掛鉤式防電梯層門靴脫槽裝置擺錘沖擊有限元分析

李寒冰，衛(wèi)小兵，張召軍，王敏星

（1.河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000；2.西繼迅達（許昌）電梯有限公司，河南 許昌 461000）

1 引言

目前我國電梯行業(yè)發(fā)展迅速，但電梯事故頻發(fā)[1]，《GB7588-2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范》及其第1 號修改單針對電梯層門的強度提出了新的擺錘沖擊要求，即電梯層門在遭受意外撞擊時不能被撞開[2]，而2016 年7 月這一修改單實施前，國內(nèi)已經(jīng)投入運行了約有400 萬臺未考慮層門強度要求的電梯（以下簡稱老舊電梯）。電梯層門最薄弱的位置是在下部的層門靴上，老舊電梯上的層門靴并沒有考慮或設計防撞功能，導致電梯層門在異常外力下打開，造成了人身傷亡事故，近年來國內(nèi)發(fā)生的因層門靴脫槽引起事故的案例大多與此有關[2]。

因此，老舊電梯加裝防層門腳靴脫槽裝置成為亟待解決的問題，這就要求加裝結構具有普遍適用性，必須要嚴格滿足新規(guī)范中的擺錘沖擊要求。目前，有限元分析法已在電梯結構的強度分析方面廣泛應用[3-7]，運用有限元分析的方式可以對層門的撞擊性能進行準確和快速完整的分析。目前，對老舊電梯的耐撞性或層門加固設計方面的研究較少，通過運用仿真和試驗結合的手段，可以更準確的對老舊電梯層門的加固提供設計方案和分析依據(jù)。

2 沖擊有限元模型

2.1 掛鉤式防脫槽裝置組成

選取具有代表性單側寬度475mm 規(guī)格層門建模，設計掛鉤式電梯層門防脫槽裝置，主要包括門腳掛鉤、地坎防脫件、門板掛鉤、門套防脫件等部件[8-9]。層門關閉后受外力作用時，門腳掛鉤可以掛住地坎防脫件，門板掛鉤掛住門套防脫件。掛鉤式防電梯層門脫槽裝置，如圖1 所示。

圖1 掛鉤式防電梯層門脫槽裝置Fig.1 Hook-Type Anti-Elevator Door Slotting Device

2.2 接觸-碰撞算法

接觸碰撞算法可處理任意多個物體間的相互作用，假設相互接觸的兩個柔性體A和B，t時刻邊界的外法向分別為nA和nB[10]。接觸碰撞系統(tǒng)除應滿足有限元法中連續(xù)體控制方程外，接觸界面還應滿足物理不可穿透條件和動量守恒定律[11]?？疾煳挥诮佑|界面分別屬于物體A和物體B的任意兩個點xA和xB，不可穿透條件可表述為：

即接觸間隙要求不小于0，0 值對應于剛好接觸狀態(tài)，式中：gN為接觸間隙。接觸界面的動量守恒要求作用于兩物體的面力tA和tB滿足：

罰函數(shù)算法假設法向接觸壓力fN與主節(jié)點與法向滲透量Δp成線性正相關，即：

式中：α—剛度因子，取值一般在（0～1）之間，可由計算程序控制，式中：E—材料的彈性模量，A—接觸單元面積，V—單元體積。

同理，在引入切向動摩擦系數(shù)μ 后，可以得出

根據(jù)計算得到的法向接觸力fN和切線摩擦力ft需要根據(jù)具體單元的形函數(shù)將力插值到節(jié)點[12]。

2.3 網(wǎng)格模型

掛鉤式防脫槽裝置主要為鈑金和螺栓連接裝配結構，在有限元建模時，進行了如下簡化：刪除了不影響主體結構的小特征，如小圓角[11]等；根據(jù)板殼理論，對鈑金結構抽取中面，使用殼單元shell181 進行模擬[12]；對于螺栓連接，使用和實際螺栓等徑的beam188 單元模擬；其它零部件使用六面體solid186 單元實體單元建模。網(wǎng)格劃分使用ANSYS19.0 有限元軟件，單元尺寸設置為（2～15）mm，采用高級尺寸函數(shù)控制曲率，網(wǎng)格劃分結果，如圖2所示。共生成28 萬個單元，三角形單元的數(shù)量小于3%，單元的平均扭曲度0.193，滿足分析對網(wǎng)格質(zhì)量的要求。根據(jù)實際裝配關系建立各個部件之間的連接方式，掛鉤接觸對、導輪接觸對、擺錘與層門、層門腳靴與地坎等接觸對設置為非線性摩擦接觸，摩擦系數(shù)設置為0.1，目標面和接觸面設定為對稱。材質(zhì)的應力應變曲線，如圖3 所示。掛鉤組件材質(zhì)和門框等材質(zhì)為Q235A，層門等鈑金結構材質(zhì)為SPCC，考慮到擺錘沖擊過程中可能產(chǎn)生較大的塑性應變，對層門和掛鉤材質(zhì)依據(jù)《GB/T228.1-2010 金屬材料拉伸試驗》制作了樣件，進行了拉伸試驗，并根據(jù)工程應變和真實應變的關系對彈塑性曲線進行了修正，以此作為有限元分析的材料參數(shù)輸入，材料的力學屬性，如表1 所示。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 FEA Mesh Model

圖3 材質(zhì)的應力應變曲線Fig.3 Stress-Strain Curves of Main Materials

表1 材料的力學屬性Tab.1 Mechanical Property of Main Materials

2.4 邊界條件

軟擺錘沖擊裝置，如圖4 所示?？傎|(zhì)量為45kg，分析時簡化為等質(zhì)量的實心球，彈性模量見表1。全約束電梯層門周圍側邊框架端部的自由度，模擬實際電梯層門的安裝狀態(tài)；分析時，軟擺錘處于距離層門底部1m 高度且居單側層門中間的位置，根據(jù)動能定理，軟擺錘具有的撞擊初速度為：

圖4 軟擺錘測試裝置的示意Fig.4 Schematic of the Soft Pendulum Test Device

圖中：H—跌落高度0.8m。

3 擺錘沖擊分析與試驗

3.1 仿真結果分析

在撞擊層門過程中，擺錘沖擊動能傳遞到層門，再通過層門傳遞到掛鉤和層門腳靴與周圍連接處，最終傳遞到門框和地坎的約束位置，提取以下位置的撞擊力曲線：擺錘與層門之間，加裝掛鉤裝置的層門，如圖5（a）所示。未加裝層門，如圖5（b）所示。門腳掛鉤與地坎防脫件之間，如圖5（c）所示。門板掛鉤與門板防脫件之間，如圖5（d）所示。

從圖5（a）和圖5（b）中可以看出，加裝掛鉤式防脫裝置后，擺錘撞擊力在撞擊開始后4.5ms 達到峰值5113N；沒有加裝防脫裝置的層門的撞擊力峰值為3578N，由于層門腳靴與地坎之間在垂直方向上可以相對移動，撞擊過程中導致層門腳靴與地坎脫離，可以看出，底部構件約束不足是造成這種老舊電梯層門在事故中被異常打開的直接原因。

從圖5（c）和圖5（d）可以看出，在加裝掛鉤式防脫裝置后的層門撞擊中，位于側面的門套防脫掛鉤主要承受了由于層門彎曲而產(chǎn)生的垂直（FZ）方向的力；位于底部的門坎防脫掛鉤則同時承受了水平（FY）和垂直（FZ）方向的撞擊反作用力，從而避免了層門底部與地坎的脫離，提高了層門的防撞性能。

圖5 沖擊過程中的接觸力曲線Fig.5 Contact Force Curve During Impact

從表2 可以看出，加裝掛鉤防脫裝置和未加裝的層門組件中的最大塑性應變均沒有超過對應材質(zhì)的斷裂延伸率，因此，撞擊過程中不會發(fā)生因結構斷裂導致的層門異常打開；而未加裝掛鉤組件的層門的最大塑性應變僅為0.002，因此，擺錘撞擊未加裝掛鉤的層門時，層門產(chǎn)生的彈性變形是導致層門腳靴脫離地坎的主要原因，體現(xiàn)了在撞擊過程中層門材質(zhì)本身的強度未得到充分的利用；而加裝掛鉤的層門結構也仍具有較大的抗撞裕度。在45kg 擺錘沖擊仿真基礎上，通過直接施加沖擊力，在滿足120mm 永久變形規(guī)范范圍內(nèi)，分別計算帶掛鉤式防脫槽裝置和不帶掛鉤電梯層門的最大耐撞力，結果表明，加裝前不帶掛鉤層門最大耐撞擊力為2765N；加裝后帶掛鉤式防脫槽裝置后層門最大撞擊力為5974N；加裝掛鉤式防脫槽裝置后的抗撞擊能力是加裝前的2.16 倍。

表2 擺錘沖擊產(chǎn)生的最大塑性應變Tab.2 Maximum Plastic Strain Due to Pendulum Impact

3.2 試驗驗證及與分析結果對比

為了進一步驗證掛鉤式防電梯門脫槽裝置的抗沖擊能力和有限元分析結果的正確性，按照圖4 裝置要求搭建了擺錘沖擊平臺，如圖6 所示。使用高速攝像機（1500 fps）記錄沖擊整個擺錘沖擊變形，得到?jīng)_擊過程中層門的最大撞擊位移與永久變形位移，并與規(guī)范要求進行校核；并與有限元沖擊分析結果進行對比。加裝防脫裝置的層門的永久變形，如圖7 所示。沖擊過程中加裝防脫裝置的層門的最大位移變形，如圖8 所示。此次擺錘沖擊試驗的電梯層門分為加裝掛鉤防脫靴裝置的老舊電梯層門和傳統(tǒng)未加裝防脫裝置的老舊層門，單側層門寬度均為475mm。試驗結果如下：未加裝掛鉤防脫槽裝置的電梯層門底部腳靴在實驗過程中被撞脫開，不能滿足現(xiàn)行《GB7588-2003》及其第1 號修改單中的要求；而加裝掛鉤式防脫槽裝置后的電梯層門可以抵抗住45kg軟擺錘的沖擊，撞擊后層門的永久變形小于標準要求的120mm。仿真分析結果與試驗結果對比，如表3 所示。

圖6 軟擺錘撞擊層門測試裝置Fig.6 Soft Pendulum Test Device

圖7 加裝防脫裝置的層門的永久變形Fig.7 Permanent Deformation with Anti-Dropout Device

圖8 沖擊過程中加裝防脫裝置的層門的最大位移變形Fig.8 Maximum Displacement and Deformation of Landing Door with Anti-Dropout Device During Impact

表3 仿真分析結果與試驗結果對比Tab.3 Comparison of Analysis and Test Results

對比表3 中結果可知，軟擺錘撞擊試驗與仿真分析結果趨勢一致，永久變形結果和最大撞擊位移結果相對誤差小于10%，主要是由于軟件分析和試驗中的局部邊界約束差異導致，誤差在合理誤差范圍之內(nèi)。

4 結論

（1）未加裝掛鉤式防脫槽裝置的電梯層門腳靴在有限元分析和擺錘試驗中均被撞脫開；而加裝掛鉤式防脫槽裝置的電梯層門在有限元分析和擺錘試驗中永久變形結果均小于規(guī)范120mm的要求，部件均未失去完整性，滿足《GB7588-2003》及其第1 號修改單針對電梯層門的強度提出了抗擺錘沖擊要求；同時，在滿足120mm 永久變形規(guī)范的前提下，通過加大撞擊力的方式，分析出在加裝掛鉤式防脫槽裝置后的層門耐撞擊力與加裝前相比提高了2.16 倍。

（2）掛鉤式防層門脫槽裝置抗撞原理分析：①在擺錘試驗中，傳統(tǒng)未加裝掛鉤的層門腳靴脫離地坎導致整個下部層門被撞飛，而層門的強度并未達到材料的極限斷裂強度，結構上有較大的改進裕度；②在層門底部以及側面加裝防脫槽掛鉤后，撞擊過程中，撞擊力通過層門傳遞到掛鉤和頂部導輪，進而將撞擊力傳遞到地坎和門框；c.層門撞擊后彎曲變形，門腳掛鉤和側門框的門套防脫掛鉤從水平和垂直方向阻礙這一彎曲變形，進而將撞擊彈性變形能轉換為塑性變形能，吸收了部分撞擊能量。

（3）軟擺錘撞擊試驗結果與仿真分析結果永久變形和最大變形位移結果誤差在合理誤差范圍之內(nèi)，對后續(xù)同類產(chǎn)品進行仿真分析有較大的指導意義。