電梯油壓緩沖器的安全性設(shè)計分析

董 旭

（山西焦煤集團有限責(zé)任公司官地煤礦， 山西 太原 030022）

引言

電梯是當(dāng)前人們生產(chǎn)和生活中必不可少的工具，盡管電梯的制造技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，但是人們關(guān)注更多的是電梯的安全問題。由于電梯作為一種特種設(shè)備存在一定的危險性，因此，對電梯各個關(guān)鍵部件的安全性分析尤為重要，并從電梯各個部件設(shè)計、制造、安裝以及檢修等環(huán)節(jié)中提出嚴格的要求，為保證電梯的安全運行奠定基礎(chǔ)[1]。一般電梯的安全部件主要包括有對上行超速保護、下行超速保護以及蹲底后發(fā)揮緩沖作用的緩沖器。本文將以時速為3 m/s 的高速電梯的油壓緩沖器的安全性進行分析，為其后續(xù)的選型和機械性能測試提供依據(jù)。

1 高速電梯及安全部件概述

根據(jù)GB/T 7024—2008 的標(biāo)準規(guī)定，電梯屬于服務(wù)于規(guī)定樓層的固定式升降設(shè)備，其用于乘客出入和貨物卸載。電梯屬于八大特種設(shè)備之一，可通過電梯的不同用途、不同拖拽方式、不通過級別的提升速度以及不同的控制方式對其進行分類。一般情況下，電梯的提升速度低于2.5 m/s，且該等級提升速度下電梯的技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟[2]。電梯同樣也是一款機電一體化的復(fù)雜產(chǎn)品，從大類上可分為機械、液壓和電氣三大部分；從組成上可將電梯系統(tǒng)分為機房、轎廂、層站和井道底坑等組成。

本文重點研究對象為高速電梯，高速電梯的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，高速電梯在基本大類上與普通電梯相同；二者之間的差異主要體現(xiàn)如下：高速電梯與一般的普通電梯不同，其主要通過無齒輪傳動；安全鉗的類型為漸進式；通過滾動導(dǎo)靴減少其在高速運行下的磨損；具有兩套液壓緩沖器對整個設(shè)備進行安全保護。

圖1 高速電梯結(jié)構(gòu)框圖

電梯安全問題一直以來備受關(guān)注，最起碼的上行超限保護、下限超限保護為基本功能。一般的電梯的安全部件主要包括有限速器、安全鉗、制動器和緩沖器。

限速器的主要作用是保證電梯在不超過額定速度115%的速度下方可運行，一般的限速器均配有一定的張緊裝置和導(dǎo)向裝置；安全鉗的主要作用是當(dāng)電梯處于超速運行或鋼絲繩出現(xiàn)打滑、松弛、斷裂的情況時，安全鉗能夠通過摩擦作用將轎廂停止在導(dǎo)軌上；制動器的主要作用是將為電梯提供動力的電機斷電，從而實現(xiàn)電梯的減速制動功能；緩沖器的主要作用是當(dāng)安全鉗制動失效后、制動器制動力不夠或者拽引機出現(xiàn)機械故障時，緩沖器對轎廂起到緩沖保護作用，從而防止轎廂與井道底相撞[3]；油壓緩沖器為對電梯的最后一道安全保護裝置，本文重點對高速電梯的油壓緩沖器進行分析，包括對油壓緩沖器的安全性分析。

2 油壓緩沖器的安全性分析

2.1 油壓緩沖器的選型

本文所研究電梯為高速電梯，一般高速電梯均為配置有兩套油壓緩沖器，分別在轎廂和重側(cè)各設(shè)置一個油壓緩沖器。結(jié)合該高速電梯的應(yīng)用場景，要求對轎廂緩沖器承受載荷不得低于3150 kg；對重側(cè)緩沖器的承受載荷不得低于2407.5 kg。同時，根據(jù)GB 7588—2003 標(biāo)準規(guī)定，對于高速電梯而言其對應(yīng)的緩沖行程不得低于65 mm。

針對該應(yīng)用場景所選擇油壓緩沖器的型號為YH5/640，該型號緩沖器的最大允許載荷可達3750kg，滿足實際使用要求。要求所選型的液壓緩沖器的總行程大于0.067 V2=0.067×（3 m/s）2=603 mm。滿足緩沖行程不低于65 mm 的要求。YH5/640 的參數(shù)如表1 所示。

表1 YH5/640 油壓緩沖器參數(shù)

2.2 油壓緩沖器的安全校核設(shè)計

2.2.1 油壓緩沖器柱塞筒的安全性設(shè)計

對于油壓緩沖器的柱塞筒而言，在受到撞擊時其內(nèi)腔的壓力與壓力缸內(nèi)腔的壓力相比較小，主要完成柱塞筒內(nèi)徑和壁厚的設(shè)計[4]。根據(jù)油壓緩沖器的結(jié)構(gòu)，要求其柱塞筒的外徑不小于103.84 mm，結(jié)合相關(guān)理論計算公式得出柱塞筒的內(nèi)徑和壁厚尺寸，計算公式如式（1）所示：

式中：d1為柱塞筒的內(nèi)徑；D1為柱塞筒外徑，取134.5 mm；F 為柱塞筒的最大制停力，取73500 N；σs為柱塞筒20 號鋼對應(yīng)的屈服強度，取245 MPa。

經(jīng)計算，得出柱塞筒的最小內(nèi)徑為95 mm，對應(yīng)柱塞筒的最小壁厚為4.42 mm。

根據(jù)上述計算得出的柱塞筒的最小外徑和最小內(nèi)徑得出其柱塞筒的橫截面積為1380 mm2。則，可以得出柱塞筒的最大壓應(yīng)力為σ=73500 N/1380 mm2=53.3 MPa。

綜上所述，所設(shè)計柱塞筒安全系數(shù)=245 MPa/53.3 MPa=4.6>3.5（最小安全系數(shù)）。因此，所設(shè)計的柱塞筒的強度滿足要求，合格。

2.2.2 油壓緩沖器壓力缸的安全性設(shè)計

對于油壓緩沖器的壓力缸而言，在受到撞擊時其內(nèi)腔的壓力與柱塞筒內(nèi)腔的壓力相比較大，主要完成壓力缸壁厚和內(nèi)徑的設(shè)計。根據(jù)油壓緩沖器的結(jié)構(gòu)，要求其壓力缸的外徑不小于140 mm，結(jié)合相關(guān)理論計算公式得出壓力缸的內(nèi)徑和壁厚尺寸，計算公式如式（2）所示：

式中：d1'為壓力缸的內(nèi)徑；P 為壓力缸的內(nèi)腔壓力，取10.20 MPa；σb為柱塞筒20 號鋼對應(yīng)的極限強度，取390 MPa。

經(jīng)計算，得出壓力缸的最小內(nèi)徑為120 mm，對應(yīng)壓力缸的最小壁厚為10 mm。

對上述壓力缸的徑向力為10.20 MPa，切向應(yīng)力為80.22 MPa。對應(yīng)20 號鋼的極限強度為390 MPa（徑向力），20 號鋼的屈服強度為245 MPa（切向力）。

綜上所述，所設(shè)計壓力缸在切向的最小安全系數(shù)=245 MPa/10.20=24＞20（延伸率指標(biāo)），壓力缸在徑向的最小安全系數(shù)=390 MPa/80.22=4.86＞3.5。因此，所設(shè)計的壓力缸的強度滿足要求，合格。

3 結(jié)論

1）柱塞筒的最小內(nèi)徑為95 mm，對應(yīng)柱塞筒的最小壁厚為4.42 mm，對應(yīng)的安全系數(shù)為4.6＞3.5，強度滿足要求；

2）壓力缸的最小內(nèi)徑為120 mm，對應(yīng)壓力缸的最小壁厚為10 mm，對應(yīng)的徑向的最小安全系數(shù)為24＞20（延伸率指標(biāo)），壓力缸在切向的最小安全系數(shù)為4.86＞3.5，強度滿足要求。