圓環(huán)提升機安全裝置的研究

王 迅

（蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000）

圓環(huán)提升機安全裝置的研究

王 迅

（蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215000）

本文以圓環(huán)提升機的安全裝置為研究對象，分析了圓環(huán)提升機安全裝置的工作原理，對提拉機構(gòu)進(jìn)行了運動分析，最后利用Adams軟件對安全裝置進(jìn)行了動力學(xué)仿真，得到了滿意的仿真結(jié)果。

提升機；安全裝置；安全鉗；可靠性；仿真

0 引言

圓環(huán)提升機作為一種垂直運輸升降設(shè)備，主要承擔(dān)著垂直運輸人員及物料的工作。安全鉗、限速器及安全鉗提拉機構(gòu)是圓環(huán)提升機安全裝置的重要組成部分，電梯發(fā)生故障時，通過安全裝置的制動功能保障提升機中人員的生命安全。本文對圓環(huán)提升機安全裝置的工作原理進(jìn)行了介紹，對提拉機構(gòu)進(jìn)行了運動分析，并結(jié)合Adams軟件對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真。

1 安全裝置的工作原理

為了保證圓環(huán)提升機運行的安全性，設(shè)備的運行系統(tǒng)中設(shè)置了安全保護(hù)裝置以及限速器，限速器和安全保護(hù)裝置是聯(lián)動機構(gòu)。提升機在運行時，圓環(huán)形的轎廂沿著塔身中的導(dǎo)軌槽上運行，當(dāng)提升機發(fā)生故障時，轎廂下降速度過快，在達(dá)到限速器的額定限制速度時，限速器會立即動作，限速器與安全保護(hù)裝置會將轎廂兩側(cè)的制動楔形塊提起，使得轎廂制動。此時安全保護(hù)裝置上的電器開關(guān)觸點被觸發(fā)，電氣聯(lián)鎖開關(guān)發(fā)生動作，轎廂曳引機停止運轉(zhuǎn)。通過這兩種方式的保護(hù)，使得提升機在發(fā)生故障時的安全性得到保障。

圖1為圓環(huán)提升機的安全提拉機構(gòu)，它是由左右兩側(cè)拉條、轉(zhuǎn)軸、底板和彈簧以及相應(yīng)的支撐部件和連接部件組成，本文研究的安全按提拉機構(gòu)的的工作原理為：當(dāng)限速器動作后，限速器連接頭向上提拉，通過帶動環(huán)形轉(zhuǎn)軸使得兩側(cè)連桿順序動作，進(jìn)而同時提起左右兩側(cè)的楔形塊，使得電梯轎廂可靠制動?？梢钥闯觯踩Q提拉機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要由安全鉗的結(jié)構(gòu)類型和轎架的結(jié)構(gòu)共同決定的。

圖1 圓環(huán)式安全鉗連桿提拉機構(gòu)

2 提拉機構(gòu)的運動分析

環(huán)形提拉機構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可簡化成曲柄滑塊機構(gòu)，如圖2所示。曲柄AB的長度為γ2=50mm，AB的角位移為θ2，AB的旋轉(zhuǎn)角速度為w2，旋轉(zhuǎn)角加速度為a2，連桿BC的長度為γ3=125mm，旋轉(zhuǎn)角位移為θ3，旋轉(zhuǎn)角速度為w3。

曲柄滑塊機構(gòu)是一種應(yīng)用比較普遍的機構(gòu)模型，它能將曲柄的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為從動件的直線運動；根據(jù)曲柄的運動角速度等參數(shù)，可以求出機構(gòu)中某些點的位移，速度和加速度。

圖2 提拉機構(gòu)運動簡圖

根據(jù)上面的曲柄滑塊運動簡圖，圖中取A點為坐標(biāo)原點，則構(gòu)件AB、BC與AC之間的向量關(guān)系為：

將上面的構(gòu)件之間的位移向量關(guān)系分別分解到x和y軸方向上，得出以下公式：

將上述的位移方程對時間t求導(dǎo)，得到曲柄滑塊的速度方程：

將上面的速度方程寫成矩陣的形式得：

將上述的速度方程對時間t求導(dǎo)得：

將其寫成矩陣的形式得到下式：

這就是曲柄滑塊的加速度方程。根據(jù)上述計算公式，就能根據(jù)曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度w2，就可求出B點位移和滑塊的運行距離等參數(shù)。

3 安全裝置的動力學(xué)分析

安全鉗的制動距離、制動力和制動時間這幾個參數(shù)是瞬時式安全鉗性能好壞評價的主要指標(biāo)，本文利用Adams軟件瞬時安全鉗進(jìn)行動力學(xué)仿真試驗分析。

3.1 仿真模型的建立

將在SolidWorks中建立完成的安全裝置模型導(dǎo)入到ADAMS中，定義好基本參數(shù)后，根據(jù)安全裝置實際所受約束情況分別對其施加固定、滑動和接觸約束。在安全裝置的建模過程中，對安全制動裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了必要的簡化，以防止導(dǎo)入ADAMS中模型失真的情況的發(fā)生。安全裝置的仿真模型如圖3所示。

3.2 載荷與約束的添加

導(dǎo)入ADAMS的模型，各個零件間的連接關(guān)系需要重新定義，因此給模型添加約束是模型運動和決定仿真能否輸出結(jié)果的關(guān)鍵。在對安全裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真之前，需要對模型的剛度、摩擦力參數(shù)以及接觸力指數(shù)和阻尼大小進(jìn)行確定，導(dǎo)軌與楔塊的間的約束為接觸副約束，它們之間的動摩擦系數(shù)為0.3，靜摩擦系數(shù)定為0.4，楔塊與鉗體之間的約束同樣為接觸副約束，兩者之間的靜摩擦系數(shù)為0.03，動摩擦系數(shù)為0.02。導(dǎo)軌與地面間的約束為接觸副約束，圓環(huán)轎廂與地面間為移動副約束，對各實體間的約束形式以及摩擦系數(shù)定義之后即可進(jìn)行模型的動力學(xué)仿真。

圖3 安全裝置在ADAMS中的仿真模型

3.3 仿真結(jié)果

如圖4所示為轎廂位移曲線，圖5為轎廂速度曲線。

圖4 轎廂位移曲線

圖5 轎廂速度曲線

可以看出，升降機圓環(huán)轎廂在安全鉗的制動過程一般分為3個階段。階段l：升降機鋼絲繩斷裂后圓環(huán)轎廂就成自由落體，當(dāng)轎廂速度已經(jīng)達(dá)到1.0 m/s左右，限速器繩才提拉起安全鉗動楔塊和導(dǎo)軌接觸；階段2：安全鉗的動楔塊與導(dǎo)軌接觸，將轎廂制停于導(dǎo)軌上；階段3：安全裝置制動過程結(jié)束，安全鉗將轎廂完全制停在導(dǎo)軌上。

轎廂剛開始（t=0）以額定速度500 mm/s做自由落體運動，當(dāng)t = 0.025 s 時，后來轎廂由于限速器提拉制動作用開始做減速運動，當(dāng)安全鉗動楔塊與導(dǎo)軌接觸時，轎廂速度已經(jīng)加速到0.9 m/s左右；從圖中還可以看出曲線在很短的一段時間內(nèi)有振蕩的現(xiàn)象，主要是因動楔塊與導(dǎo)軌兩實體在制動過程中會產(chǎn)生一定的沖擊作用。

如圖6所示是安全鉗制動力曲線。

圖6 轎廂制動力曲線

可以看出，安全鉗制停過程中的制停力也分3個階段。升降機曳引系統(tǒng)繩索斷裂，圓環(huán)轎廂做自由落體達(dá)到限速器額定速度的115%時動作，這時限速器繩頭提起安全鉗動楔塊，但動楔塊還未和導(dǎo)軌接觸，此時安全鉗不受制動力；瞬時式安全鉗的動楔塊被提拉與導(dǎo)軌接觸，轎廂被制停在導(dǎo)軌上；圖中的脈沖主要有兩個，首先是限速器提拉安全鉗楔形塊后，與導(dǎo)軌產(chǎn)生接觸，此時轎廂與安全鉗的沖擊載荷產(chǎn)生第一個脈沖，碰撞之后轎廂反彈回落后與安全鉗再次碰撞產(chǎn)生第二個脈沖；圓環(huán)轎廂停止不動，整個制動過程結(jié)束，此時安全鉗受力變?yōu)楹阒怠?/p>

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王迅（1985—），女，江蘇蘇州人，講師，主要從事機械設(shè)計及機械電子方面的研究工作。