电梯轿顶护栏强度特性研究

陈栋栋，洪 睿，罗英俊，杨凯杰

(1.浙江省特种设备科学研究院，浙江 杭州 310020)

(2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，浙江 杭州 310020)

电梯制造单位对电梯轿厢顶部安全护栏结构的设计大体相同。轿顶护栏主要由立栏、横栏、侧栏等组成，其中横栏处于护栏的中间位置。当电梯井道壁面距轿顶外缘水平距离大于0.30 m时，轿顶应装设护栏，在设计护栏时应保留足够的轿顶作业空间[1]。

当前，一些电梯轿厢顶部护栏设计仅为了满足标准中护栏存在的要求，设计时偷工减料，忽视了护栏本身的安全质量，致使这些护栏的强度性能不够，给作业人员带来较大的安全隐患。美国ASME17.1标准和欧洲EN81-20：2014标准对护栏强度提出了明确的要求，其中欧洲EN81-20：2014规定：在护栏顶部的任意点垂直施加1 000 N的水平静力，护栏应无大于50 mm的弹性变形[2-3]。

文献调研发现，大多学者从检验检测角度提出了护栏设计尺寸上的要求，对一些常见的护栏隐患案例进行详细分析，强调通过合理的护栏尺寸设计，规避可能的安全风险[4-6]。另外，部分学者针对现场护栏实际设置情况，提出了提高护栏强度性能的要求，使其真正符合安全实际使用需求[7-9]。到目前为止，鲜有针对具体的某一种轿厢顶部护栏进行深入的强度性能分析的文献。

本文依据EN81-20：2014标准[2]规定，针对典型的电梯轿顶护栏结构，通过对护栏等边角钢的选型、护栏尺寸设计及部件布置方案进行护栏强度的对比研究，以为工程人员进行轿顶护栏设计提供参考。

1 有限元分析与初步设计方案

本文以某品牌额定载质量为1 350 kg的电梯轿顶护栏结构为研究对象，护栏结构如图1所示。图中，护栏龙门顶梁为轿厢组成部分，其材料主要为槽钢，与轿厢龙门架固定连接，有限元分析时进行固定Fixed Support设置。护栏结构部件与龙门顶梁的模型网格Body尺寸设置为5 mm，其模型节点数为3万，材料选取常规的Q235结构钢，采用薄壁壳单元进行分析，添加实常数厚度，模型前处理时需调整模型构件间的间隙，防止网格模型单元贯穿所导致的位移解失真。由于护栏角钢连接为焊接或者螺栓固定，因此角钢接触连接选取Bonded绑定的接触模式进行分析轿顶护栏一般由同规格的等边角钢长梁所组成，其固定在龙门顶梁槽钢上。根据GB/T 706—2016[10]要求，选取常用规格角钢进行护栏的初步设计，轿顶护栏初步设计方案与角钢等截面参数见表1。

图1 典型的轿顶护栏结构

表1 轿顶护栏初步设计方案与角钢等截面参数

依据EN81-20：2014标准进行护栏强度性能分析，经过多次结构特征点有限元计算分析，结果表明：轿顶护栏在横梁最顶部的中间节点处，受1 000 N水平静力时，护栏整体弹性变形最大。因此，根据表1的初步设计方案，本文选取横栏顶部中间节点为受力作用点，进行护栏的强度性能研究。

2 位移分析与讨论

由表1可知，初步设计方案主要是对同一个护栏采用不同截面尺寸的角钢进行设计，然后对不同截面尺寸角钢护栏的强度进行对比研究。由于护栏模型整体对称分布，选取顶部上横栏的一半进行弹性位移分析(取上横栏顶部中间节点横坐标为0 mm，则端部为950 mm)，不同设计方案的上横栏顶部弹性位移如图2所示。

图2 上横栏顶部弹性位移

由图2可知，由于采用了不同规格的角钢，上横栏产生的弹性位移也不相同，护栏顶部的弹性位移与护栏等边角钢的总质量正相关。方案1与方案2角钢规格小，护栏整体材料成本较低，尽管设计符合GB 7588—2003标准，但是依据EN81-20：2014标准，其护栏最大弹性位移已超过了标准规定的50 mm，强度性能不符合要求，需要重新进行护栏结构设计。下文将对表1中方案1与方案2进行重新设计并进行强度分析。

3 护栏设计与结果分析

当顶部横栏受到1 000 N水平推力时，由材料力学可知，护栏两边的立栏角钢顶部区域单侧面分别受到500 N的作用力，作用力完全作用在立栏与横栏的接触面上，致使在方案1,2下其横栏与立栏分别承受大的弹性变形与应力。

方案1下，立栏顶部Von Mises应力分布如图3所示。由有限元分析可知：立栏顶部区域与横栏端部区域Bonded接触，该横栏最下方边缘接触处应力最大；对于立栏角钢两侧面而言，其一侧面承受横栏的横向推力，另一侧面承受侧栏的拉力，该立栏角钢已发生塑性变形。保持方案1与方案2的横栏和侧栏角钢截面规格不变，增加连接上下横栏的筋板，减少横栏长度和提高立栏角钢规格，对轿顶护栏结构进行重新设计(筋板的结构尺寸与立栏一致，只是安装位置不同)。设计方案及立栏与筋板截面参数见表2。

图3 立栏顶部Von Mises应力分布

表2 改进设计方案及立栏与筋板截面参数

通过有限元法分析得到横栏顶部中间节点最大弹性位移，针对方案1,2分别改进的方案顶部横栏最大位移见表3。

表3 改进方案顶部横栏最大弹性位移 单位：mm

3.1 筋板设计分析

在表2中，方案A和方案B的护栏筋板分别布置在横栏中间位置和距横栏端点的两个1/4位置；护栏与立栏尺寸规格一致。比较图2和表3可知，筋板加强了护栏的刚度，使得方案2(A)的最大弹性位移为48.32 mm，符合EN81-20：2014的设计要求。方案2(B)较方案2(A)增加了1个筋板，其弹性位移由48.32 mm变为45.38 mm，仅减少了6.1%，筋板个数的增加，并没有显著改善护栏水平面横向抗弯刚度，这是因为其水平受力方向与筋板轴向垂直，导致筋板提高护栏横向抗弯刚度的能力有限。

筋板连接上、下两横栏，有效提高了护栏轴向抗弯刚度。将护栏模型的受力方向改为垂直向下，力大小不变，分析得到方案1(A)下的弹性位移为35.47 mm，而不加筋板的方案1下为58.08 mm，可见方案1(A)较方案1的位移减少了38.8%，显著改善纵向强度特性。这是因为筋板结构方向与其受力方向一致，可有效连接上、下横栏，提高其纵向抗弯刚度。

从实际考虑，人体在发生意外倾斜时，护栏承受横向与纵向的冲击动载荷，从安全角度考虑，应该要提高纵向刚度。美国ASME 17标准对护栏纵向强度特性给出了明确的规定[3]。

3.2 横栏设计分析

依据EN81-20：2014和GB 7588—2003标准，侧栏外侧与轿厢外壁间的水平距离最大不得超过0.15 m，因此横栏可以进一步缩短，表2的改进设计方案C和设计方案D将横栏长度分别缩短为1 800 mm和1 700 mm。由表3可知，方案1(D)与方案2(D)的最大弹性位移分别为47.20 mm和40.21 mm，均满足标准要求。其中，方案1(D)较方案1(C)横栏的长度减少了5.6%，其横栏弹性变形由69.79 mm变为47.20 mm，减少了32.3%，可见，横栏长度的缩短显著提高了其横向抗弯刚度。

由材料力学可知，横栏可简化为单根梁，在等截面属性下，长度决定了梁的挠度。对于轿顶护栏，缩短横栏长度既可以减少成本，又可保证符合EN81-20：2014标准的要求，从而保证护栏安全。当然，提高横栏的刚度还可通过提高角钢截面规格来增加截面抗弯矩刚度。

在符合标准间距0.15 m的要求下，尽可能设计较短的横栏，可满足标准护栏强度性能要求。

3.3 立栏设计分析

由表3的E、F方案顶部横栏最大弹性位移仿真结果可知，立栏和筋板截面规格的提高，对横栏弹性位移的减少没有显著影响。由图1可知，立栏一侧面承受着横栏的水平推力，为受压面，另一侧面承受侧栏的拉力，为受拉面，导致立栏角钢截面的转角处非常容易发生应力集中，致使立栏发生塑性变形。方案2与方案2(F)下的立栏局部应力分布如图4所示，应力集中区域在横栏端部与立栏接触处，立栏角钢规格增加后，方案2(F)下的最大应力为403.6 MPa，较方案2下的514.9 MPa降低了近22%。

图4 立栏局部应力分布

分析表明，提高立栏角钢规格并不能提高其横向抗弯刚度，但可以降低局部的应力值，从而延长护栏的使用寿命。

4 设计实例分析

对额定载质量为1 000 kg的曳引驱动乘客电梯的轿顶护栏进行设计，假设其轿厢宽为1 600 mm，深为1 500 mm。采用如图1所示护栏结构型式。由以上分析可知，横栏跨度小，护栏的最大弹性位移减小显著，结合EN81-20：2014规定的轿顶安全作业空间，设计轿顶护栏L×B为1 500 mm×1 450 mm。考虑护栏使用寿命，立栏的角钢截面规格为等边45角钢(l=45 mm)，而侧栏和横栏均采用25角钢(l=25 mm)。护栏所有角钢截面厚度统一为t=3 mm。考虑到筋板对增加护栏横向刚度的作用不明显，从成本考虑，不设置筋板。

对设计的护栏进行有限元分析，得到护栏位移分布和立栏局部应力分布分别如图5和图6所示。由图5可见，横栏的最大弹性位移为8.46 mm，仅为表3中方案1(D)下弹性位移的17.9%。显然，横栏设计得越短，护栏整体刚度越高，且影响显著，因此在满足轿顶操作空间的需求下，应尽可能地缩短横栏的长度。由图6可知，立栏的最大应力区域在横栏端部与立栏交汇处，应力为199.4 MPa，相较于表3中方案2(F)，其最大应力降低近一半。

图5 护栏位移分布

图6 立栏局部应力分布

5 结论

1)基于有限元法对不同角钢规格的电梯轿厢顶部护栏进行了对比研究，结果显示，护栏顶部弹性位移与护栏角钢总质量成正相关关系，护栏角钢规格越高，护栏整体质量越大，其位移变形越小。

2)立栏一边承受着横栏推力，另一边承受着侧栏拉力，易发生塑性变形，缩短护栏使用寿命。

3)增加护栏筋板不能提高护栏横向抗弯刚度，可有效提高纵向抗弯刚度。

4)横栏在满足轿顶作业人员操作空间的前提下，长度应尽可能地短；提高立栏角钢规格，可以降低其顶部区域的应力，从而延长护栏使用寿命。