基于SolidWorks Simulation别墅梯井架分析研究

赵海燕

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000)

0 引 言

随着经济水平的大幅提升及城市化的进展，国内家用别墅电梯迎来了大发展，全国的无齿轮别墅电梯市场从几千台增长到近数十万台。别墅类房地产业发展迅速，预计未来十年，我国的别墅电梯市场仍将保持每年20%的递增速度。

对别墅电梯来说，不仅要求产品质量要过硬，对美学的要求也是越来越高。因受别墅建筑空间的限制，大多数都没有预留独立的井道，需要后期额外配置。电梯生产厂商一般是推荐框架井道，主要目的是安装方便，对客户土建方面要求较低。框架井道材质主要是两种，一种是普通钢材，另一种是铝合金型材。目前客户多选择是铝合金型材井道架外加观光轿厢的配置。铝合金表面可以喷涂、电泳着色，满足客户的多种装饰配色需求。相对于钢结构井架，铝合金的强度方面稍弱于钢结构井架，可以通过调整铝型材截面形状尺寸及降低导轨支架间距来解决这个问题。

目前家用曳引式电梯市场电梯结构主要有两种形式[1]，分别为龙门架式和背包架式。龙门式电梯导轨分别位于轿厢两侧，具有受力均匀特点；背包式电梯导轨分别位于轿厢一侧，受力中心不在轿厢导轨之间，相对轿厢导轨偏载较大。因别墅电梯井道大多占用空间不大，用户多选择背包式这种结构，目的就是能够以较小的电梯井道占用面积获得最大电梯轿厢空间。文中主要研究背包架式电梯结构的井架分析,解决井架有限元计算模型构建，得到井架的最大应力和最大变形值，验证与设计要求是否相符。

1 工况分析

因别墅电梯的井道相对狭小，不太适用于龙门架式电梯结构。对于此类井道，为了取得更大的有效轿厢面积，电梯厂商多选择背包架式电梯结构，图1所示为背包架电梯结构原理图(曳引比 1:1)，能有效地提高电梯轿厢有效面积利用率。图2为某型电梯的井道平面图。

图1 别墅电梯原理图(曳引比 1:1)

图2 井道平面图

电梯在运行时，导轨一般受三个方向的力[2]，其中水平方向的力由运行的轿厢、轿架施加，垂直方向由机架或安全钳施加。此文主要探讨井架变形及应力，垂直方向的力主要由导轨自身承担，本文中对垂直方向力的计算不作讨论。水平方向FX、FY定义如图3所示。

图3 导轨水平受力方向

对于电梯运行工况一般分两种：一是正常运行工况，二是安全钳动作工况。对于井架来说，必定是安全钳动作工况对井架施力更大，冲击强度更剧烈。考虑轿厢载重分布不同状况，一般有两种分布方式，见图4。其中图4(a)为轿厢载荷Q分布在轿厢前3/4面积区域，图4(b)为轿厢载荷Q公布于轿厢左侧3/4面积区域。这样载荷分布方式是考虑到实际可能发生的场景。

图4 轿厢载荷分布

背包架式电梯结构工况分析时，所需参数如表1所列。

表1 电梯参数表

续表1 电梯参数表

安全钳动作时，由导向力引起的FX和FY计算如下[3]：

工况1(载定载荷分布在前3/4区域，如图4(a)所示)：

FX=3 670.1 N，FY=0 N，FK=10 202.4 N

工况2(载定载荷分布在左3/4区域，如图4(b)所示)：

FX=3 416.2 N，FY=507.8 N，FK=10 202.4 N

在模型中，因曳引机结构复杂，分析对象亦不是曳引机本身，只是借助曳引机来施加载荷、传递载荷，在保证质量、重心一致的前提下采用实体替代，连接位置、曳引轮位置与曳引机相同，对结果影响可以忽略不计。同时安全钳对于导轨垂直向下的力FK由主要由轿厢导轨承受，此研究对象是井架应力及变形情况，因此可以忽略此力对井架的影响。曳引机安装底板厚度为12 mm，材料为Q235A。

导轨支架示意图如图5所示，其中件1、件2均为4 mm厚、材料为Q235A板折弯成，此模型忽略了折弯圆角及螺栓连接孔；件3为10 mm厚、材料为Q235A，此模型忽略与井架连接螺栓安装孔。

其中在轿厢导轨(型号为T75)[4]的相应位置利用SolidWorks软件中的分割线功能，获得轿厢导靴与导轨结合的面域，方便后续有限元分析时加载。导轨自上而下有两处面域，其中上导靴位置如图6所示，距离导轨顶部分别为481.5(431.5+50) mm，导靴衬长度为100 mm。下导靴位置距离导轨顶部是2181.5 mm。

井架最终模型如图7所示，型材截面形状如图8所示，其相应铝型材截面属性见表2所列。

图5 导轨支架

图6 导轨与导靴接触面域

图7 井架1.立柱 2.门上横梁 3.门下横梁 4.导轨 5.导轨支架 6.横梁

图8 型材截面形状

表2 铝型材截面属性

2 边界条件

根据此型电梯安装手册，井架顶、底及中间与墙连接位置固定；轿厢导轨、对重导轨底部固定[5]。对于多层(超过2层)电梯，各层立柱与墙体连接，以便增加井架刚度，减少变行，提高运行舒适度。如图9所示，可见立柱顶底节点导轨底部固定约束。

图9 井架及相关零部件边界条件

井架及相关零部件之间采用接合约束，同时对于导轨支架、曳引机固定架与简化为梁的铝合金型材亦采用接合约束。

2.1 材料特性

铝型材井架部件采用6063-T5材料，材料属性见表3(采用SolidWorks Simulation材料库特性值)。

表3 6063-T5属性表

除铝型材井架外，其余材料均为Q235A，材料特性见表4(采用SolidWorks Simulation材料库特性值)。

表4 Q235A属性表

2.2 结果分析

在SolidWorks Simulation中，上界轴向和折弯表示梁横断面最外边的纤维具有最大应力。轴向应力：P/A；方向1( 即dir1)上界折弯：力矩M1所产生的最高弯曲应力，即M1/W1；方向2(即dir2)上界折弯：力矩M2所产生的最高弯曲应力，即M2/W2；上界轴向和折弯，如图10所示。Solid-Works Simulation软件通过对M1和M2所产生的轴向应力和两个弯曲应力和，在每个网格单元的两端计算应力值，P/A+[(M1×I22+M2×I12)×y1+(M2×I11+M1×I21)×y2)]/(I22×I11-I12^2)，其中，Iij(i=j=1或2)是指关于各自当地正交横梁方向1和方向2的惯性张量。

图10 梁受力示意图

由图11可知，最大应力为75.85 MPa，远小于其铝型材6063-T6的屈服强度145 MPa；井架安全系数最小为1.93；井架最大变形3.3 mm，也小于安全钳动作时要求的最大变形5 mm的要求。

图11 井架分析结果

3 结 语

别墅电梯市场竞争激烈，各个生产厂家替换产品的速度也非常快，以便适应市场的新趋势。文中阐述了电梯结构，分析了电梯的不同工况，最后根据不同工况得出最危险的工况，并据此设计分析井架在此工况下的受力情况。另外相对于Ansys等软件，SolidWorks具有一特别优势，在Simulation模块中可以直接将型材转换为梁，软件操作方便简洁，也是选用此软件原因之一。背包架式电梯结构已累计出货上千台，没有接到业主关于电梯井架方面的投诉，从侧面也验证了此种分析法的正确性及可靠性，后期可应用有限元的优化设计，优化铝型材截面，使其在不提高的成本的前提下，将井架的稳定可靠性能提高，适应市场激烈的竞争。