電梯超速保護裝置的相關(guān)探討

馬發(fā)朝

（廣東康力電梯有限公司，廣東 中山 528400）

隨著社會的不斷進步，高層建筑逐漸增多，電梯增長量逐步變大，成為人們生活中不可或缺的交通工具，所以保證其安全可靠運行至關(guān)重要。安全鉗是電梯安全系統(tǒng)的重要部分，其工作的有效性直接影響到乘客的生命安全。在國家新標(biāo)準(zhǔn)《電梯制造與安全規(guī)范》（GB 7588—2003）中明確要求電梯安裝超速保護裝置，并進行了強制性規(guī)定。因此，對電梯超速保護裝置的研究就顯得尤為重要。

1 電梯安全鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)雙楔塊漸進式安全鉗的工作原理，對客運電梯轎廂超速保護用安全鉗進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)確定。安全鉗由鉗座1、固定楔塊2、U形板簧3、提拉桿4、調(diào)節(jié)螺栓螺母5、導(dǎo)板6、鉗塊7、調(diào)節(jié)螺母8等組成，安裝在轎廂底部，隨轎廂一起沿導(dǎo)軌方向同步上下運動。電梯正常運行時，安全鉗的制動塊在重力的作用下位于正常位置，鉗塊和導(dǎo)軌工作面之間留有一定的間隙。當(dāng)電梯轎廂的運行速度超過額定速度的1.15倍時，安全鉗工作，限速器被觸發(fā)，配套的限速器使限速輪停轉(zhuǎn)，通過輪槽和繩纜之間產(chǎn)生的摩擦力提升安全鉗的提拉桿4，帶動鉗塊7與導(dǎo)軌工作面接觸，當(dāng)鉗塊與導(dǎo)軌工作面接觸后，依靠摩擦力使鉗塊7相對于鉗座1繼續(xù)向上移動，通過固定楔塊2與U形板簧3產(chǎn)生對轎廂的夾緊力，最終依靠鉗塊2與導(dǎo)軌工作面之間的摩擦力和U形板簧的彈性力使電梯制停在導(dǎo)軌上。由于鉗塊7與固定楔塊2之間有滑移，且含有彈性元件U形板簧，所以，在制停轎廂時沖擊力大大減小。

2 安全鉗部分參數(shù)確定

2.1 安全鉗固定楔塊和鉗塊角度確定

取客運電梯額定載重P=1 000 kg，根據(jù)GB 7588—2003電梯制造與安裝安全規(guī)范的規(guī)定，取自重系數(shù)為1.6，確定電梯轎廂的自重Q=1 600 kg。假設(shè)繩纜因疲勞原因發(fā)生斷裂，轎廂自由下墜，觸發(fā)電梯安全鉗動作，電梯轎廂被制停在導(dǎo)軌上。則此時作用在鉗塊上的力為U形板簧對導(dǎo)軌提供的正壓力FN和導(dǎo)軌工作面反作用在鉗塊表面的壓力所產(chǎn)生的制動力FZ.為了確保轎廂內(nèi)的乘客安全，電梯額定運行速度按2 m/s計算，設(shè)安全鉗動作時的速度為電梯額定運行速度的115%，電梯轎廂制停后速度vt=0，制停距離為S，制停減速度為a，則：

其中，v0=2.0×115%=2.3 m/s。經(jīng)計算得a=－7.56 m/s2，取a=－7 m/s2，代入式（1）得S=0.38 m。

根據(jù)牛頓第二定律ΣF=Σm·a，得：

將相關(guān)參數(shù)代入式（2），計算得FZ=43 700 N。根據(jù)能量守恒定律，電梯安全鉗動作前動能和勢能的總和E為：

將相關(guān)參數(shù)代入式（3），計算得E=16 600 N·m。

根據(jù)電梯轎廂的受力情況可得：

式（4）中：μ為鉗塊與導(dǎo)軌工作面之間的動摩擦系數(shù)，取0.20.

則：

將相關(guān)參數(shù)代入式（5），計算得FN=54 630 N。設(shè)轎廂的總重力為Mg（包括轎廂的自重和額定載重，M為滿載轎廂的質(zhì)量），鉗塊的楔角為α，根據(jù)轎廂平衡時豎直方向的受力情況可得：

將相關(guān)參數(shù)代入式（6），計算得tanα=0.23。即α≈13°。

這是安全鉗鉗塊能夠自鎖在導(dǎo)軌上的極限情況下的角度值?？紤]實際情況，安全鉗在安裝過程中，要求鉗塊與工作面之間的距離為2～3 mm。為了保證安全鉗在正常運行中不會誤動作和制動時的減速度，設(shè)計鉗塊與導(dǎo)軌間的間距為2 mm，取楔角α=8°。

2.2 安全鉗固定楔塊和鉗塊高度確定

設(shè)鉗塊從電梯正常運行時的初始位置上升到安全鉗工作時鉗塊與導(dǎo)軌接觸的運動距離為h1，h1=2tan8°=14.23 mm。根據(jù)Solid Works Siulation的分析得，U形板簧的單側(cè)位移量達1.61 mm，固定楔塊發(fā)生橫向位移的距離為1.61 mm，使得鉗塊與固定楔塊在豎直方向產(chǎn)生相對位移h2，h2=.安全鉗在初始位置安裝時，鉗塊的頂面與固定楔塊底面之間的距離h3約為45 mm。鉗塊夾緊導(dǎo)軌后，上方仍應(yīng)預(yù)留一段距離，以防在超速過多的情況下鉗塊不能有效地卡住導(dǎo)軌而產(chǎn)生失效，取預(yù)留距離h4=25 mm。則固定楔塊的高度h=h1+h2+h3+h4=95.68 mm，取h=100 mm。

安全鉗的鉗塊動作時由提拉桿提起，所以對鉗塊質(zhì)量和尺寸有所限制，由于鉗塊的上表面與固定楔塊下表面的距離h3=45 mm，所以取鉗塊的高度h=60 mm。裝配后，調(diào)整鉗塊的高度，從而確保鉗塊與導(dǎo)軌的工作面間距為2 mm。

3 安全鉗固定楔塊和鉗塊有限元分析

根據(jù)上文計算的參數(shù)進行固定楔塊和鉗塊的建模，鉗塊由動楔塊和制動塊裝配而成。進一步對其進行有限元仿真，固定楔塊和動楔塊的材料選用40Cr，制動塊材料選用20CrNiMo，材料屬性如表1所示。

對固定楔塊的斜面施加固定幾何體約束，對固定楔塊與安全鉗鉗座上板接觸面施加電梯額定載重和自重之和，對固定楔塊與U形板簧的接觸面施加大小為54.63 kN的均布力，將網(wǎng)格參數(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格改為基于曲率的網(wǎng)格。計算分析得出的安全鉗固定楔塊的應(yīng)力、合位移、應(yīng)變和安全系數(shù)分布云圖，可知雙楔塊漸進式安全鉗固定楔塊的最大應(yīng)力集中在鉗塊與固定楔塊接觸面的頂部，其大小為340.9 MPa，小于40Cr的屈服強度785 MPa；最大合位移為2.237 mm×10－2mm，最大應(yīng)變?yōu)?.137 mm×10－3mm，位移量和應(yīng)變都較小，幾乎可忽略，因此，滿足本安全鉗的設(shè)計和工作要求。對動楔塊的楔面施加固定幾何體約束，對制動塊施加正壓力和豎直向上的摩擦力，在劃分網(wǎng)格前設(shè)置好連接件的連接作用，添加螺釘連接。鉗塊最大應(yīng)力為202 MPa，未超過20CrNiMo和40Cr的屈服強度；鉗塊的最大合位移為9.823 mm×10－3mm，最大應(yīng)變?yōu)?.293 mm×10－4mm，產(chǎn)生的合位移、合應(yīng)變都很小，因此，其滿足本安全鉗的設(shè)計和工作要求。

表1 20CrNiMo和40Cr的材料屬性

4 結(jié)論

綜上所述，電梯是我們現(xiàn)代日常生活中不可或缺的一項運送工具，在方便我們生活的同時，也給我們的人身安全帶來了隱患。加強電梯的下行超速保護裝置措施是防止電梯出現(xiàn)下行超速的有效方法。在實施過程中，不僅要掌握轎廂下行超速保護裝置的組成、動作速度、制停減速度和作用方式等，還要對轎廂下行超速保護裝置以及相關(guān)的底坑緩沖器、頂部間距安全性作綜合考慮。只有這樣，轎廂下行超速保護裝置才能對下行轎廂的速度失控起到保護作用。針對自重1 600 kg、額定載荷1 000 kg、額定運行速度為2 m/s的電梯，設(shè)計了相應(yīng)的超速保護裝置。通過Solid Works Simulaton插件對楔塊和固定鉗塊進行靜力學(xué)的有限元分析，結(jié)果表明設(shè)計滿足材料強度要求，可為電梯轎廂超速保護裝置提供參考。

參考文獻：

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