船用電梯鋼絲繩載荷分析

胡朝斌 趙意 汝黎晨

摘 要：在分析了船用電梯工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，明確了船用電梯的懸掛方案。依據(jù)電梯運(yùn)行的基本參數(shù)，結(jié)合電梯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對電梯關(guān)鍵部件鋼絲繩進(jìn)行了受力分析和計(jì)算，推理出電梯受力規(guī)律及最大載荷等，為電梯轎廂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：船用電梯；鋼絲繩；載荷

引言

船用電梯是固定安裝在船舶上為乘客、船員或其他人員使用的提升設(shè)備，它服務(wù)于規(guī)定的甲板。船用電梯不同于陸地電梯，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電氣及材料的鹽霧濕度、溫度要求、海況的橫搖、縱搖、垂蕩要求。目前我國船舶用配套電梯供應(yīng)商主要是德國LUTE、日本潮冷熱株式會(huì)社和韓國現(xiàn)代，國外廠商對船用電梯開展研究設(shè)計(jì)較早，具有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。而我國的船用電梯的設(shè)計(jì)和應(yīng)用起步較晚，主要有東南電梯股份有限公司等特種電梯制造商在研究設(shè)計(jì)。

1 船用電梯懸掛方式

課題所設(shè)計(jì)電梯圍井（寬×深）為1815×2180mm，轎廂（寬×深×高）為1050×1250×2150mm，船用電梯為船用船員電梯，載重500kg（6人），九層九站，并采用二導(dǎo)軌曳引電梯設(shè)計(jì)。

轎廂架是由上梁、兩根立梁、轎底組件和下底梁輪組件組成的封閉框架，屬于靜不定結(jié)構(gòu)，但在一般情況下轎廂架都是采用35號以下的低碳鋼軋制的型材組成，這種型材本身便具有一定的塑性；各個(gè)梁之間采用螺栓聯(lián)接，在聯(lián)接處存在微量可滑移性，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可把轎廂按靜定結(jié)構(gòu)處理，這樣可避免較大誤差，而且使計(jì)算結(jié)果更偏向于安全[1]。

上梁的受力情況與轎廂和鋼絲繩的吊掛形式有關(guān)，轎廂和鋼絲繩的吊掛形式有多種，其中比較簡單常見的有如圖1所示。從圖1中可以清楚地看出，a，b兩種形式下，當(dāng)轎廂自重及載荷相同時(shí)，鋼絲繩吊掛于上梁中間的工況（如圖1a、b所示），鋼絲繩受力最大，如圖1c中所示的吊掛形式，其受力情況要優(yōu)于a、b所示的工況，如圖1d的吊掛形式，其上梁和立梁主要起到轎廂架各構(gòu)件間聯(lián)接作用，同時(shí)為轎廂架提供了一定的剛性，其本身受力甚微。目前曳引驅(qū)動(dòng)的客梯，其轎廂與曳引鋼絲繩大多采用圖1a所示吊掛形式。但是在船用電梯中，考慮其橫傾、縱傾和垂蕩的影響，圖1d所示的懸掛方式更加合理。所以本課題選擇方式d--返繩輪下置式，作為轎廂的懸掛方式，確定曳引比為2。

圖1 電梯的懸掛方式

2 船用電梯結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

所設(shè)計(jì)電梯的主要參數(shù)：

電梯主要參數(shù)

額定載重量 Q=500kg

額定速度 v=1m/s

轎廂重量 P=655kg

對重重量 MCWT=923kg

曳引繩每米重 Msr=4×0.34=1.36kg/m

電纜每米重 Mcr=1.04kg/m

懸掛鋼絲繩轎廂側(cè)重量 MSRcar=5.7kg 轎廂在頂層

MSRcar=42.3kg 轎廂在底層

懸掛鋼絲繩對重側(cè)重量 MSRcwt=42.3kg 轎廂在頂層

MSRcwt=5.7kg 轎廂在底層

隨行電纜重量 MTrav=17kg 轎廂在頂層

MTrav=1.5kg 轎廂在底層

懸掛鋼絲繩總重量 MSRH=48kg

補(bǔ)償繩總重量 MCRH=0

曳引比 r=2

重力加速度 gn=9.81m/s2

啟制動(dòng)減速度 a1=0.5m/s2

空載上行緊急制動(dòng)加速度 a2=1.06m/s2

額定載荷下行緊急制動(dòng)加速度 a3=0.99m/s2

轎廂側(cè)滑輪的數(shù)量 ipcar=2

對重側(cè)滑輪的數(shù)量 picot=1

曳引機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg.m2 J1=2.48

轎頂輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg.m2 J1=2.48

對重輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg.m2 J1=2.48

整梯效率 ？濁=0.75

鋼絲繩繩速 V1=2m/s

3 鋼絲繩的受力分析

設(shè)計(jì)船用電梯轎廂架，除滿足陸用電梯對轎廂架的承載要求外，轎廂架結(jié)構(gòu)分析時(shí)還應(yīng)考慮船舶運(yùn)動(dòng)力。船舶運(yùn)動(dòng)力指的是船舶運(yùn)行時(shí)在海浪、風(fēng)等外界激勵(lì)下產(chǎn)生的橫搖、首搖、縱搖的運(yùn)動(dòng)力，其中橫搖、縱搖及垂蕩對船舶設(shè)備的正常運(yùn)行性能影響較大。表1為船舶運(yùn)動(dòng)的參數(shù)。除靜載情況下，考慮運(yùn)行中最影響最大的工況，滿載緊急制動(dòng)、緩沖器沖擊轎廂。表2為船舶運(yùn)動(dòng)力分力分析表。

表1 船舶運(yùn)動(dòng)的參數(shù)表

表中：■-垂線間長，m；

GM-裝載船舶的初穩(wěn)定高度，m；

B-型寬，m；

？追-取不大于8°

e-自然對數(shù)。

表2 船舶運(yùn)動(dòng)力的分力

靜載荷指船舶由于橫搖角和縱搖角引起的重力分力，動(dòng)載荷指由于船舶運(yùn)動(dòng)（橫搖、縱搖、垂蕩）引起的慣性力。

表中：y-自船中心線至起重機(jī)中心線平行于甲板的橫向距離，m；

x-自縱搖運(yùn)動(dòng)中心即縱向漂心至起重機(jī)中心線平行于甲板的縱向距離，m；

Zr-自橫搖運(yùn)動(dòng)中心即船舶的垂向重心至起重機(jī)重心的垂直距離，m；

Zp-自縱搖運(yùn)動(dòng)中心至起重機(jī)中心的垂直距離，m；

W-起重機(jī)或其部件的重力，N。

根據(jù)船級社集裝箱船圖紙要求，查出表中具體參數(shù)為：

Lpp=217.5m；y=5.5m；x=74m

用電梯及機(jī)械規(guī)定應(yīng)能在下述條件下運(yùn)行：（1）橫搖？漬在±10°以內(nèi)，周期為10s；（2）縱搖？追在±7.5°以內(nèi)，周期為10s。（2）橫搖？漬在±22.5°以內(nèi)，周期為10s；（2）縱搖？追在±7.5°以內(nèi)，周期為10s[2]。

根據(jù)表1表2的計(jì)算公式，得橫搖和垂蕩、縱搖垂蕩影響下的載荷公式分別為：[3]

（1）

（2）

通過Excel表格繪制本電梯鋼絲繩在橫搖、縱搖、垂蕩影響下的載荷如圖2、3，即承重梁的載荷。

圖2 橫搖、垂蕩，影響下的載荷（單位：N）

船舶中的電梯轎架同樣也受船舶運(yùn)動(dòng)分力的影響，根據(jù)圖3，運(yùn)行工況下（轎廂在底層上行），船舶橫搖時(shí)，橫搖角度越大，對鋼絲繩載荷越小；當(dāng)船舶縱搖時(shí)，縱搖角度時(shí)，鋼絲繩所受的載荷最大；垂蕩影響下，加大了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載，但垂蕩增力隨著橫搖以及縱搖角度增大而減小，計(jì)算轎廂架強(qiáng)度時(shí)只需要計(jì)算承受最大載荷的角度的點(diǎn)。

由圖3可以得出，當(dāng)橫搖角度？漬=0°，縱搖角度？漬=5°時(shí)與該工況下的垂蕩增力結(jié)合為整個(gè)曳引系統(tǒng)的最大合力。

4 結(jié)束語

在保證轎廂沖擊緩沖器的強(qiáng)度同時(shí)，又滿足船舶運(yùn)行中所受船舶力不破損的條件下，經(jīng)過受力分析、數(shù)據(jù)處理，得出在船舶運(yùn)行工況下，當(dāng)橫搖、縱搖達(dá)到一定角度時(shí)，橫搖力、縱搖力以及垂蕩增力的合力會(huì)達(dá)到搖曳系統(tǒng)的最大值。為后續(xù)電梯轎廂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙 .客梯轎廂架強(qiáng)度計(jì)算[J].科技信息，2008（12）：264-265.

[2]中國船級社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范（2007）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]肖永恒.電梯轎架強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：48-51.

作者簡介：胡朝斌（1980-），男，漢族，安徽安慶人，常熟理工學(xué)院講師，碩士，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)CIMS所，同濟(jì)大學(xué)在讀博士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)和數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)。