电梯安全钳机构的运动分析及优化设计

文/朱国乾，西继迅达（许昌）电梯有限公司

1 电梯安全钳运作原理

电梯的安全钳系统主要由限速器、安全钳、张紧轮及其他部件组成。电梯安全钳运作原理是在电梯应用的时候，如果出现了电梯意外事故，电梯会迅速下行。当电梯快速下行的时候，速度可能会超过限速器设定的速度，通过甩块（或者类似结构）的离心力作用，限速器在这个时候会因为快速运作卡紧相关的限速器结构（例如棘轮），从而导致电梯限速器停止运作。限速器在摩擦力的影响下向上提拉安全钳钳块动作，而电梯轿厢由于惯性持续下行。在电梯下行的时候，产生相对运动，导致安全钳钳块、导轨、轿厢之间间隙减小并且并紧卡死，从而避免电梯下坠引起安全事故。

2 电梯安全钳机构运动分析

2.1 安全钳关键部件静力学分析

2.1.1 U型簧的受力仿真

笔者应用SolidWorksSimulation插件进行了U型簧的受力仿真，这一仿真得到了该U型簧最大VonMises应力1118MPa、最大合位移3．61mm的结论，而这一数值就表明U型簧不满足型式试验要求，为此笔者将动滑块与导轨的摩擦系数变为0．34μ，而再一次进行U型簧的受力仿真最终得到的结果显示该U型簧满足了设计使用要求。

2.1.2 动滑块的受力仿真对于电梯安全钳部件来说，动滑块是其重要组成部分，而结合SolidWorksSimulation进行的动滑块的受力仿真，笔者得到了安全钳动滑块最大VonMises应力为144MPa、最大合位移1.81mm、最小安全系数的动滑块受力仿真结果，而结合本文进行的电梯安全钳设计，我们能够清楚得出动滑块满足设计使用要求的结论。

2.1.3 楔块的受力仿真而在对楔块的受力仿真中，通过SolidWor ksSimulation软件对其进行受力仿真，通过约束、摩擦力、均匀分布、正压力的施加，笔者得到了安全钳动滑块最大VonMises应力107MP a、最小安全系数2．04的结果，而这一结果就表明本文研究的电梯安全钳楔块的仿真结果符合要求。

2.2 安全钳的运动学仿真

在完成安全钳关键零部件的静力学分析后，我们还需要进行安全钳的运动学仿真，这一仿真需要应用软件SolidWorksMotion，而通过这一仿真就能够确定本文研究的电梯安全钳在2．5m/s的运行条件下能否满足设计使用要求，而结合SolidWorksMotion求得的安全钳运行中速度随时间变化、加速度随时间变化、位移随时间变化的数据，我们能够清楚发现电梯安全钳自由落体运动后的速度变化与实际情况相符合，而电梯安全钳制停减速度约为0．61倍重力加速度满足设计要求，电梯安全钳制停距离与设计相差较小也满足设计要求，由此可见本文研究的电梯安全钳具备较高的实用价值。

3 安全钳结构优化设计

3.1 电梯参数的选择

早在2015年底我国电梯保有量便已经到达426万台，这一世界第一的电梯数量也使得种类繁多、规格复杂已经成为了我国电梯行业的特点，而之所以选择设计额定速度2．5m/s、自重1600kg、额定载荷1250kg电梯的安全钳，主要是由于这一电梯参数在我国当下具备着最广泛的适用性所致。

3.2 安全钳的选择

我国当下的安全钳分为瞬时式和渐进式两类，考虑到本文选择的电梯参数，笔者最终选择了双楔块渐进式安全钳作为研究对象，而在这一双楔块渐进式安全钳结构设计中，该设计主要由钳架、型簧、固定楔块、导板、制动块、滚针排、动滑块等7部分组成。

3.3 安全钳的设计计算

为了更为深入完成本文研究，我们还需要展开安全钳的设计计算，这一计算主要围绕瞬时式安全钳的计算、制停减速度的计算、安全钳作用时的受力计算、导轨工作面所受压力计算等四方面展开。在瞬时式安全钳的计算中我们需要应用电梯能量转化公式2Q=(P+Q)×g×h×r，这一公式中的Q、g、h、r分别代表电梯安全钳吸收能量、标准重力加速度、轿厢减速到停止的距离、安全系数;而在制停减速度的计算中，笔者将制动距离设为640mm，限速器的速度为115%，而通过公式S=(v12-v02)/2a,笔者求得了688．8mm的制动距离结果;而在安全钳作用时的受力计算中，结合能量平衡法则，笔者求出了45．03kN的制动力结果;而在导轨工作面所受压力计算中，笔者得出了66．22kN的导轨每个工作侧面受到的压力结果。

3.4 安全钳楔块的设计

结合安全钳设计计算求出的各类数值，我们就可以开展安全钳楔块的设计，这一设计需要确定楔块角度、楔块高度，其中楔块角度的确定通过公式得出了12°楔块角度计算的结果，而考虑到安全性与舒适度，笔者最终确定了7°作为安全钳楔块角度;而在楔块角度的确定中，考虑到楔块角度为7°、提拉楔块的一侧与导轨的侧工作面之间为3mm、楔块材料为45钢，笔者最终确定了80mm的安全钳楔块高度。

3.5 滚针的选择

为了减小固定楔块与提拉楔块之间摩擦力，参照国家标准GB/T309－2000，笔者选择了平头滚针用于本文设计，这一平头滚针的表面粗糙度0.2μm、材料选择GCr15轴承钢、倒角最小值0.1mm、倒角最大值1mm、径向0.9mm。

3.6 钳座体的结构设计

结合上文研究，笔者确定了设计中的钳座体选择低合金钢16M n作为材料，角焊缝、双单边V形坡口焊接。结合公式τ=M/la(δ+a)≤［τ'］，笔者确定了该钳座体结构设计的焊缝能够满足相关标准要求。

4 结语

本文从电梯安全钳动作的原理上，详细论述了安全钳结构设计及计算、安全钳关键零部件的静力学分析、安全钳的运动学仿真等内容，希望这一研究能为相关业界人士带来一定启发。