船用电梯钢丝绳载荷分析

胡朝斌 赵意 汝黎晨

摘 要：在分析了船用电梯工作环境的基础上，明确了船用电梯的悬挂方案。依据电梯运行的基本参数，结合电梯的结构特点，对电梯关键部件钢丝绳进行了受力分析和计算，推理出电梯受力规律及最大载荷等，为电梯轿厢的结构设计奠定了基础。

关键词：船用电梯；钢丝绳；载荷

引言

船用电梯是固定安装在船舶上为乘客、船员或其他人员使用的提升设备，它服务于规定的甲板。船用电梯不同于陆地电梯，在设计时必须考虑电气及材料的盐雾湿度、温度要求、海况的横摇、纵摇、垂荡要求。目前我国船舶用配套电梯供应商主要是德国LUTE、日本潮冷热株式会社和韩国现代，国外厂商对船用电梯开展研究设计较早，具有丰富的实际经验。而我国的船用电梯的设计和应用起步较晚，主要有东南电梯股份有限公司等特种电梯制造商在研究设计。

1 船用电梯悬挂方式

课题所设计电梯围井（宽×深）为1815×2180mm，轿厢（宽×深×高）为1050×1250×2150mm，船用电梯为船用船员电梯，载重500kg（6人），九层九站，并采用二导轨曳引电梯设计。

轿厢架是由上梁、两根立梁、轿底组件和下底梁轮组件组成的封闭框架，属于静不定结构，但在一般情况下轿厢架都是采用35号以下的低碳钢轧制的型材组成，这种型材本身便具有一定的塑性；各个梁之间采用螺栓联接，在联接处存在微量可滑移性，因此在设计计算时可把轿厢按静定结构处理，这样可避免较大误差，而且使计算结果更偏向于安全[1]。

上梁的受力情况与轿厢和钢丝绳的吊挂形式有关，轿厢和钢丝绳的吊挂形式有多种，其中比较简单常见的有如图1所示。从图1中可以清楚地看出，a，b两种形式下，当轿厢自重及载荷相同时，钢丝绳吊挂于上梁中间的工况（如图1a、b所示），钢丝绳受力最大，如图1c中所示的吊挂形式，其受力情况要优于a、b所示的工况，如图1d的吊挂形式，其上梁和立梁主要起到轿厢架各构件间联接作用，同时为轿厢架提供了一定的刚性，其本身受力甚微。目前曳引驱动的客梯，其轿厢与曳引钢丝绳大多采用图1a所示吊挂形式。但是在船用电梯中，考虑其横倾、纵倾和垂荡的影响，图1d所示的悬挂方式更加合理。所以本课题选择方式d--返绳轮下置式，作为轿厢的悬挂方式，确定曳引比为2。

图1 电梯的悬挂方式

2 船用电梯结构及主要参数

所设计电梯的主要参数：

电梯主要参数

额定载重量 Q=500kg

额定速度 v=1m/s

轿厢重量 P=655kg

对重重量 MCWT=923kg

曳引绳每米重 Msr=4×0.34=1.36kg/m

电缆每米重 Mcr=1.04kg/m

悬挂钢丝绳轿厢侧重量 MSRcar=5.7kg 轿厢在顶层

MSRcar=42.3kg 轿厢在底层

悬挂钢丝绳对重侧重量 MSRcwt=42.3kg 轿厢在顶层

MSRcwt=5.7kg 轿厢在底层

随行电缆重量 MTrav=17kg 轿厢在顶层

MTrav=1.5kg 轿厢在底层

悬挂钢丝绳总重量 MSRH=48kg

补偿绳总重量 MCRH=0

曳引比 r=2

重力加速度 gn=9.81m/s2

启制动减速度 a1=0.5m/s2

空载上行紧急制动加速度 a2=1.06m/s2

额定载荷下行紧急制动加速度 a3=0.99m/s2

轿厢侧滑轮的数量 ipcar=2

对重侧滑轮的数量 picot=1

曳引机转动惯量 kg.m2 J1=2.48

轿顶轮转动惯量kg.m2 J1=2.48

对重轮转动惯量kg.m2 J1=2.48

整梯效率 ？浊=0.75

钢丝绳绳速 V1=2m/s

3 钢丝绳的受力分析

设计船用电梯轿厢架，除满足陆用电梯对轿厢架的承载要求外，轿厢架结构分析时还应考虑船舶运动力。船舶运动力指的是船舶运行时在海浪、风等外界激励下产生的横摇、首摇、纵摇的运动力，其中横摇、纵摇及垂荡对船舶设备的正常运行性能影响较大。表1为船舶运动的参数。除静载情况下，考虑运行中最影响最大的工况，满载紧急制动、缓冲器冲击轿厢。表2为船舶运动力分力分析表。

表1 船舶运动的参数表

表中：■-垂线间长，m；

GM-装载船舶的初稳定高度，m；

B-型宽，m；

？追-取不大于8°

e-自然对数。

表2 船舶运动力的分力

静载荷指船舶由于横摇角和纵摇角引起的重力分力，动载荷指由于船舶运动（横摇、纵摇、垂荡）引起的惯性力。

表中：y-自船中心线至起重机中心线平行于甲板的横向距离，m；

x-自纵摇运动中心即纵向漂心至起重机中心线平行于甲板的纵向距离，m；

Zr-自横摇运动中心即船舶的垂向重心至起重机重心的垂直距离，m；

Zp-自纵摇运动中心至起重机中心的垂直距离，m；

W-起重机或其部件的重力，N。

根据船级社集装箱船图纸要求，查出表中具体参数为：

Lpp=217.5m；y=5.5m；x=74m

用电梯及机械规定应能在下述条件下运行：（1）横摇？渍在±10°以内，周期为10s；（2）纵摇？追在±7.5°以内，周期为10s。（2）横摇？渍在±22.5°以内，周期为10s；（2）纵摇？追在±7.5°以内，周期为10s[2]。

根据表1表2的计算公式，得横摇和垂荡、纵摇垂荡影响下的载荷公式分别为：[3]

（1）

（2）

通过Excel表格绘制本电梯钢丝绳在横摇、纵摇、垂荡影响下的载荷如图2、3，即承重梁的载荷。

图2 横摇、垂荡，影响下的载荷（单位：N）

船舶中的电梯轿架同样也受船舶运动分力的影响，根据图3，运行工况下（轿厢在底层上行），船舶横摇时，横摇角度越大，对钢丝绳载荷越小；当船舶纵摇时，纵摇角度时，钢丝绳所受的载荷最大；垂荡影响下，加大了整个系统的负载，但垂荡增力随着横摇以及纵摇角度增大而减小，计算轿厢架强度时只需要计算承受最大载荷的角度的点。

由图3可以得出，当横摇角度？渍=0°，纵摇角度？渍=5°时与该工况下的垂荡增力结合为整个曳引系统的最大合力。

4 结束语

在保证轿厢冲击缓冲器的强度同时，又满足船舶运行中所受船舶力不破损的条件下，经过受力分析、数据处理，得出在船舶运行工况下，当横摇、纵摇达到一定角度时，横摇力、纵摇力以及垂荡增力的合力会达到摇曳系统的最大值。为后续电梯轿厢的结构设计打下了基础。

参考文献

[1]赵 .客梯轿厢架强度计算[J].科技信息，2008（12）：264-265.

[2]中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范（2007）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]肖永恒.电梯轿架强度的试验研究[J].湖南工业大学学报，2006（3）：48-51.

作者简介：胡朝斌（1980-），男，汉族，安徽安庆人，常熟理工学院讲师，硕士，毕业于合肥工业大学CIMS所，同济大学在读博士生，主要研究方向为数控技术和数字化制造与设计。