基于Ansys Workbench返绳轮有限元分析*

赵海燕

(苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州 215104)

0 引言

之前笔者从某电梯企业接到协助请求，其电梯轿厢返绳轮供应商材料使用错误，要求用HT200的材质，可供应商没有存货，直接用HT100替代。因为存在着安全使用风险，客户要其拿出计算文件，证明使用HT100使用没有问题。笔者就此问题，使用Creo和Ansys软件，进行建模及有限元分析，来验证材料的变化对实际使用的影响。

1 背景介绍

曳引电梯结构原理简图如图1所示(此图曳引比为2 ∶1)。

图1 曳引电梯结构原理简图

曳引电梯原理:曳引机作为驱动机构，钢丝绳挂在曳引机的绳轮上，一端悬挂对重装置。曳引机转动时，由钢丝绳与绳轮之间的摩擦力产生曳引力来驱动电梯的上下运行。设计电梯时，通常考虑:轿厢装载工况、紧急制停工况和轿厢滞留工况［1］3种工况。

本文限于篇幅，不具体叙述曳引力计算过程，具体参见《GB7588－2003》之附录 M 曳引力计算［2－4］，具体结果见表1。

图2为轿厢返绳轮的二维图纸，其节径D=520 mm。电梯的额定速度V=1.75 m/s，则返绳轮的线速度 V1=3.5 m/s，其角速度 ω=V1/r=2×V1/D=13.5 rad/s。图3为轿厢返绳轮和曳引机受力简图，忽略钢丝绳与轿厢返绳轮的摩擦力，可得出:T1=Tb，Ta=Tb。

图2 轿厢返绳轮

根据《GB7588－2003》之附录 G 导轨验算［1］，紧急制停工况冲击系数为2，轿厢装载和滞留工况冲击系数为1.2。根据表2结果，轿厢装载和滞留工况下T1最大值为13 007 N(轿厢装载工况，轿厢位于顶层)，紧急制停工况下T1最大值为12 315 N(紧急制停工况，轿厢位于最底层，满载，向上加速)。将冲击系数纳入计算后，Tb的值相应为15 608 N和24 630 N。根据图2图纸绘制轿厢返绳轮三维图［5］，如图4所示，具体过程此处不赘述。

表1 曳引力计算

图3 轿厢返绳轮和曳引机受力简图

图4 轿厢返绳轮

2 有限元分析

2.1 材料定义

因Ansys Workbench中自带的材料库中没有HT100和HT200，新增材料属性如表2所列［6］。

表2 材料属性

2.2 约束和加载

在Ansys Workbench中导入轿厢返绳轮模型后，设置约束条件。对于轿厢装载和滞留工况，对轮圆孔施加Cylindrical Support，其中径向、轴向固定，切向自由。为简化计算，假设挤压压力在挤压面上是均匀分布的［7］，施加力为 15 068×2=31 216(N)，如图 5 所示。对于紧急制停工况，对轮圆孔约束同轿厢装载和滞留工况，同时还要加载角速度离心载荷，ω=13.5 rad/s，施加力为 24 630×2=49 260(N)。

图5 约束与加载(轿厢装载和滞留工况)

图6 约束与加载(紧急制停工况)

2.3 静力分析

轿厢装载工况分析:分别应用HT100和HT200两种材料进行有限元分析，求解轿厢返绳轮的Equivalent(Von－Mises)Stress(第四强度理论)和Maximum Principal Stress(第一强度理论)。图7、8分别为HT100、HT200 的 Equivalent(Von－Mises)Stress云图。图9、10分别为 HT100、HT200的 Maximum Principal Stress云图。

图7 HT100 Equivalent(Von－Mises)Stress

图8 HT200 Equivalent(Von－Mises)Stress

图 11、12分别为 HT100、HT200的 Equivalent(Von－Mises)Stress云图。图 13、14分别为 HT100、HT200的Maximum Principal Stress云图。

图9 HT100 Maximum Principal Stress

图10 HT200 Maximum Principal Stress

图11 HT100Equivalent(Von－Mises)Stress

图12 HT200 Equivalent(Von－Mises)Stress

图13 HT100 Maximum Principal Stress

图14 HT200 Maximum Principal Stress

紧急制停工况分析:分别应用HT100和HT200两种材料进行有限元分析，求解轿厢返绳轮的等效应力。

3 结语

针对脆性金属材料，更适用于第一强度理论。依据有限元的分析结果，其应力远小于许用应力。初步可以得出结论。使用HT100替代HT200，对产品的安全使用不存在问题。另外，铸铁的抗压强度远高于抗拉强度极限(约3～4倍)［7］，轿厢返绳轮主要是受压，由此更可证明结论是可靠的。后笔者得知，该客户使用另外一有限元软件，也得到相同的结论，从另一方面证实的材料替换对此产品的质量产生的影响可以不计。当然使用HT100比HT200经济效益要有优势，这也是这次材料替换事件的一个意外收获。

［1］ GB7588－2003.电梯制造与安装安全规范［S］.中国标准出版社，2006.

［2］ 周春明.曳引力计算公式中悬挂绳动态力计算的研究及修正建议［J］.中国电梯，2006(9):21－22.

［3］ 刘照东.GB 7588－2003中曳引力计算实例的学习体会［J］.中国电梯，2010(1):48－50.

［4］ 曾晓东.钢丝绳及滑轮系统动力学－GB7588－2003附录M的曳引力计算公式更正［J］.中国电梯，2007(19):45－52.

［5］ 钟日铭.Creo 2.0中文版完全自学手册［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［6］ 高耀东.Ansys Workbench机械工程应用精华30例［M］.北京:电子工业出版社，2013.

［7］ 陈位宫.工程力学［M］.北京:高等教育出版社，2000.