基于SolidWorks的電梯檢驗運載機器人承重板有限元分析

伍 磊，騰 凱，徐黃鎮

(湖州市特種設備檢測研究院，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷推進，大量高樓建筑拔地而起，電梯作為人們穿梭于樓宇之間的交通工具，近期電梯沖頂或蹲底事故頻發，其安全性越來越受到大家的關注，造成大家強烈的恐懼心理，不利于電梯行業的快速穩定發展。為了保障了電梯安全穩定的運行，對電梯進行承載性能檢驗檢測是非常必要的。但目前電梯檢驗面臨任務重、危險性高、人工效率低等問題。

長期以來人們一直致力于如何將更多的物品更安全、快速地運送到目的地的研究，并創造了種類繁多的運載機器人。運載機器人的移動方式有輪式、履帶式、多足式、輪履復合式等[1]。由于此次實驗路面情況復雜，受載強度大，因此在文中的砝碼運載機器人的行走機構選用具有負荷行走能力大、抗干擾能力強等優點的履帶式行走機構。

SolidWorks是具有友好的用戶界面和較高的市場占有率、廣泛應用于各大機械非標設計公司和高校的基于Windows開發的軟件。Simulation是SolidWorks開發的一款有限元分析工具軟件，它的功能非常強大，提供了多種計算與分析工具，具有應力計算與分析、應變計算與分析、產品設計及優化、線性與非線性分析等功能，從而能對比較復雜的零配件計算、測試與分析[2]。作為一款嵌入式分析軟件，它還可以與SolidWorks無縫集成，非常方便。在產品概念設計階段，運用Simulation對產品結構分析，可迅速獲得相應的計算分析結果，極大地降低了時間成本，提高產品的生產速度，從而使企業獲取更大的利潤。

1 模型建立

1.1 運載機器人模型建立

運載機器人其主要結構由驅動機構和承重機構兩部分組成：驅動機構基于DSP控制技術，采用線控與遙控相結合的控制方式[3]，由鋰電池供電，通過兩個直流無刷電機動作驅動行走機構移動；承重機構上部留有凸起的固定凸塊為砝碼塊的平穩堆放提供固定支撐，同時保障運載機器人整機加砝碼塊的質量達到電梯規定承重測驗要求，圖1為運載機器人三維模型圖。

由于實際電梯的通道和電梯門的限制，最窄處為800 mm，要保障正常地電梯進出，所以運載機器人整體結構尺寸設計不宜過大，避免和電梯門框發生碰撞、干涉。因此設計該運載機器人的長為1 200 mm，寬為700 mm，高為500 mm。

圖1 運載機器人三維模型圖

1.2 運載砝碼結構設計

運載機器人自重已達650 kg，根據電梯曳引能力檢測時的最大測試載荷確定運載機器人的總質量為1.25 t。為滿足待測電梯載荷達到最大極限承重，需要設計運載砝碼組合配重達600 kg。

考慮便攜式拆裝、重復使用和便于搬運等因素，根據電梯曳引能力檢測時各個測試載荷的大小，確定運載碼垛機器人載荷加載的最佳配置方案，通過設計，為減少砝碼體積，提高了砝碼材料的密度，選用鉛作為砝碼的材料；并通過三維設計軟件，設計了砝碼的形狀和尺寸，如圖2。確保單個砝碼的質量為25 kg，共24塊，其兩列兩排堆放組成砝碼堆，如圖3。

圖2 砝碼尺寸圖

圖3 砝碼堆整體運載圖

在運載機器人碼垛過程中，為了保障機器人運行的安全和平穩，避免砝碼塊的滾落，對砝碼進行機械結構的配合設計，每塊砝碼上部左右兩邊，留有兩處圓柱型凸塊并倒圓角；下部相對應兩處留有配合凹槽，砝碼細節結構如圖4、5。借助傳統式凹凸槽機械配合，保證了砝碼堆的穩定搬運。

圖4 砝碼頂部 圖5 砝碼底部

2 有限元分析

當該運載機器人進行定量砝碼搬運工作時，其承載砝碼堆的承重板所受應力最大，也最為重要，其材料的選型、尺寸的大小與所受應力的關系密不可分，應力強度的分析是保障整個運載過程的安全可靠的關鍵。因此對承重板進行有限元計算必不可少，便于優化后續的加工制造。

2.1 建立數學模型

設計的幾何模型被適當的有限單元劃分是重要的一環，其中一些極小的孔、倒圓、倒角等特征，幾乎不會影響結構分析，對于這些特征可以采取理想化、消除細節或刪除等方法進一步簡化幾何模型[4]。設計承重板的整體結構尺寸為1 200 mm×430 mm×25 mm，在其下方有前后兩處由立板固定，借此作為承重板的固定約束，配置材料屬性為碳素結構鋼Q235A，其彈性模量為212 GPa，泊松比為0.288，屈服強度為235 MPa，質量密度為7 860 kg/m3，作用載荷為6000 N均布在承重板上方，如圖6所示。

圖6 承重板固定約束和作用載荷圖

2.2 有限元模型求解

在三維數字模型的基礎上，借助SolidWorks Simulation模塊的靜應力分析模組，求解得到應力計算結果如圖7、8所示。

圖7 應力云圖 圖8 位移云圖

由上述有限元計算結果可得，承重板最大應力為14.44 MPa遠小于鋼材的屈服強度235 MPa，最大位移為0.256 mm，故承重板應力滿足材料應力要求。

2.3 固有頻率求解

為防止運載機器人驅動系統和承重機構產生共振造成安全隱患，需計算承重板固有頻率，借助SolidWorks Simulation模塊的頻率分析模組，獲得前五階固有頻率結果如表1所列。

表1 固有頻率 /Hz

由上述有限元計算結果可得，其前五階固有頻率分別為96.097 Hz、193.98 Hz、263.27 Hz、423.58 Hz和517.17 Hz，在運載機器人作業時，應該避免這些振動頻率，以防共振頻率的產生，造成作業事故和人員傷害。

3 結 語

為了解決目前電梯檢驗任務重、安全性低、人工效率低等問題，文中設計了電梯檢驗運載機器人，巧妙的設計了帶有凹凸結構配合的砝碼堆組合。最后借助SolidWorks Simulation模塊對運載機器人的砝碼承重板進行有限元分析，獲得應力云圖和前五階固有頻率，分析可得其最大應力滿足材料應力要求，在運載作業時，應該避免這些固有頻率，以防共振危害的產生。