升降機(jī)的安全保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

宮曉凱

施工升降機(jī)又稱建筑施工電梯，主要由四部分組成，分別是導(dǎo)軌架、附墻架、吊盤和安全機(jī)構(gòu)。為了使乘坐升降機(jī)比較舒適和安全，一般都使用的是吊盤式結(jié)構(gòu)。施工升降機(jī)的額定承載重量一般為1~3 t，運(yùn)行速度為1~60 m/min.安全裝置是升降機(jī)最重要的部件，一般安裝在吊盤或者是對(duì)重框架上。由于安全裝置長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)發(fā)生疲勞或者磨損等引起功能失效或者不能提供足夠大的制動(dòng)力，所以當(dāng)施工升降機(jī)發(fā)生斷繩、沖頂或墜落時(shí)，成員的生命安全得不到保障。由此，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的升降機(jī)安全保護(hù)裝置[1]。

1 安全保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)及其工作原理

圖1表示的是升降機(jī)安全保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要是有電機(jī)和力矩放大機(jī)構(gòu)組成。電機(jī)1用緊固件與電機(jī)支架3相連，導(dǎo)向裝置5和電機(jī)支架3與底座1相連。角鋼8通過(guò)導(dǎo)向軸4夾子2相連，摩擦材料9粘接在夾子2上。安全保護(hù)裝置安裝在安全鉗或者對(duì)重框架上。吊盤正常工作時(shí)，夾軌器是不工作的，當(dāng)?shù)醣P出現(xiàn)急速下墜或者沖頂時(shí)夾軌器開始工作。其工作原理是當(dāng)?shù)醣P出現(xiàn)異常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)7將會(huì)向后拉動(dòng)角鋼8，在連桿6的帶動(dòng)下，夾子2沿著導(dǎo)向裝置5做水平方向移動(dòng)，直至將導(dǎo)軌夾住。即使安全鉗出現(xiàn)失效或者不能提供足夠大的制動(dòng)力時(shí)，安全保護(hù)裝置也會(huì)很好地保護(hù)工作人員的安全。

圖1 安全保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 安全保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析

當(dāng)安全保護(hù)裝置工作時(shí)，會(huì)受到導(dǎo)軌面給它的摩擦力。當(dāng)安全保護(hù)裝置的夾子給導(dǎo)軌的正壓力最大時(shí)，導(dǎo)軌給它的摩擦力最大（安裝示意圖2所示），為此在此情況下，校核該機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)。表1顯示的是各種工況下，能夠使吊盤制停的制停力[2]。

圖2 安裝示意圖

表1 吊盤需要的制停力

從表1可以看到危險(xiǎn)的工況是發(fā)生在吊盤自由墜落時(shí)，此時(shí)需要的安全保護(hù)裝置需要提供Fmax=10 kN的制停力。通過(guò)第2節(jié)對(duì)安全裝置結(jié)構(gòu)的了解，知道導(dǎo)向軸是最薄弱的環(huán)節(jié)，而其受到的是剪切力。如圖3所示。

圖3 受力分析

導(dǎo)向軸的材料為40cr，直徑為10.

許用剪切應(yīng)力[τ]=211 MPa，τ=Fs/A=10 000/π25 MPa=127 MPa，τ =127 MPa<[τ]=211 MPa.

從計(jì)算結(jié)果可以得出，導(dǎo)向軸在工作時(shí)的剪切應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，所以此機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度是滿足要求的[3]。

3 夾軌裝置上摩擦材料的拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化可以幫助設(shè)計(jì)工程師在做研發(fā)階段時(shí)，將很多不確定因素有一個(gè)很好的把控，從而在設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品上，用料最少，性能最佳。在做拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，首先將模型從熟悉的三維軟件中（Pro/e）轉(zhuǎn)化成.X_T格式或者自己比較熟悉的格式，導(dǎo)入到有限元workbench中。然后在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)模塊，在選擇拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算方法上，可以設(shè)置將材料減少百分之十五。對(duì)于摩擦材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)果可參考圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)圖4的形狀，可以清晰的看到，黑色部分是可以移除的材料，所以根據(jù)圖4重新設(shè)計(jì)了摩擦塊的形狀圖5所示。可以將摩擦材料的表面形狀設(shè)計(jì)成齒狀，這樣既滿足了要求又節(jié)省了成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于目前高層建筑不斷涌現(xiàn)，增加了對(duì)升降機(jī)的需求，但升降機(jī)的安全性能不能完全保障。本文分別從結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)上分析了新型的安全保護(hù)裝置，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了描述，得到了比較理想的結(jié)果。

[1]張玲玲，秦小嶼.基于ANSYS的施工升降機(jī)安全鉗楔塊分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（5）：97-100.

[2]唐友剛.高等機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版，2002.

[3]秦 榮．計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.