在電梯行業中橡膠彈簧組有限元分析方法

摘 要:論述了一種結合橡膠彈簧表觀彈性模量的計算方法和利用有限元軟件Simulation2009分析的方法，研究了在較為復雜的情況下，確定橡膠彈簧組的近似彈性模量，從而確定其變形量的方法。通過實驗更驗證了該方法的可靠性。

關鍵詞:電梯行業;橡膠彈簧組;有限元分析

中圖分類號:TB 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)06-0305-01

0 前言

橡膠彈簧組在電梯的機械結構方面應用十分廣泛，例如曳引機底座與建筑物之間間接影響乘客舒適感的減震連接，還有電梯轎廂和轎架之間的直接影響乘客舒適感的彈性連接等。橡膠彈簧相比于鋼制彈簧具有形狀的設計不受限制;彈性模量比較小，易產生較大的非線性變形;高內阻，對沖擊和高頻振動吸收好等優點，但是由于橡膠彈簧使用的是粘-彈性材料，力學性能比較復雜，精確計算它的彈性模量比較困難，如果是多個橡膠彈簧組合使用那計算起來就更加困難了。因此，如果有一種分析橡膠彈簧組特性的方法就尤為必要了。

1 分析方法的原理

下面本文將要介紹一種新的計算方法來綜合分析多個橡膠彈簧組合時的受力變形情況，那就是通過理論計算不同截面橡膠的表觀彈性模量，將其乘以一個經驗系數得到近似的橡膠彈性模量E，并賦值進入有限元軟件進行分析，得出接近于實際情況的變形量。最終通過微調各處橡膠彈簧的硬度或微調他們的安裝位置，改變他們的變形量使其相等，實現減震的同時，讓電梯運行更加平穩。

2 分析方法的舉例

結合橡膠彈簧表觀彈性模量的計算方法和Simulation2009這款有限元分析軟件，我們以轎廂和轎架接口處的減震矩形橡膠彈簧組舉例說明。

下面將該彈簧組中的某一處橡膠彈簧簡化出來，該橡膠彈簧的參數為:長a=120mm;寬b=46mm;高h=48mm;橡膠彈簧邵氏硬度HS=48;受正壓力為F=1078N，則:

計算形狀系數s為

S=ab2(a+b)h=120×462×(120+46)×48=0.346(1)

計算過程變量m為

m=10.7-0.098HS=10.7-0.098×48=5.996(2)

計算壓縮影響系數為

i=11+ba4+2ba+0.561+ba2ms2=11+461204+2×46120+0.56×1+461202×5.996×0.3462=4.002 (3)

計算橡膠彈簧的表觀切變模量Ga(MPa)為

Ga=0.117e0.034HS=0.117e0.034×48=0.598(4)

計算橡膠彈簧的表觀彈性模量Ea(MPa)為

Ea=i×Ga=4.002×0.598=0.393(5)

計算理論變形量f(mm)為

f=FhEaab=1078×482.393×120×46=3.917(6)

至此，該橡膠彈簧的理論變形量計算完畢，但由于是多個橡膠彈簧組合在一起，單純的計算不能反映出整體變形情況，因此需要將所有橡膠彈簧均建模進行整體有限元分析，這里就需要一個經驗系數，將不同截面和不同硬度的橡膠表觀彈性模量轉化為有限元中的橡膠實體彈性模量。

方法如下:將上式中的f值記錄，然后建立一個實體，材質賦為橡膠，尺寸如例中所示，如圖1。

中間的夾層就是橡膠彈簧簡化模型，上下的兩層為硫化鋼板，材質賦為普通碳鋼，它的變形不做考慮，僅作為接近實際工況的中間量考慮。

按默認的橡膠彈性模量用有限元分析軟件計算出變形量，然后通過不斷自定義修改橡膠的彈性模量來改變分析出來的值，最終使

f1=f(7)

此時橡膠彈簧的變形是3.912mm，接近于3.917mm，如圖2。

記錄此時的新的橡膠彈性模量(X)MPa，經過多次賦值和多次的模型分析，總結出一個近似經驗系數1.413，即

Ea=1.413E(8)

此處需要說明的是，由于建模后大家所采用的有限元分析軟件不同，所取的劃分網格大小也不同，最終得出的新的橡膠彈性模量也不盡相同，本文中使用的是Simulation2009這款有限元分析軟件，網格劃分均是按軟件默認，得出了如上的經驗系數。如果使用的是Cosmos2008有限元分析軟件，按照默認網格劃分則該系數變為了1.083，但如果對單個橡膠彈簧分析和對橡膠彈簧組的整體建模分析，只要均采用同一種軟件，則對最終結果不會產生影響。

將組中各個橡膠彈簧的彈性模量均按照上述的近似值(X)來自定義賦值，再次經過所受合力的作用，分析后就可得到如本文開始所述的實際所需變形值了。另外如果橡膠彈簧組中的所有單體的截面形狀不一致，那么需要按不同截面形狀分別推導出該截面的系數，例如圓形和矩形的系數是不一致的。然后再進行微調等工作，本文不再贅述。

以上計算是僅考慮橡膠彈簧在受壓的情況下，產生減震和抗沖擊效果，在實際應用中應根據所用的計算規則，靈活掌握，切不可生搬硬套。

3 結論

通過理論分析計算和實驗室的多次實驗得出如下結論:

(1)經過實際電梯運行實驗的檢測，上述方法得出的橡膠彈簧組理論計算變形情況與實測基本符合。

(2)橡膠彈簧組的整體有限元分析可以通過單體的分析進而推導出一個經驗系數，最終帶入到整體，實現由微觀到宏觀的分析理念。

(3)使得我們在理論設計中又多了一種新的可靠、簡便的方法，讓計算電梯中的橡膠彈簧組變形變得輕松、高效。