安全鉗提拉機(jī)構(gòu)的提拉力解算研究*

2020-11-18 23:19:36趙海燕

機(jī)械研究與應(yīng)用 2020年5期

關(guān)鍵詞：電梯動作

趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇蘇州 21500)

0 引言

電梯作為特種設(shè)備與我們?nèi)粘Ｉ钫找婷芮邢嚓P(guān)，因此對于電梯的安全性能要求也越來越高。安全鉗制動系統(tǒng)作為電梯安全的重要子系統(tǒng)，其安全鉗制動系統(tǒng)的有效動作是重中之重。在實際工程中，安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)誤動作、不動作的情況時有發(fā)生，原因各有不同，其中安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計占有很大一部分原因。

筆者以某一企業(yè)實際產(chǎn)品為模型，探討安全鉗提拉機(jī)構(gòu)提拉力與提升高度，彈簧產(chǎn)生的拉力因素之間的關(guān)系，借助Excel的VBA工具，篩選出不同提高度與不同彈簧拉力之間最佳的配合數(shù)據(jù)。

1 限速器安全鉗工作原理

圖1為電梯限速器(傳統(tǒng)型)系統(tǒng)原理圖[1]，圖中：Jgov.為限速器輪的轉(zhuǎn)動慣量；Jten.為張緊輪轉(zhuǎn)動慣量；Mrope.為限速器鋼絲繩質(zhì)量；Fgov.為限速器系統(tǒng)慣性力；a.電梯正常起動、制停加速度。限速器安裝在井道頂部或機(jī)房中，通過鋼絲繩與轎廂的安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)接。當(dāng)電梯速度超過額定速度115%時[2]，限速器發(fā)出電信號，切斷電梯安全回路，曳引機(jī)斷電抱閘，致使電梯減速，若電梯速度繼續(xù)升高，觸發(fā)限速器機(jī)械動作，夾緊鋼絲繩。當(dāng)轎廂下降時，鋼絲繩拉動安全鉗觸發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)作，使安全鉗對電梯導(dǎo)軌產(chǎn)生摩擦力，將轎廂迅速制動在導(dǎo)軌上，電梯轎廂停止運(yùn)動。電梯的張緊裝置(安裝于電梯井道底部)提供鋼絲繩張力，保證限速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 電梯限速器系統(tǒng)原理圖

圖2為某公司安全鉗的提拉機(jī)構(gòu)模型[3]，圖示為下置式提拉機(jī)構(gòu)，轎托是用來安裝轎廂的托架；成型角鋼用來連接轎架直梁和安裝彈簧；旋轉(zhuǎn)桿與安全鉗鍥塊、限速器鋼絲繩、聯(lián)動桿連接。限速器機(jī)械動作時，鋼絲繩拉動旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)桿帶動安全鉗鍥塊，夾緊電梯導(dǎo)軌。聯(lián)動桿是為了保證左右兩個安全鉗動作協(xié)調(diào)一致，確保轎廂兩側(cè)的安全鉗同步夾緊電梯導(dǎo)軌。彈簧是為了提供反作用力，電梯正常起停時不致于觸發(fā)安全鉗提拉機(jī)構(gòu)誤動作，引發(fā)安全事故。

圖2 安全鉗提拉機(jī)構(gòu)

2 安全鉗提拉機(jī)構(gòu)計算

轎廂正常起動制停時，安全鉗提拉機(jī)構(gòu)能保證不產(chǎn)生誤動作，這個需要安全鉗提拉機(jī)構(gòu)提供反制限速器系統(tǒng)的慣性力。如圖1(b)，Jgov為限速器輪的轉(zhuǎn)動慣量，Jten為張緊輪轉(zhuǎn)動慣量，Mrope為限速器鋼絲繩質(zhì)量，此數(shù)據(jù)與電梯的提升高度相關(guān)，R為限速器輪和張緊裝置輪的半徑，此兩輪半徑相等。Fgov為限速器系統(tǒng)慣性力，由此可得下列等式[4]：

(1)

關(guān)于電梯正常起動、制停加速度a的取值，大多數(shù)電梯公司取0.5～0.6 g，但設(shè)計時會留有一定安全余量，一般最大值可為0.8 g，因此計算時可取a為0.8 g。

限速器鋼絲繩質(zhì)量Mrope與電梯的提升高度相關(guān)，同時與電梯井道的頂層高度與底坑深度亦有關(guān)聯(lián)：

Mrope=2×(R+K+S+2πR)×ρrope

(2)

式中：R為電梯的提升高度；K為電梯井道的頂層高度S為電梯井道的底坑深度；ρrope為鋼絲繩密度。

圖3所示為安全鉗提拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，初始狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)桿角度α為17.06°，安全鉗動作時，旋轉(zhuǎn)桿角度α為5.13°。

圖3 提拉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

單個彈簧在初始狀態(tài)產(chǎn)生的垂直方向的拉力為Fspring1=41.3 N，安全鉗動作時產(chǎn)生的垂直方向拉力為Fspring2=101.4 N(此處因涉及到彈簧安裝角度、多個零件尺寸及彈簧剛度等參數(shù)，略過計算過程直接引用結(jié)果數(shù)據(jù))。

單個安全鉗鍥塊的質(zhì)量Msafety=2.44 kg，提拉機(jī)構(gòu)摩擦力Ffr=40 N，此值在限速器鋼線繩連接處測量，方向為垂直方向。此值會因聯(lián)動桿長短有少許變化，但對整個機(jī)構(gòu)影響較小，可以忽略不計。

根據(jù)圖4旋轉(zhuǎn)桿所示尺寸，可以得到限速器鋼絲繩位置的拉力為：

圖4 旋轉(zhuǎn)桿尺寸圖

Fpull1=(2×Fspring1×171×cosα+2×Msafety×244.3×cosα×a)÷(70×cosα)+Ffr

(3)

式中：Fpull1為限速器鋼絲繩拉力；Fspring1為彈簧在初始狀態(tài)產(chǎn)生的拉力；Msafety為單個安全鉗鍥塊的質(zhì)量；Ffr為摩擦力；α為旋轉(zhuǎn)桿角度。

此外，安全鉗鍥塊作用在旋轉(zhuǎn)桿上點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)中心線距離為244.3 mm。

同樣，彈簧在安全鉗動作時的拉力、安全鉗鍥塊、摩擦力折算到限速器鋼絲繩位置的力為：

Fpull2=(2×Fspring2×171×cosα+2×Msafety×241.5×cosα×a)÷(70×cosα)+Ffr

(4)

此時，安全鉗鍥塊作用在旋轉(zhuǎn)桿上點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)中心線距離為241.5 mm。

圖5 旋轉(zhuǎn)桿受力圖

查詢限速器產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可得其最小提拉力PTF為1 820 N。

3 安全鉗提拉機(jī)構(gòu)驗證

在國標(biāo)[5]中規(guī)定：限速器動作時，限速器繩的張力不得小于以下兩個值的較大值：①安全鉗起作用所需力的兩倍；②300 N。

因此，安全鉗提拉機(jī)構(gòu)合格的條件必須符合兩個條件：限速器慣性力Fgov

表1 計算數(shù)據(jù)

限速器慣性力Fgov因與提升高度R密切相關(guān)，在其它參數(shù)不變的情況下(其它數(shù)據(jù)參見表1)，R從3 m到140 m，計算不同R所對應(yīng)的Fgov。由圖6可知，隨著提升高度R的增加，限速器慣性力Fgov亦增加，提升高度127 m其對應(yīng)的限速器慣性力Fgov為328.1 N，已大于Fpull1，說明此安全鉗提拉機(jī)構(gòu)已不能克服限速器系統(tǒng)的慣性力，存在安全鉗誤動作的風(fēng)險，此型安全鉗提拉機(jī)構(gòu)最大理論提升高度不能超過127 m。如果再考慮到限速器鋼絲繩的彈性等其它因素，此值還得往下調(diào)。

圖6 提升高度-Fgov

此型安全鉗提拉機(jī)構(gòu)彈簧的安裝位置是不可調(diào)整的，如果改為可調(diào)整，只需將圖2中成型角鋼彈簧安裝座由圓孔改為長腰孔即可。同理，我們亦可以驗證不同提升高度，不同彈簧調(diào)整值是否符合設(shè)計要求。此安全鉗選用彈簧的剛度是1.76 N/mm，自由長度是106 mm，最大拉伸長度是176 mm。Fspring1的取值范圍1.76～105.6 N，由表1可以看出，對應(yīng)的安全鉗動作時彈簧拉力Fspring2的值比彈簧初始拉力Fspring1大60.1N(此處忽略彈簧安裝角度影響)。通過Excel VBA[6]分析計算不同提升高度與不同彈簧調(diào)整值時的彈簧初始拉力Fpull1和安全鉗動作時彈簧拉力Fpull2，同時還得滿足限速器慣性力Fgov

圖7 為Excel VBA部分程序界面

圖8 彈簧拉長與提升高度關(guān)系

據(jù)圖8可知，當(dāng)提升高度是60 m，彈簧的最小預(yù)拉伸范圍是1～51 mm。參照彈簧的技術(shù)條件：最大拉伸長度是176～106=70 mm，彈簧的最小拉伸長度是10 mm，安全鉗鍥塊的提升行程為50 mm，可以得到彈簧最小預(yù)拉伸長度為10～20 mm。這里沒有考慮到彈簧剛度誤差的影響，業(yè)者可根據(jù)實際產(chǎn)品精度具體考慮。圖6與圖8的原始數(shù)據(jù)因采用Excel VBA計算，數(shù)據(jù)量太大，不便展示，僅用圖表展示部分?jǐn)?shù)據(jù)。

4 結(jié) 語