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浅析提拉杆结构设计及有限元

2019/08/30 阅读:

【摘要】针对钢带和钢丝绳两种类型电梯产品,分别设计不同结构的提拉杆,对此机构进行有限元分析。根据拉力实验机的结构,设计一套提拉杆实验工装夹具,在实验室对提拉杆进行理论分析的强度验证,有效解决电梯上提拉杆在工作时因失效对电梯安全性带来的影响。

【关键词】提拉杆;有限元分析;强度验证;电梯

随着土地价格的飙升,楼宇的建筑高度也越来越高,从而使得电梯成为一种必备的特种工具。目前,市场上有钢带和钢丝绳两种类型电梯。钢带产品的优势是:(1)钢带与主机的接触面积比钢丝绳大的多,效率提高了百分之五十以上,并且后续不需经常维保,寿命也比钢丝绳高2倍之多;(2)钢带的柔韧度使得电梯运行更平稳;(3)钢带的质量更轻一些,安装也相对比较方便。劣势是:(1)钢带在运行过程中,可能在水平方向上发生偏离,使得电梯有振动和断丝的情况发生;(2)对钢带的表面要求非常高,如果表面不清洁电梯可能产生振动和噪音,寿命也会急剧下降;(3)当钢带断裂时,我们很难用肉眼观察到,只能借助检测装置,但是检测装置有时会发生误动作;(4)成本高,在高速时不适合使用;(5)历史短,有不确定性。钢丝绳的优势是:(1)圆形结构,导向强,不易磨损;(2)已有百年历史,技术成熟;(3)钢丝绳断裂用肉眼易观察,可以及时更换;(4)在电梯高速运行过程中,更平稳和舒适;(5)曳引机成本低。本文基于这两种产品各有优势,设计了两套不同的提拉杆机构。为保证其安全性,在机构设计完成后,针对提拉杆在不同工况下的工作,对其强度进行有限元的分析。根据拉力机的结构,设计了一套工装,在实验室对理论分析的强度进行验证。从而有效解决了提拉杆在工作时失效对电梯安全性带来的影响。

1钢丝绳产品的提拉杆机构

1.1钢丝绳产品的提拉杆结构

提拉杆安装在上梁之中如图1深色部分所示,此结构属于上提拉。作用是连接限速器和安全钳。在轿厢(安全钳、安全钳杠杆、限速器钢丝绳、限速器轮)运行速度≥115%额定速度时,限速器带动提拉杆工作,由刹绳块压迫限速器钢丝绳,使其停止运转,并带动安全钳杠杆,使安全钳动作[1]。

1.2计算机仿真提拉杆的应力

将Creo2.0建立的提拉杆模型导入有限元workbench中,然后对其进行网格划分,建立有限元模型,提拉杆的单元类型SOLID186。划分完的网格如图2所示。按照国家安全标准要求转轴1的材料为20GB699-88,抗拉强度为410MPA,屈服强度为245MPA。支架2的材料为Q235AGB700-88,抗拉强度为375MPA,屈服强度为235MPA。杆3和杆5、杆6的材料都为ZG270-500GB11352-85,抗拉强度为500MPA,屈服强度为270MPA。这些材料的弹性模量都为E=210000MPa,泊松比都为n=0.3,密度都为r=7800kg/m3。作用在提拉杆上的载荷有自重、限速器的提拉力、安全钳的拉力等。在分析过程中,若考虑到冲击作用影响,均按照动载荷增加一个重力加速度进行分析计算[2]。提拉杆在工作时的有限元分析结果如图3所示。

1.2.1转轴1结果分析转轴1的强度接受标准为410MPA,根据工况,可得最大应力值为189MPA,安全系数为FOS=410/189=2.2,强度满足要求。

1.2.2支架2结果分析支架2的强度接受标准为375MPA,根据工况,可得最大应力值为259.82MPA,安全系数FOS=375/259.82=1.4,强度满足要求。

1.2.3杆3结果分析杆3的强度接受标准为500MPA,根据工况,可得最大应力值为151.44MPA,安全系数FOS=500/151.44=3.3,强度满足要求。

1.2.4连接杆4结果分析连接杆4的强度接受标准为500MPA,根据工况,可得最大应力值为60.215MPA,安全系数FOS=500/60.215=8.3,强度满足要求。

1.2.5摆动杆5结果分析摆动杆5强度的接受标准为500MPA,根据工况,可得最大应力值为227.04MPA,安全系数FOS=500/227=2.2,强度满足要求。通过有限元workbench分析得知,设计完的钢丝绳产品的提拉杆结构构强度满足要求。

2钢带产品的提拉杆机构

2.1钢带产品的提拉杆结构

提拉杆与轿架的槽钢安装在一块。如图4所示。属于下提拉的一种结构。其作用和工作原理与钢丝绳产品的提拉杆结构一样,这里不再进行叙述。

2.2计算机仿真提拉杆的应力

同样将Creo2.0建立的提拉杆模型导入有限元workbench中,然后对其进行网格划分,建立有限元模型,提拉杆的单元类型SOLID45。划分完的网格如图5所示。按照国家安全标准要求杆1和拉杆3的材料为Q345AGB709-88,抗拉强度为470MPA,屈服强度为345MPA。套筒2和转轴4的材料为Q255,抗拉强度为335MPA,屈服强度为255MPA。这些材料的弹性模量都为E=210000MPa,泊松比都为n=0.3,密度都为r=7800kg/m3。作用在提拉杆上的载荷有自重、限速器的提拉力、安全钳的拉力等[3]。在分析过程中,若考虑到冲击作用影响,均按照动载荷增加一个重力加速度进行分析计算。提拉杆在工作时的有限元分析结果如图6所示。

2.2.1转轴结果分析转轴1的强度接受标准为335MPA,从图7可得最大应力值为143MPA,安全系数为FOS=335/143=2.3,强度满足要求。

2.2.2套筒结果分析套筒的强度接受标准为355MPA,从图8可得最大应力值为199MPA,安全系数为FOS=355/199=1.8,强度满足要求。有时在计算机仿真模型中,由于通过三维软件建立模型时,总会有锐边角接触的情况出现,所以有限元在计算的时候,会出现应力集中,使得计算结果偏大或者超出了我们所需的标准值,但是根据理论知识和实践经验得知,出现这样对的计算结果我们是可以接受的[4]。通过有限元workbench分析得知,设计完的钢丝绳产品的提拉杆结构强度满足要求。

3利用实验室对有限元分析提拉杆结构强度进行等效验证

根据有限元计算分析出来的结果,我们在实验室对模型进行进一步的验证。由于钢带和钢丝绳两种结构的实验方法类似,本文仅以钢带产品的提拉杆为例进行实验分析。提拉杆的结构较为复杂,如果按照1比1的比例模型放到拉力机上则无法完成安装和测试,设备如图9所示。为了更好更有效的完成实验测试,本文根据此设备的接口,设计了一套工装夹具。由此工装模拟钢带产品的提拉杠杆机构。如图10所示。将支架1通过紧固螺钉安装设备平台上。在给提拉杆动态提拉力之前,首先使用游标卡尺测量杆4的长×宽×高的尺寸为269.1mm×30.25mm×5.09mm,杆5的长×宽×高的尺寸为270mm×30.25mm×5.06mm。如图11所示。在转轴8上任意标记一点,并记录其初始位置为27.26mm。如图12所示。

3.1约束限速器连杆

用螺栓限制住提拉杆。将拉力机与杆4连接。在拉力机设备上设置参数,将限速器动态提拉力设置到3562N,循环62次,如图13所示。循环62次之后,记录下杆4的长×宽×高的尺寸为269.1mm×30.23mm×5.08mm。杆5的长×宽×高的尺寸为269.9mm×30.23mm×5.06mm。转轴8的初始记录位置为27.24mm。经过与测试之前的测量尺寸相比,没有发生永久变形,将应变值转化为应力值,满足强度要求。

3.2限速器连杆完全自由

使提拉杆连接限速器的一端完全自由。将拉力机与杆4连接。同样在拉力机设备上设置参数,将限速器动态提拉力设置到3562N,循环62次,如图14。实验之后,测量杆4、杆5和转轴8两端与初始位置的变形量,同样没有永久变形发生。通过以上实验室分析、计算机仿真分析我们可以总结出此次设计的提拉杆结构强度性能完全可以满足我们电梯产品的需要。

4结语

电梯产品作为一种特种设备,在产品的设计阶段,设计人员会遇到多方面的因素影响,特别是设计结构强度校核和成本控制。设计工程师应本着从实际出发,保证质量、安装和交货工期的前提下,使得成本最低。对于电梯部件的设计安全性也是设计的重要课题。尽量保证各个部件配合起来的整个电梯系统能够运行平稳、安全,给客户带来更好的乘梯体验。为电梯产品赢得更大的市场占有率,进而获得乘客的不断好评。

参考文献

[1]徐青,史熙.高速电梯安全钳制动实验分析[J].机械设计与研究,2017(10).

[2]全国电梯标准技术委员会.GB7588-2003,电梯制造与安全规范[S].北京:中国标准出版社,2003.

[3]美国国家标准学会(US-ANSI).ASMEA17.1-2010/CSAB44-10,电梯和自动扶梯的安全性法规[S].北京:中国质检出版社,2010.

[4]宫晓凯.浅谈用补偿绳装置的对重框架设计[J].轻工科技,2018(6).

作者:宫晓凯 单位:天津机电职业技术学院机械学院

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