基于SolidWorks Simulation別墅梯井架分析研究

趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟水平的大幅提升及城市化的進展，國內(nèi)家用別墅電梯迎來了大發(fā)展，全國的無齒輪別墅電梯市場從幾千臺增長到近數(shù)十萬臺。別墅類房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，預(yù)計未來十年，我國的別墅電梯市場仍將保持每年20%的遞增速度。

對別墅電梯來說，不僅要求產(chǎn)品質(zhì)量要過硬，對美學的要求也是越來越高。因受別墅建筑空間的限制，大多數(shù)都沒有預(yù)留獨立的井道，需要后期額外配置。電梯生產(chǎn)廠商一般是推薦框架井道，主要目的是安裝方便，對客戶土建方面要求較低。框架井道材質(zhì)主要是兩種，一種是普通鋼材，另一種是鋁合金型材。目前客戶多選擇是鋁合金型材井道架外加觀光轎廂的配置。鋁合金表面可以噴涂、電泳著色，滿足客戶的多種裝飾配色需求。相對于鋼結(jié)構(gòu)井架，鋁合金的強度方面稍弱于鋼結(jié)構(gòu)井架，可以通過調(diào)整鋁型材截面形狀尺寸及降低導軌支架間距來解決這個問題。

目前家用曳引式電梯市場電梯結(jié)構(gòu)主要有兩種形式[1]，分別為龍門架式和背包架式。龍門式電梯導軌分別位于轎廂兩側(cè)，具有受力均勻特點；背包式電梯導軌分別位于轎廂一側(cè)，受力中心不在轎廂導軌之間，相對轎廂導軌偏載較大。因別墅電梯井道大多占用空間不大，用戶多選擇背包式這種結(jié)構(gòu)，目的就是能夠以較小的電梯井道占用面積獲得最大電梯轎廂空間。文中主要研究背包架式電梯結(jié)構(gòu)的井架分析,解決井架有限元計算模型構(gòu)建，得到井架的最大應(yīng)力和最大變形值，驗證與設(shè)計要求是否相符。

1 工況分析

因別墅電梯的井道相對狹小，不太適用于龍門架式電梯結(jié)構(gòu)。對于此類井道，為了取得更大的有效轎廂面積，電梯廠商多選擇背包架式電梯結(jié)構(gòu)，圖1所示為背包架電梯結(jié)構(gòu)原理圖(曳引比 1:1)，能有效地提高電梯轎廂有效面積利用率。圖2為某型電梯的井道平面圖。

圖1 別墅電梯原理圖(曳引比 1:1)

圖2 井道平面圖

電梯在運行時，導軌一般受三個方向的力[2]，其中水平方向的力由運行的轎廂、轎架施加，垂直方向由機架或安全鉗施加。此文主要探討井架變形及應(yīng)力，垂直方向的力主要由導軌自身承擔，本文中對垂直方向力的計算不作討論。水平方向FX、FY定義如圖3所示。

圖3 導軌水平受力方向

對于電梯運行工況一般分兩種：一是正常運行工況，二是安全鉗動作工況。對于井架來說，必定是安全鉗動作工況對井架施力更大，沖擊強度更劇烈。考慮轎廂載重分布不同狀況，一般有兩種分布方式，見圖4。其中圖4(a)為轎廂載荷Q分布在轎廂前3/4面積區(qū)域，圖4(b)為轎廂載荷Q公布于轎廂左側(cè)3/4面積區(qū)域。這樣載荷分布方式是考慮到實際可能發(fā)生的場景。

圖4 轎廂載荷分布

背包架式電梯結(jié)構(gòu)工況分析時，所需參數(shù)如表1所列。

表1 電梯參數(shù)表

續(xù)表1 電梯參數(shù)表

安全鉗動作時，由導向力引起的FX和FY計算如下[3]：

工況1(載定載荷分布在前3/4區(qū)域，如圖4(a)所示)：

FX=3 670.1 N，F(xiàn)Y=0 N，F(xiàn)K=10 202.4 N

工況2(載定載荷分布在左3/4區(qū)域，如圖4(b)所示)：

FX=3 416.2 N，F(xiàn)Y=507.8 N，F(xiàn)K=10 202.4 N

在模型中，因曳引機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析對象亦不是曳引機本身，只是借助曳引機來施加載荷、傳遞載荷，在保證質(zhì)量、重心一致的前提下采用實體替代，連接位置、曳引輪位置與曳引機相同，對結(jié)果影響可以忽略不計。同時安全鉗對于導軌垂直向下的力FK由主要由轎廂導軌承受，此研究對象是井架應(yīng)力及變形情況，因此可以忽略此力對井架的影響。曳引機安裝底板厚度為12 mm，材料為Q235A。

導軌支架示意圖如圖5所示，其中件1、件2均為4 mm厚、材料為Q235A板折彎成，此模型忽略了折彎圓角及螺栓連接孔；件3為10 mm厚、材料為Q235A，此模型忽略與井架連接螺栓安裝孔。

其中在轎廂導軌(型號為T75)[4]的相應(yīng)位置利用SolidWorks軟件中的分割線功能，獲得轎廂導靴與導軌結(jié)合的面域，方便后續(xù)有限元分析時加載。導軌自上而下有兩處面域，其中上導靴位置如圖6所示，距離導軌頂部分別為481.5(431.5+50) mm，導靴襯長度為100 mm。下導靴位置距離導軌頂部是2181.5 mm。

井架最終模型如圖7所示，型材截面形狀如圖8所示，其相應(yīng)鋁型材截面屬性見表2所列。

圖5 導軌支架

圖6 導軌與導靴接觸面域

圖7 井架1.立柱 2.門上橫梁 3.門下橫梁 4.導軌 5.導軌支架 6.橫梁

圖8 型材截面形狀

表2 鋁型材截面屬性

2 邊界條件

根據(jù)此型電梯安裝手冊，井架頂、底及中間與墻連接位置固定；轎廂導軌、對重導軌底部固定[5]。對于多層(超過2層)電梯，各層立柱與墻體連接，以便增加井架剛度，減少變行，提高運行舒適度。如圖9所示，可見立柱頂?shù)坠?jié)點導軌底部固定約束。

圖9 井架及相關(guān)零部件邊界條件

井架及相關(guān)零部件之間采用接合約束，同時對于導軌支架、曳引機固定架與簡化為梁的鋁合金型材亦采用接合約束。

2.1 材料特性

鋁型材井架部件采用6063-T5材料，材料屬性見表3(采用SolidWorks Simulation材料庫特性值)。

表3 6063-T5屬性表

除鋁型材井架外，其余材料均為Q235A，材料特性見表4(采用SolidWorks Simulation材料庫特性值)。

表4 Q235A屬性表

2.2 結(jié)果分析

在SolidWorks Simulation中，上界軸向和折彎表示梁橫斷面最外邊的纖維具有最大應(yīng)力。軸向應(yīng)力：P/A；方向1( 即dir1)上界折彎：力矩M1所產(chǎn)生的最高彎曲應(yīng)力，即M1/W1；方向2(即dir2)上界折彎：力矩M2所產(chǎn)生的最高彎曲應(yīng)力，即M2/W2；上界軸向和折彎，如圖10所示。Solid-Works Simulation軟件通過對M1和M2所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和兩個彎曲應(yīng)力和，在每個網(wǎng)格單元的兩端計算應(yīng)力值，P/A+[(M1×I22+M2×I12)×y1+(M2×I11+M1×I21)×y2)]/(I22×I11-I12^2)，其中，Iij(i=j=1或2)是指關(guān)于各自當?shù)卣粰M梁方向1和方向2的慣性張量。

圖10 梁受力示意圖

由圖11可知，最大應(yīng)力為75.85 MPa，遠小于其鋁型材6063-T6的屈服強度145 MPa；井架安全系數(shù)最小為1.93；井架最大變形3.3 mm，也小于安全鉗動作時要求的最大變形5 mm的要求。

圖11 井架分析結(jié)果

3 結(jié) 語

別墅電梯市場競爭激烈，各個生產(chǎn)廠家替換產(chǎn)品的速度也非常快，以便適應(yīng)市場的新趨勢。文中闡述了電梯結(jié)構(gòu)，分析了電梯的不同工況，最后根據(jù)不同工況得出最危險的工況，并據(jù)此設(shè)計分析井架在此工況下的受力情況。另外相對于Ansys等軟件，SolidWorks具有一特別優(yōu)勢，在Simulation模塊中可以直接將型材轉(zhuǎn)換為梁，軟件操作方便簡潔，也是選用此軟件原因之一。背包架式電梯結(jié)構(gòu)已累計出貨上千臺，沒有接到業(yè)主關(guān)于電梯井架方面的投訴，從側(cè)面也驗證了此種分析法的正確性及可靠性，后期可應(yīng)用有限元的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化鋁型材截面，使其在不提高的成本的前提下，將井架的穩(wěn)定可靠性能提高，適應(yīng)市場激烈的競爭。