淺析提拉桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元范文

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【摘要】針對鋼帶和鋼絲繩兩種類型電梯產(chǎn)品，分別設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的提拉桿，對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。根據(jù)拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一套提拉桿實(shí)驗(yàn)工裝夾具，在實(shí)驗(yàn)室對提拉桿進(jìn)行理論分析的強(qiáng)度驗(yàn)證，有效解決電梯上提拉桿在工作時因失效對電梯安全性帶來的影響。

【關(guān)鍵詞】提拉桿；有限元分析；強(qiáng)度驗(yàn)證；電梯

隨著土地價格的飆升，樓宇的建筑高度也越來越高，從而使得電梯成為一種必備的特種工具。目前，市場上有鋼帶和鋼絲繩兩種類型電梯。鋼帶產(chǎn)品的優(yōu)勢是：（1）鋼帶與主機(jī)的接觸面積比鋼絲繩大的多，效率提高了百分之五十以上，并且后續(xù)不需經(jīng)常維保，壽命也比鋼絲繩高2倍之多；（2）鋼帶的柔韌度使得電梯運(yùn)行更平穩(wěn)；（3）鋼帶的質(zhì)量更輕一些，安裝也相對比較方便。劣勢是：（1）鋼帶在運(yùn)行過程中，可能在水平方向上發(fā)生偏離，使得電梯有振動和斷絲的情況發(fā)生；（2）對鋼帶的表面要求非常高，如果表面不清潔電梯可能產(chǎn)生振動和噪音，壽命也會急劇下降；（3）當(dāng)鋼帶斷裂時，我們很難用肉眼觀察到，只能借助檢測裝置，但是檢測裝置有時會發(fā)生誤動作；（4）成本高，在高速時不適合使用；（5）歷史短，有不確定性。鋼絲繩的優(yōu)勢是：（1）圓形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向強(qiáng)，不易磨損；（2）已有百年歷史，技術(shù)成熟；（3）鋼絲繩斷裂用肉眼易觀察，可以及時更換；（4）在電梯高速運(yùn)行過程中，更平穩(wěn)和舒適；（5）曳引機(jī)成本低。本文基于這兩種產(chǎn)品各有優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了兩套不同的提拉桿機(jī)構(gòu)。為保證其安全性，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，針對提拉桿在不同工況下的工作，對其強(qiáng)度進(jìn)行有限元的分析。根據(jù)拉力機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套工裝，在實(shí)驗(yàn)室對理論分析的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。從而有效解決了提拉桿在工作時失效對電梯安全性帶來的影響。

1鋼絲繩產(chǎn)品的提拉桿機(jī)構(gòu)

1.1鋼絲繩產(chǎn)品的提拉桿結(jié)構(gòu)

提拉桿安裝在上梁之中如圖1深色部分所示，此結(jié)構(gòu)屬于上提拉。作用是連接限速器和安全鉗。在轎廂（安全鉗、安全鉗杠桿、限速器鋼絲繩、限速器輪）運(yùn)行速度≥115%額定速度時，限速器帶動提拉桿工作，由剎繩塊壓迫限速器鋼絲繩，使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并帶動安全鉗杠桿，使安全鉗動作[1]。

1.2計(jì)算機(jī)仿真提拉桿的應(yīng)力

將Creo2.0建立的提拉桿模型導(dǎo)入有限元workbench中，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，提拉桿的單元類型SOLID186。劃分完的網(wǎng)格如圖2所示。按照國家安全標(biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)軸1的材料為20GB699-88，抗拉強(qiáng)度為410MPA，屈服強(qiáng)度為245MPA。支架2的材料為Q235AGB700-88，抗拉強(qiáng)度為375MPA，屈服強(qiáng)度為235MPA。桿3和桿5、桿6的材料都為ZG270-500GB11352-85，抗拉強(qiáng)度為500MPA，屈服強(qiáng)度為270MPA。這些材料的彈性模量都為E=210000MPa，泊松比都為n=0.3，密度都為r=7800kg/m3。作用在提拉桿上的載荷有自重、限速器的提拉力、安全鉗的拉力等。在分析過程中，若考慮到?jīng)_擊作用影響，均按照動載荷增加一個重力加速度進(jìn)行分析計(jì)算[2]。提拉桿在工作時的有限元分析結(jié)果如圖3所示。

1.2.1轉(zhuǎn)軸1結(jié)果分析轉(zhuǎn)軸1的強(qiáng)度接受標(biāo)準(zhǔn)為410MPA，根據(jù)工況，可得最大應(yīng)力值為189MPA，安全系數(shù)為FOS=410/189=2.2，強(qiáng)度滿足要求。

1.2.2支架2結(jié)果分析支架2的強(qiáng)度接受標(biāo)準(zhǔn)為375MPA，根據(jù)工況，可得最大應(yīng)力值為259.82MPA，安全系數(shù)FOS=375/259.82=1.4，強(qiáng)度滿足要求。

1.2.3桿3結(jié)果分析桿3的強(qiáng)度接受標(biāo)準(zhǔn)為500MPA，根據(jù)工況，可得最大應(yīng)力值為151.44MPA，安全系數(shù)FOS=500/151.44=3.3，強(qiáng)度滿足要求。

1.2.4連接桿4結(jié)果分析連接桿4的強(qiáng)度接受標(biāo)準(zhǔn)為500MPA，根據(jù)工況，可得最大應(yīng)力值為60.215MPA，安全系數(shù)FOS=500/60.215=8.3，強(qiáng)度滿足要求。

1.2.5擺動桿5結(jié)果分析擺動桿5強(qiáng)度的接受標(biāo)準(zhǔn)為500MPA，根據(jù)工況，可得最大應(yīng)力值為227.04MPA，安全系數(shù)FOS=500/227=2.2，強(qiáng)度滿足要求。通過有限元workbench分析得知，設(shè)計(jì)完的鋼絲繩產(chǎn)品的提拉桿結(jié)構(gòu)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

2鋼帶產(chǎn)品的提拉桿機(jī)構(gòu)

2.1鋼帶產(chǎn)品的提拉桿結(jié)構(gòu)

提拉桿與轎架的槽鋼安裝在一塊。如圖4所示。屬于下提拉的一種結(jié)構(gòu)。其作用和工作原理與鋼絲繩產(chǎn)品的提拉桿結(jié)構(gòu)一樣，這里不再進(jìn)行敘述。

2.2計(jì)算機(jī)仿真提拉桿的應(yīng)力

同樣將Creo2.0建立的提拉桿模型導(dǎo)入有限元workbench中，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，提拉桿的單元類型SOLID45。劃分完的網(wǎng)格如圖5所示。按照國家安全標(biāo)準(zhǔn)要求桿1和拉桿3的材料為Q345AGB709-88，抗拉強(qiáng)度為470MPA，屈服強(qiáng)度為345MPA。套筒2和轉(zhuǎn)軸4的材料為Q255，抗拉強(qiáng)度為335MPA，屈服強(qiáng)度為255MPA。這些材料的彈性模量都為E=210000MPa，泊松比都為n=0.3，密度都為r=7800kg/m3。作用在提拉桿上的載荷有自重、限速器的提拉力、安全鉗的拉力等[3]。在分析過程中，若考慮到?jīng)_擊作用影響，均按照動載荷增加一個重力加速度進(jìn)行分析計(jì)算。提拉桿在工作時的有限元分析結(jié)果如圖6所示。

2.2.1轉(zhuǎn)軸結(jié)果分析轉(zhuǎn)軸1的強(qiáng)度接受標(biāo)準(zhǔn)為335MPA，從圖7可得最大應(yīng)力值為143MPA，安全系數(shù)為FOS=335/143=2.3，強(qiáng)度滿足要求。

2.2.2套筒結(jié)果分析套筒的強(qiáng)度接受標(biāo)準(zhǔn)為355MPA，從圖8可得最大應(yīng)力值為199MPA，安全系數(shù)為FOS=355/199=1.8，強(qiáng)度滿足要求。有時在計(jì)算機(jī)仿真模型中，由于通過三維軟件建立模型時，總會有銳邊角接觸的情況出現(xiàn)，所以有限元在計(jì)算的時候，會出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得計(jì)算結(jié)果偏大或者超出了我們所需的標(biāo)準(zhǔn)值，但是根據(jù)理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，出現(xiàn)這樣對的計(jì)算結(jié)果我們是可以接受的[4]。通過有限元workbench分析得知，設(shè)計(jì)完的鋼絲繩產(chǎn)品的提拉桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3利用實(shí)驗(yàn)室對有限元分析提拉桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行等效驗(yàn)證

根據(jù)有限元計(jì)算分析出來的結(jié)果，我們在實(shí)驗(yàn)室對模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。由于鋼帶和鋼絲繩兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法類似，本文僅以鋼帶產(chǎn)品的提拉桿為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。提拉桿的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果按照1比1的比例模型放到拉力機(jī)上則無法完成安裝和測試，設(shè)備如圖9所示。為了更好更有效的完成實(shí)驗(yàn)測試，本文根據(jù)此設(shè)備的接口，設(shè)計(jì)了一套工裝夾具。由此工裝模擬鋼帶產(chǎn)品的提拉杠桿機(jī)構(gòu)。如圖10所示。將支架1通過緊固螺釘安裝設(shè)備平臺上。在給提拉桿動態(tài)提拉力之前，首先使用游標(biāo)卡尺測量桿4的長×寬×高的尺寸為269.1mm×30.25mm×5.09mm，桿5的長×寬×高的尺寸為270mm×30.25mm×5.06mm。如圖11所示。在轉(zhuǎn)軸8上任意標(biāo)記一點(diǎn)，并記錄其初始位置為27.26mm。如圖12所示。

3.1約束限速器連桿

用螺栓限制住提拉桿。將拉力機(jī)與桿4連接。在拉力機(jī)設(shè)備上設(shè)置參數(shù)，將限速器動態(tài)提拉力設(shè)置到3562N，循環(huán)62次，如圖13所示。循環(huán)62次之后，記錄下桿4的長×寬×高的尺寸為269.1mm×30.23mm×5.08mm。桿5的長×寬×高的尺寸為269.9mm×30.23mm×5.06mm。轉(zhuǎn)軸8的初始記錄位置為27.24mm。經(jīng)過與測試之前的測量尺寸相比，沒有發(fā)生永久變形，將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，滿足強(qiáng)度要求。

3.2限速器連桿完全自由

使提拉桿連接限速器的一端完全自由。將拉力機(jī)與桿4連接。同樣在拉力機(jī)設(shè)備上設(shè)置參數(shù)，將限速器動態(tài)提拉力設(shè)置到3562N，循環(huán)62次，如圖14。實(shí)驗(yàn)之后，測量桿4、桿5和轉(zhuǎn)軸8兩端與初始位置的變形量，同樣沒有永久變形發(fā)生。通過以上實(shí)驗(yàn)室分析、計(jì)算機(jī)仿真分析我們可以總結(jié)出此次設(shè)計(jì)的提拉桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能完全可以滿足我們電梯產(chǎn)品的需要。

4結(jié)語

電梯產(chǎn)品作為一種特種設(shè)備，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員會遇到多方面的因素影響，特別是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和成本控制。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)本著從實(shí)際出發(fā)，保證質(zhì)量、安裝和交貨工期的前提下，使得成本最低。對于電梯部件的設(shè)計(jì)安全性也是設(shè)計(jì)的重要課題。盡量保證各個部件配合起來的整個電梯系統(tǒng)能夠運(yùn)行平穩(wěn)、安全，給客戶帶來更好的乘梯體驗(yàn)。為電梯產(chǎn)品贏得更大的市場占有率，進(jìn)而獲得乘客的不斷好評。

參考文獻(xiàn)

[1]徐青,史熙.高速電梯安全鉗制動實(shí)驗(yàn)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2017(10).

[2]全國電梯標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會.GB7588-2003，電梯制造與安全規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[3]美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(US-ANSI).ASMEA17.1-2010/CSAB44-10,電梯和自動扶梯的安全性法規(guī)[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2010.

[4]宮曉凱.淺談用補(bǔ)償繩裝置的對重框架設(shè)計(jì)[J].輕工科技,2018(6).

作者：宮曉凱 單位：天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院