擔(dān)架電梯轎架的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

丁紡紡， 李勛

（1.西子孚信科技有限公司，杭州310022；2.萬向錢潮傳動軸有限公司，杭州311200）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的增長以及人們生活水平的提高，擔(dān)架梯這種用于輸送擔(dān)架的電梯，已經(jīng)不僅僅局限于大多數(shù)醫(yī)院的配置中，越來越多的住宅區(qū)也增加了擔(dān)架梯的配備以備不時之需。隨著擔(dān)架梯需求量的日益增長，對電梯產(chǎn)品質(zhì)量的要求也相應(yīng)提高。與普通電梯相比，此類電梯更注重安全性與舒適度的指標(biāo)，因此對電梯結(jié)構(gòu)的強度和剛度的要求更高。

本文從實際設(shè)計要求的擔(dān)架梯出發(fā)，建立與實際擔(dān)架梯結(jié)構(gòu)相符的實體模型，對轎架模型進(jìn)行有限元分析，并針對分析結(jié)果提出改進(jìn)建議，對轎架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到擔(dān)架梯設(shè)計要求。通過本次有限元［2］分析計算，保證了擔(dān)架梯結(jié)構(gòu)的安全與合理性，同時節(jié)約了設(shè)計成本，為以后擔(dān)架梯結(jié)構(gòu)設(shè)計積累了經(jīng)驗。

1 擔(dān)架梯轎架模型

由于組成電梯整梯的零部件較多、電梯結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，從而在對電梯整梯進(jìn)行有限元分析時無法將所有因素考慮進(jìn)去，因此在針對電梯整梯進(jìn)行有限元分析時，在不影響電梯整梯強度和剛度的前提下，對電梯結(jié)構(gòu)中的部分組件進(jìn)行必要的簡化和合理的假設(shè)，既可以減少有限元分析的計算量，又能真實地反映電梯在實際工況下的受力情況。

轎廂是電梯的主要部件，是容納乘客或貨物的裝置。電梯轎廂工作運行時的主要承重結(jié)構(gòu)即為轎架，因此在對電梯轎廂進(jìn)行實體建模的過程中，需包含轎架的如下主要承重結(jié)構(gòu)：上梁、直梁、平臺和托架等組件［3］。該模型與實際模型相比，對電梯轎廂中非主要承重結(jié)構(gòu)如轎壁、轎頂、門機等部件進(jìn)行了簡化，將這些已簡化部件的重量以均布載荷的形式施加在轎廂的轎底板上面。

有限元分析對象中，擔(dān)架梯的設(shè)計要求承載重量為1 t，轎廂內(nèi)部有效空間為1.1 m×2.11 m×2.3 m。

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分及材料屬性定義

利用SolidWorks三維軟件對轎架進(jìn)行實體建模，然后導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS-Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立轎架的有限元分析模型。轎架的有限元模型共包含96個組件，被劃分為382509個單元，776352個節(jié)點。

按照設(shè)計要求，設(shè)計中轎廂架構(gòu)成組件的材料均為結(jié)構(gòu)鋼Q235。轎架的有限元模型中將Q235的材料屬性定義如下：彈性模量為2.0×1011Pa，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3。

2.2 施加載荷及約束的處理

2.2.1 載荷

轎架在實際運行中所承受載荷包括三部分：1）轎架三維模型中組件自重F1；2）電梯轎廂中除轎架外組件的重量，如轎壁、轎頂、門機等部件的重量F2；3）轎廂運行中乘客或貨物的載重量F3。轎架的運行工況一般包括均載和偏載兩種情況，為了轎架的安全起見，計算按照最危險的3/4偏載的工況來進(jìn)行。

本次的擔(dān)架梯設(shè)計中要求電梯自重P=1.5 t，載重量Q=1 t。其中載重Q=1 t施加在轎底板3/4的面積上。自重P分為兩部分：轎架的自重以密度和重力加速度的方式施加，轎廂中除轎架外的組件重量去1.1 t施加在轎架的轎底板上。其中自重和載重載荷方向均為面向轎底平臺的垂直方向。

2.2.2 約束

1）轎架中上梁與轎頂輪相連接的孔用于固定整個轎架結(jié)構(gòu)。

2）轎廂各部件之間的連接均為螺栓緊固連接，為便于分析，將螺栓緊固連接簡化為剛性接觸。但是在實際轎架結(jié)構(gòu)中各組件之間極少采用焊接，基本都采用螺栓緊固連接，因此要求在實際轎架安裝過程中必須保證螺栓連接緊固，以防止面與面之間的滑動導(dǎo)致連接的破壞。

3）安裝在上梁和托架上的2對導(dǎo)靴與兩側(cè)井道中的導(dǎo)軌相配合，電梯運行過程中依賴2對導(dǎo)靴沿導(dǎo)軌上下運動，實際運行中導(dǎo)靴在電梯X和Z方向均與導(dǎo)軌有一定的間隙，一方面保證電梯運行平穩(wěn)又不至于導(dǎo)靴靴襯過度磨損。在轎廂架的有限元分析模型中簡化該接觸情況，對導(dǎo)靴在X和Z方向的位移進(jìn)行約束，僅在導(dǎo)軌方向有自由位移來處理。

3 有限元分析結(jié)果

擔(dān)架梯轎架的有限元分析利用ANSYSWorkbench中計算完成。輸出結(jié)果為轎架的等效應(yīng)力云圖和整體變形云圖，分別針對整個轎架在運行中的強度和剛度進(jìn)行校核。

在以上有限元模型及施加載荷和約束的基礎(chǔ)上，初始分析計算結(jié)果如圖1和圖2所示。分析對象擔(dān)架梯轎架的材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235。對于塑性材料而言可以忽略應(yīng)力云圖中由于零件的幾何形狀所引起的應(yīng)力集中［4］，因此由圖1中等效應(yīng)力分布云圖可知，該轎架的最大應(yīng)力為100 MPa，安全系數(shù)為2.35；由圖2中的整體變形分布云圖看出，轎架的最大變形為3.92 mm。

圖1 等效應(yīng)力分布云圖

圖2 整體變形分布云圖

圖3 應(yīng)力計算結(jié)果

圖4 變形計算結(jié)果

從圖中容易看出，該轎架的最大變形部位出現(xiàn)在轎架平臺轎底板的中間位置，結(jié)合電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5］、電梯運行中的舒適度要求以及電梯有限元分析經(jīng)驗考慮，一般要求電梯在3/4偏載工況條件下，轎架平臺的安全系數(shù)大于2.5，最大變形不超過3 mm。因此需要對該轎架結(jié)構(gòu)的平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，考慮到最佳改進(jìn)效果和成本效益，選擇把平臺的轎底板加厚0.5 mm（由原來的2.5 mm增加至3.0 mm），平臺的加強筋增加1 mm（由原來的2.0 mm增加至3.0 mm）。

對改進(jìn)后的轎架模型做進(jìn)一步有限元分析，應(yīng)力和變形計算結(jié)果分別見圖3和圖4。由兩圖的分析結(jié)果可知，改進(jìn)后轎架的最大應(yīng)力80 MPa，安全系數(shù)為2.94；最大變形為2.8 mm，由本次分析結(jié)果來看，改進(jìn)后在強度和剛度方面滿足需要，因此可以判定該轎架的改進(jìn)結(jié)構(gòu)已基本達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)語

本次擔(dān)架梯的有限元分析，首先通過在三維制圖軟件中建立轎架實體模型，然后導(dǎo)入有限元分析軟件中，對擔(dān)架梯的剛度和強度進(jìn)行靜力學(xué)性能分析，并在初步轎架模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上提出更改建議，對優(yōu)化模型重新分析，使得改進(jìn)后的轎架最終滿足設(shè)計要求。整個有限元分析的目標(biāo)旨在保證整個轎架結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全及合理，在大大提升設(shè)計準(zhǔn)確度的同時，降低了生產(chǎn)成本，減少了風(fēng)險和成本浪費。

［1］ 張洪才.有限元分析：ANSYS13.0從入門到實戰(zhàn)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［3］ 李秧耕，何喬治，何峰峰.電梯基本原理及安裝維修全書［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［4］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］ GB7588-2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范［S］.