎滑槽中運行，如果滑塊因為外力發生變形脫出，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，門體本身會產生一定的變形，而層門滑塊與地坎接觸的位置更是產生了彎曲并且脫落，見圖1。

圖1 撞擊后的電梯層門示意

簡化層門結構，層門受到撞擊受力和電梯層門整體結構示意如圖2—圖3 所示。分析忽略層門質量對撞擊的影響，將層門和滑塊看做一體，簡化為一根梁。層門受到撞擊時，會以層門滑塊和地坎的接觸位置作為支點，發生彎折。

圖2 撞擊層門受力示意

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

由此，可以得到層門滑塊的拉應力為：

聯立式（1）和式（2），可以得到：

式中，S為滑塊截面積，m2。

因此可以推出，想要增強層門的抗沖擊能力，減小滑塊的拉應力，防止滑塊的變形脫落，可以通過以下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力減小，達不到材料的屈服極限，也就無法產生塑性形變。

（3）增加滑塊到支點的距離l2，同樣可以使得滑塊的最大應力減小，達不到材料的屈服極限，也就無法產生塑性形變。

2 重物撞擊下層門結構失效的計算和模擬

目前臺州地區的工廠中使用較多的的載貨電梯噸位為3 t，這個噸位能滿足大部分企業的運輸要求，價格也比較適中。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行分析，電梯層門尺寸為1 800 mm×2 800 mm。螺栓型號為M24×70 ，直徑為24 mm，螺桿長度為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。

根據上文理論推導得到的增強層門結構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計，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的距離，也就是增加滑塊嵌入的深度最簡單也不需要太多成本。

撞擊對電梯層門結構的破壞方式除了短時間大沖量的瞬時破壞，還有小沖量長時間的累積破壞?？赡茉诓粩嗟淖矒糁薪Y構內部產生細小的損傷，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，撞擊對層門結構的瞬時破壞，分別設置10 mm、20 mm 和30 mm 的滑塊嵌入地坎深度，基于理論分析、物理實驗和數值模擬，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 鋼作為一種性能優秀的低合金結構鋼，在滿足相同力學性能的同時，對比普通碳素鋼可以節約大約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、物理實驗和數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堆垛叉車額定載荷為2 t，自重在450 kg左右，廠區內行駛速度在10 ～12 km/h。因此綜合考慮，設置總重量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構如圖4所示。

圖4 層門以及滑塊地坎布置結構

3 實驗結果與分析

3.1 滑塊深度對層門抗沖擊能力的影響

設置重量為2.5 t 的小車，以3 m/s 的速度直接撞擊電梯層門，撞擊點到支點的距離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，作為理論計算依據。代入式（3），得到3 種嵌入深度下滑塊的最大應力，結果列入表1。數值模擬的尺寸參數和能量法相同，網格單元全部按照2 mm 進行劃分，結合LS-DYNA 進行數值模擬，計算250 ms 得到不同厚度風門中心點的位移時間歷程曲線，如圖5 所示；對應的應力云圖和位移云圖，如圖6—圖8 所示。將對應的最大應力也列入表1，與理論計算結果進行對比。同時考慮相同設置參數下的物理實驗的滑塊變形情況，如圖9 所示，將變形量與數值模擬結果進行比較分析。

表1 不同嵌入深度下滑塊最大應力

圖5 不同嵌入深度下滑塊最大應力點的位移時間歷程曲線

圖6 10 mm 嵌入深度下層門的應力云圖

3.2 結果分析

從圖6 中可以看到，數值模擬中10 mm 嵌入深度的層門的最大應力為500.3 MPa，且應力集中位置在滑塊和地坎接觸的位置上，同時最大應力也超過了Q460 鋼的屈服極限460 MPa，鋼板進入了塑性變形狀態，滑塊破壞失效；而20 mm和30 mm嵌入深度的滑塊最大應力則分別為444.9 MPa 和404.6 MPa，小于Q460 鋼的屈服極限，滿足強度要求。根據圖5顯示，10 mm 嵌入深度滑塊最大應力點對應的最大撓度超過了13 mm，由于進入了塑性變形狀態，滑塊變形后無法復原。而圖9 的物理實驗結果滑塊在水平方向的變形為11.52 mm，這是由于物理實驗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，而數值模擬中為簡化計算未考慮，2 種方法的誤差為11.4%，且實際值小于數值模擬值，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力點對應的最大撓度為12 mm和10 mm，也沒有進入屈服狀態，變形后可以復原。為了防止運行過程中門扇晃動，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變形超過了10 mm，有可能會導致滑塊脫出地坎軌道。因此結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置為30 mm 較為合適。

圖7 20 mm 嵌入深度下層門的應力云圖

圖8 30 mm 嵌入深度下層門的應力云圖

圖9 撞擊下10 mm 嵌入深度滑塊的破壞情況

對表1 和圖9 進行分析，能量法和數值模擬的誤差在4%～11%之間，且應力越小誤差也越小。這是因為模擬時，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。而理論計算時，為了簡化分析導致部件之間的摩擦和碰撞都沒有考慮在內，所以計算的最大應力也就更大，同時10 mm滑塊嵌入深度下的數值模擬的滑塊變形量與物理實驗的結果基本一致。因此，通過數值模擬的方法來研究層門滑塊嵌入深度的問題是可行的。

4 結論

基于理論推導得到了3 t 貨梯的層門在設置不同的滑塊地坎嵌入深度下受到撞擊時的最大應力。利用數值模擬手段，研究分析了3 種不同滑塊嵌入深度的層門結構在重物撞擊作用下的動力學特征。研究得到：

（1）數值模擬得到的滑塊最大應力值和理論計算較為接近，在4%～11%之間，且最大應力越小誤差也越小。應力集中區域在滑塊與地坎接觸位置附近，數值模擬中滑塊產生的變形量與物理實驗的現場情況誤差為11.4%，且實際值小于數值模擬值，從安全余量的角度考慮是可以接受的，對于利用數值模擬來研究設置不同尺寸的電梯層門滑塊嵌入深度的問題來說是可行的。

（2）Q460 鋼的屈服極限為460 MPa，10 mm 嵌入深度滑塊的最大應力超過了460 MPa，無法達到性能要求；20 mm 和30 mm 嵌入深度滑塊的最大應力都小于460 MPa，但大于10 mm 的形變量可能會導致滑塊脫出地坎軌道。因此結合實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計應盡量大于30 mm。

（3）撞擊對電梯層門結構的破壞方式除了短時間大沖量的瞬時破壞，還有小沖量長時間的累積破壞。在未來需要同時考慮這些可能，結合物理實驗驗證，進一步深入研究。