面向电梯对重架的数值模拟分析

赵海燕

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

面向电梯对重架的数值模拟分析

赵海燕

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

对重架作为电梯的重要部件，对电梯的正常运行起到举足轻重的作用。通过使用Creo建立电梯对重架的3D模型，然后使用ANSYS Workbench分析其应力与变形。对比其理论计算与CAE分析的结果，给出对重架反弹工况加速度的计算方法，并且对各种工况下的对重架进行了有限元分析。

对重架；工况；有限元

Abstract：Counterweight frame is a primary part of an elevator， which plays a critical role for its steady running. This paper is intended to creat three-dimension models of counterweight frame assembly with Creo software and conduct FEA analysis with ANSYS Workbench Software， which is verified by ASME17.1.Compared to hand calculations and CAD simulations， the same results are obtained with different methods. The finite element analysis of the counterweight frame under different working conditions is carried out.

Keywords：counterweight frame；working conditions；the finite element

近年来，电梯在使用过程中的安全事故时常发生，除使用不当等人为因素外，某些部件结构设计不合理也是造成事故的重要原因。对重架作为电梯的核心部件之一，虽然其结构简单，但对电梯的安全运行起着举足轻重的作用。本研究就对重架设计的理论计算及有限元分析进行了的探讨。

图1 电梯原理图

对重系统(后简称对重)包含对重架和对重块，是由曳引绳经曳引轮与轿厢相连接，在运行过程中起到平衡作用[1]。图1为常见的曳引比为1∶1和2∶1的电梯原理图。对重相对于轿厢悬挂在钢丝绳的另一侧，起到平衡轿厢的作用，并使轿厢与对重的重量通过钢丝绳作用于曳引轮，从而保证其有足够的驱动力。由于轿厢的载重是变化的，因此不可能做到两侧的重量始终相等并处于完全平衡状态。一般情况下，只有轿厢的载重达到50%的额定载重量时，对重侧和轿厢侧才处于完全平衡，这时的载重称为电梯的平衡点，此时由于钢丝绳两端的静荷重相等，使电梯处于最佳运行状态。

1 企业常用计算方法

通常在对重架的设计时，只要保证其有足够的强度和刚度即可[2]。图2为曳引比为2∶1某一型号电梯对重架简图，图3为使用Creo2软件所建模型[3]。

图2 对重架简图

图3 对重模型

实际生产中，企业在做对重架设计时，主要考虑对重架上、下梁和侧梁的强度，以及螺栓(及焊缝)强度，计算时将对重架上、下梁分别简化成简支梁。

1.1 对重架上梁、下梁计算与侧梁受力计算

对重架上、下梁简支梁模型如图4所示。

图4 对重上、下梁受力分析图

对上梁受力分析知，在静载时，对重处于井道最上时，即轿厢位于最低层站时，因有补偿额外施加的重力，对重所受力为最大。

缓冲器撞击时，对重架下梁受力最大，冲击加速度为2 g。对重架撞击缓冲器时，mc为零，因此，

根据对重架上、下梁截面，利用AutoCAD Mechanical 2015计算的对重架上梁、对重架下梁惯性矩截图，如图5所示。

图5 对重上梁、下梁截面矩

图6是利用AutoCAD Mechanical 2015工程计算工具所计算的施加约束力，支点反作用力下应力曲线和弯矩曲线。

图6 支点反作用力下应力曲线、弯矩曲线

应力等相关计算结果如图7所示。从计算结果可以看出，静载工况下，应力最大值是42.915 MPa，缓冲器撞击工况下，最大应力值为61.998 MPa，应力值均在允许范围内，结构安全。

对重架侧梁(单侧)截面如图8所示，面积最小处为775.4 mm2，其总面积A=2×775.4=1 550.8 mm2。则对重架侧梁拉应力

图7 对重架上梁、对重架下梁计算结果

图8 侧梁截面图

1.2 螺栓的强度计算

因对重架侧梁与对重架上、下梁之间采用螺栓连接，是通过螺栓预紧力所产生的摩擦力平衡外部载荷的。此时的螺栓受到的拉应力与拧紧螺栓的扭转切应力的共同作用，相当于受到复合应力的作用[5]。取螺栓的安全系数为6.5，同时螺栓为8.8级，则螺栓的许用拉应力为

GB5783 M16X45-8.8螺栓螺纹小径为13.835 mm，因此螺栓的强度完全满足要求。返绳轮组件的计算可以参考文献[6]。

2 有限元分析

近年来，有限元分析在工程设计和分析中得到越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。在对重架分析中，电梯分为静载、缓冲器撞击、紧急制停和对重反弹等几种工况，企业分析计算存在模型简化内容多，复杂工况难以计算问题，因此，采用有限元数值模拟分析。

2.1 紧急制停对重加速度计算

对于紧急制停工况，可以计算轿厢加速度[7]，因轿厢装载情况不同，计算结果相应不同。

式中：P为空载轿厢及其支撑的其他部件的质量之和，共1 515 kg；Q为额定载重量，1 000 kg；mr为轿厢侧单边钢丝绳重量，208.2 kg；f为滞留工况当量摩擦系数，0.371；α为包角，2.757 6 rad；αCAR为轿厢加速度，单位为m/s2。

根据GB7588-2003附录M—曳引力计算[8]，则efα=2.783。

满载时，Q为1 000；空载时，Q为0，将相应数值代入上述公式，计算结果如表1所示。

表1中所计算结果为轿厢的加速度，轿厢上行时加速度方向与重力加速度相反，轿厢下行加速度方向与重力加速度相同。对重侧加速度αCWT则与αCAR相反，所以对于对重系统，其最大加速度为

表1 紧急制停轿厢加速度计算m/s2

2.2 对重反弹加速度计算

当轿厢撞到缓冲器或轿厢安全钳制动时，对重会因惯性向上弹起后下落，直到速度为零，后因钢丝绳弹性继续向上反弹，此种工况计算往往被忽略。受力示意图如图9所示。

图9 受力示意图

式中：h为提升高度，单位为m；z为钢丝绳根数；ρ为钢丝绳线密度，单位为kg/m。

根据欧拉公式T2=T1efα，F=m总αCWT。

式中：F为对重所受合力，单位为N；m总为对重系统质量，单位为kg；

因钢丝绳是一个整体，对重有加速度产生，轿厢侧的钢丝绳因与对重连接，同样也会产生加速度。当对重滞留工况时(轿厢压在缓冲器上，曳引机向上旋转)有成立，可以认为，钢丝绳质量折算系数为efα。因曳引比为2∶1，轿厢侧钢丝绳质量为2mr，同时对重又是动滑轮结构，则有m总最小值为考虑到重力加速度叠加，则有

2.3 有限元计算结果分析

利用Creo与ANSYS Workbench之间的接口，将模型导入到ANSYS Workbench中，施加接触、位移、载荷等约束[10-11]。对重框架(对重架上、下梁、对重架侧梁)使用Q235A[12-13]，返绳轮应用ANSYS Workbench系统Gray Cast Iron材料，因对重块外层为Q235A材料，中间填充矿石材料，可以复制Structural Steel属性，修改其密度为4 829 kg/m3，其他属性不变，新材料命名为CWT Filler，对重块使用该材料。其他部件统一用ANSYS Workbench系统Structural Steel材料。

因紧急制停与对重反弹工况约束边界条件相同，仅是加速度大小不同，且对重反弹加速度小于14.96 m/s2，因此对重反弹工况就不分析了。 通过进行网格划分，对静载、缓冲器撞击和紧急制停三种常见工况约束及加载如图10所示，运行分析得到三种工况应力，应变分析如图11所示。

图10 三种常见工况约束及加载

由图11可以看出，静载工况时，应力最大值达95.6 MPa，主要原因是导靴连接孔处存在应力集中，其他区域基本在42.499 MPa以下，与理论计算结果42.9 MPa还是相符的；缓冲器撞击工况时，最大应力值为37.9 MPa，与理论计算结果61.998 MPa有出入，主要原因是理论计算是简化模型，比如下梁加强板在承受缓冲器撞击可以适当分散冲击力，企业目前所用计算方法受限，故优先考虑有限元分析；紧急制停工况时，最大应力值为146.2 MPa，同样有应力集中现象，且位置与静载工况相同。

图11 三种常见工况应力应变分析结果

ASME A17.1对于各工况有相关应力的要求，相关应力标准要求如表2所示。对于对重架上、下梁的变形，只要不大于跨距1/190[14]即可。依据理论计算及有限元分析，此款对重架设计安全可靠。

表2 许用应力表[15]

3 结论

本研究分析了对重的各种工况，并且进行了理论计算及有限元计算。结果表明，对重架总体强度完全满足要求，特别是螺栓、对重架上、下梁这两个部件。而对重架侧梁局部存在应力集中，对该部位进行加固可以解决此类问题。

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(责任编辑：李 华)

Numerical Simulation Analysis of Elevator Counterweight Frame

ZHAO Haiyan
(School of Mechano-electrical Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

TH123-3

A

1008-5475(2017)03-0038-05

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.03.008

2017-01-12；

2017-02-02

苏州市科技基础设施建设科技计划项目(SZS201009)

赵海燕(1978-)，女，河北沧州人，讲师，硕士，主要从事机械结构设计与分析研究。

赵海燕.面向电梯对重架的数值模拟分析[J].苏州市职业大学学报，2017，28(3)：38-42.