撞击对电梯层门结构的破坏失效研究＊

徐畀泽 张雍 吕信策

（台州市特种设备检验检测研究院，浙江台州 317700）

0 引言

随着近年来土地资源日益紧张，住宅和工厂厂房也向着多层化、高层化发展，居住和工业生产领域对电梯的需求正在不断增多［1-3］。土地资源紧张和电梯高频运行的情况下，一旦使用人员的安全意识薄弱，就会造成安全事故的发生［4-6］。近些年的电梯事故案例表明，电梯发生伤亡事故有不少是使用人员操作不当，同时电梯层门可靠性失效，导致人员跌入井道造成。因此电梯层门作为隔绝井道和人员活动区域的重要装置，是保障电梯使用安全的关键所在。

电梯层门被撞击损坏导致人员伤亡的事故案例和越来越严峻的使用环境说明，随着电梯使用状况的不断变化，目前的电梯层门相关要求有着一定的改进空间。对于电梯层门国内外大多研究都是针对门机系统的改进，而对于层门结构本身的研究并不多［7-10］。王河等［11］利用ANSYS 有限元分析软件模拟电梯受到静力的物理过程，通过其特定材质不同厚度的仿真分析，分析特定材质下的门板的应力与变形影响情况，给出了层门结构加强的一些建议。骆凯等［12］基于《电梯制造与安装规范》中对于层门的相关规定，进行了关于电梯层门强度的讨论，对电梯层门的安全指标给出了一些建议。吴爱军等［13］根据《电梯监督检验和定期检验规则-曳引与强制驱动电梯》设计出了一种电梯门机械强度检测装置的硬件和软件，能快速检测电梯层门的机械强度。李桦［14］针对电梯层门受外力冲击失效导致的事故，分析了相关标准要求，并结合实际工作经验，从中找出层门设计改进的方法。

但总的来说，国内外学者对于撞击对层门连接结构的破坏失效机制研究较少，缺少规范化的判定依据，理论与实验成果不多。因此，研究重物撞击下电梯层门的破坏失效机制，结合实际制定破坏失效临界点的关键性安全指标，可以指导制定科学的电梯层门安全的相关技术标准，具有重要的科学理论和工程指导意义。本文基于理论力学给出层门滑块最大应力的计算模型，结合LS-DYNA 进行数值模拟，研究不同滑块嵌入深度对层门抗撞击能力的影响。

1 撞击对电梯层门结构的破坏失效机制分析

电梯门从安装位置来分可以分为2 种，装在井道入口层站处的为层门，装在轿厢入口处的为轿厢门。层门和轿厢门按照结构形式可分为中分门、旁开门、垂直滑动门、铰链门等。货梯主要采用的是中分式门或者旁开式门。电梯层门和轿厢门一般由门、导轨架、滑轮、滑块，门框、地坎等部件组成。门通过滑轮与导轨相联，门的下部装有滑块，插入地坎的滑槽中；门的下部导向用的地坎由钢材、铝材或铜型材制作，货梯一般用钢制地坎、客梯可采用铝或铜地坎。

电梯层门受到外力撞击时，门体本身往往不会有比较大的变形，或者变形不足以产生能够使人员安全受到威胁的程度。往往是门体与地坎的连接失效，导致门体下部失去固定而自由活动。电梯层门上端通过挂轮在导轨上运行，下端连接滑块，滑块在地坎滑槽中运行，如果滑块因为外力发生变形脱出，层门的下端就得不到限制，一旦人员接触到这样的层门，层门受到轻微外力作用，人员就容易坠入井道。在受到较大的撞击后层门的下部很容易失去约束，门体本身会产生一定的变形，而层门滑块与地坎接触的位置更是产生了弯曲并且脱落，见图1。

图1 撞击后的电梯层门示意

简化层门结构，层门受到撞击受力和电梯层门整体结构示意如图2—图3 所示。分析忽略层门质量对撞击的影响，将层门和滑块看做一体，简化为一根梁。层门受到撞击时，会以层门滑块和地坎的接触位置作为支点，发生弯折。

图2 撞击层门受力示意

对于支点，撞击点到支点的距离、滑块到支点的距离、撞击的力、地坎给滑块的反作用力，分别以O、l1（m）、l2（m）、Fp（N）、Fr（N）表征。以层门和滑块整体作为控制体，根据牛顿第三定律，可以得到如下关系式为：

由此，可以得到层门滑块的拉应力为：

联立式（1）和式（2），可以得到：

式中，S为滑块截面积，m2。

因此可以推出，想要增强层门的抗冲击能力，减小滑块的拉应力，防止滑块的变形脱落，可以通过以下3 种方式：

（1）提高材料的屈服极限，使其大于滑块的最大应力，阻止滑块的塑性形变。

（2）增大滑块的初始截面积，使得同样条件下滑块的最大应力减小，达不到材料的屈服极限，也就无法产生塑性形变。

（3）增加滑块到支点的距离l2，同样可以使得滑块的最大应力减小，达不到材料的屈服极限，也就无法产生塑性形变。

2 重物撞击下层门结构失效的计算和模拟

目前台州地区的工厂中使用较多的的载货电梯吨位为3 t，这个吨位能满足大部分企业的运输要求，价格也比较适中。各品牌同吨位的电梯层门尺寸大多是相同的，因此以额定载重量3 t 的中分门货梯为例进行分析，电梯层门尺寸为1 800 mm×2 800 mm。螺栓型号为M24×70 ，直径为24 mm，螺杆长度为70 mm。层门材料采用Q235 钢，厚度3 mm。滑块分别采用Q460 钢材，设置厚度3 mm，分为钢片和橡胶块上下两部分。螺丝螺栓采用SUS430 不锈钢，地坎为Q235 钢材料。

根据上文理论推导得到的增强层门结构抗冲击能力的方法共有3 种，第1 种方法提高层门材料的屈服极限也就是使用更高等级的钢材，需要增加较大的成本；第2 种方法增加滑块的初始截面积，这也意味着配套的地坎宽度以及门套间隙等需要重新设计，也要增加较高的成本；综合考量第3 种方法增加滑块底部到支点的距离，也就是增加滑块嵌入的深度最简单也不需要太多成本。

撞击对电梯层门结构的破坏方式除了短时间大冲量的瞬时破坏，还有小冲量长时间的累积破坏。可能在不断的撞击中结构内部产生细小的损伤，然后在不断的累积中于某一次瞬间失效破坏。由于使用单位的安全管理人员也会定期检查电梯情况，因此本文只考虑不同滑块嵌入深度下，撞击对层门结构的瞬时破坏，分别设置10 mm、20 mm 和30 mm 的滑块嵌入地坎深度，基于理论分析、物理实验和数值模拟，分析讨论相同工况不同嵌入深度下的滑块变形破坏，给出合适的滑块嵌入深度。

Q460 钢作为一种性能优秀的低合金结构钢，在满足相同力学性能的同时，对比普通碳素钢可以节约大约25%的材料。选取10 mm、20 mm 和30 mm的Q460 钢作为滑块材料，基于理论分析、物理实验和数值模拟分析讨论相同工况下的层门变形破坏，给出最合适的滑块嵌入深度。工厂中较为常见的小型电动堆垛叉车额定载荷为2 t，自重在450 kg左右，厂区内行驶速度在10 ～12 km/h。因此综合考虑，设置总重量2.5 t 的小车，以3 m/s 的速度撞击电梯层门，滑块嵌入地坎深度为10 mm，观察撞击后的层门滑块破坏情况。层门以及滑块地坎布置结构如图4所示。

图4 层门以及滑块地坎布置结构

3 实验结果与分析

3.1 滑块深度对层门抗冲击能力的影响

设置重量为2.5 t 的小车，以3 m/s 的速度直接撞击电梯层门，撞击点到支点的距离l1取1 m，滑块外露部分高度为5 cm，则滑块底部到支点的距离l2为（5+x）cm，其中x为滑块嵌入地坎深度，作为理论计算依据。代入式（3），得到3 种嵌入深度下滑块的最大应力，结果列入表1。数值模拟的尺寸参数和能量法相同，网格单元全部按照2 mm 进行划分，结合LS-DYNA 进行数值模拟，计算250 ms 得到不同厚度风门中心点的位移时间历程曲线，如图5 所示；对应的应力云图和位移云图，如图6—图8 所示。将对应的最大应力也列入表1，与理论计算结果进行对比。同时考虑相同设置参数下的物理实验的滑块变形情况，如图9 所示，将变形量与数值模拟结果进行比较分析。

表1 不同嵌入深度下滑块最大应力

图5 不同嵌入深度下滑块最大应力点的位移时间历程曲线

图6 10 mm 嵌入深度下层门的应力云图

3.2 结果分析

从图6 中可以看到，数值模拟中10 mm 嵌入深度的层门的最大应力为500.3 MPa，且应力集中位置在滑块和地坎接触的位置上，同时最大应力也超过了Q460 钢的屈服极限460 MPa，钢板进入了塑性变形状态，滑块破坏失效；而20 mm和30 mm嵌入深度的滑块最大应力则分别为444.9 MPa 和404.6 MPa，小于Q460 钢的屈服极限，满足强度要求。根据图5显示，10 mm 嵌入深度滑块最大应力点对应的最大挠度超过了13 mm，由于进入了塑性变形状态，滑块变形后无法复原。而图9 的物理实验结果滑块在水平方向的变形为11.52 mm，这是由于物理实验中螺栓的连接处以及部件的碰撞摩擦都吸收了一部分能量，而数值模拟中为简化计算未考虑，2 种方法的误差为11.4%，且实际值小于数值模拟值，从安全余量的角度考虑是可以接受的；而图7 和图8 中，20 mm和30 mm嵌入深度的滑块最大应力点对应的最大挠度为12 mm和10 mm，也没有进入屈服状态，变形后可以复原。为了防止运行过程中门扇晃动，地坎宽度一般在10 mm 左右，而10 mm 和20 mm 嵌入深度的滑块撞击时变形超过了10 mm，有可能会导致滑块脱出地坎轨道。因此结合留有安全余量的考虑，3 t额定载重量的货梯的层门滑块嵌入深度设置为30 mm 较为合适。

图7 20 mm 嵌入深度下层门的应力云图

图8 30 mm 嵌入深度下层门的应力云图

图9 撞击下10 mm 嵌入深度滑块的破坏情况

对表1 和图9 进行分析，能量法和数值模拟的误差在4%～11%之间，且应力越小误差也越小。这是因为模拟时，还有滑块和地坎以及螺栓之间的碰撞摩擦，损耗了一部分形变能。而理论计算时，为了简化分析导致部件之间的摩擦和碰撞都没有考虑在内，所以计算的最大应力也就更大，同时10 mm滑块嵌入深度下的数值模拟的滑块变形量与物理实验的结果基本一致。因此，通过数值模拟的方法来研究层门滑块嵌入深度的问题是可行的。

4 结论

基于理论推导得到了3 t 货梯的层门在设置不同的滑块地坎嵌入深度下受到撞击时的最大应力。利用数值模拟手段，研究分析了3 种不同滑块嵌入深度的层门结构在重物撞击作用下的动力学特征。研究得到：

（1）数值模拟得到的滑块最大应力值和理论计算较为接近，在4%～11%之间，且最大应力越小误差也越小。应力集中区域在滑块与地坎接触位置附近，数值模拟中滑块产生的变形量与物理实验的现场情况误差为11.4%，且实际值小于数值模拟值，从安全余量的角度考虑是可以接受的，对于利用数值模拟来研究设置不同尺寸的电梯层门滑块嵌入深度的问题来说是可行的。

（2）Q460 钢的屈服极限为460 MPa，10 mm 嵌入深度滑块的最大应力超过了460 MPa，无法达到性能要求；20 mm 和30 mm 嵌入深度滑块的最大应力都小于460 MPa，但大于10 mm 的形变量可能会导致滑块脱出地坎轨道。因此结合实际地坎宽度和留有安全余量的考虑，3 t 货梯的层门滑块嵌入深度门设计应尽量大于30 mm。

（3）撞击对电梯层门结构的破坏方式除了短时间大冲量的瞬时破坏，还有小冲量长时间的累积破坏。在未来需要同时考虑这些可能，结合物理实验验证，进一步深入研究。