担架电梯轿架的有限元分析及结构优化

丁纺纺， 李勋

（1.西子孚信科技有限公司，杭州310022；2.万向钱潮传动轴有限公司，杭州311200）

0 引言

近年来，随着经济的增长以及人们生活水平的提高，担架梯这种用于输送担架的电梯，已经不仅仅局限于大多数医院的配置中，越来越多的住宅区也增加了担架梯的配备以备不时之需。随着担架梯需求量的日益增长，对电梯产品质量的要求也相应提高。与普通电梯相比，此类电梯更注重安全性与舒适度的指标，因此对电梯结构的强度和刚度的要求更高。

本文从实际设计要求的担架梯出发，建立与实际担架梯结构相符的实体模型，对轿架模型进行有限元分析，并针对分析结果提出改进建议，对轿架结构进行优化以达到担架梯设计要求。通过本次有限元［2］分析计算，保证了担架梯结构的安全与合理性，同时节约了设计成本，为以后担架梯结构设计积累了经验。

1 担架梯轿架模型

由于组成电梯整梯的零部件较多、电梯结构相对复杂，从而在对电梯整梯进行有限元分析时无法将所有因素考虑进去，因此在针对电梯整梯进行有限元分析时，在不影响电梯整梯强度和刚度的前提下，对电梯结构中的部分组件进行必要的简化和合理的假设，既可以减少有限元分析的计算量，又能真实地反映电梯在实际工况下的受力情况。

轿厢是电梯的主要部件，是容纳乘客或货物的装置。电梯轿厢工作运行时的主要承重结构即为轿架，因此在对电梯轿厢进行实体建模的过程中，需包含轿架的如下主要承重结构：上梁、直梁、平台和托架等组件［3］。该模型与实际模型相比，对电梯轿厢中非主要承重结构如轿壁、轿顶、门机等部件进行了简化，将这些已简化部件的重量以均布载荷的形式施加在轿厢的轿底板上面。

有限元分析对象中，担架梯的设计要求承载重量为1 t，轿厢内部有效空间为1.1 m×2.11 m×2.3 m。

2 有限元模型的建立

2.1 网格划分及材料属性定义

利用SolidWorks三维软件对轿架进行实体建模，然后导入到有限元分析软件ANSYS-Workbench中进行网格划分，建立轿架的有限元分析模型。轿架的有限元模型共包含96个组件，被划分为382509个单元，776352个节点。

按照设计要求，设计中轿厢架构成组件的材料均为结构钢Q235。轿架的有限元模型中将Q235的材料属性定义如下：弹性模量为2.0×1011Pa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。

2.2 施加载荷及约束的处理

2.2.1 载荷

轿架在实际运行中所承受载荷包括三部分：1）轿架三维模型中组件自重F1；2）电梯轿厢中除轿架外组件的重量，如轿壁、轿顶、门机等部件的重量F2；3）轿厢运行中乘客或货物的载重量F3。轿架的运行工况一般包括均载和偏载两种情况，为了轿架的安全起见，计算按照最危险的3/4偏载的工况来进行。

本次的担架梯设计中要求电梯自重P=1.5 t，载重量Q=1 t。其中载重Q=1 t施加在轿底板3/4的面积上。自重P分为两部分：轿架的自重以密度和重力加速度的方式施加，轿厢中除轿架外的组件重量去1.1 t施加在轿架的轿底板上。其中自重和载重载荷方向均为面向轿底平台的垂直方向。

2.2.2 约束

1）轿架中上梁与轿顶轮相连接的孔用于固定整个轿架结构。

2）轿厢各部件之间的连接均为螺栓紧固连接，为便于分析，将螺栓紧固连接简化为刚性接触。但是在实际轿架结构中各组件之间极少采用焊接，基本都采用螺栓紧固连接，因此要求在实际轿架安装过程中必须保证螺栓连接紧固，以防止面与面之间的滑动导致连接的破坏。

3）安装在上梁和托架上的2对导靴与两侧井道中的导轨相配合，电梯运行过程中依赖2对导靴沿导轨上下运动，实际运行中导靴在电梯X和Z方向均与导轨有一定的间隙，一方面保证电梯运行平稳又不至于导靴靴衬过度磨损。在轿厢架的有限元分析模型中简化该接触情况，对导靴在X和Z方向的位移进行约束，仅在导轨方向有自由位移来处理。

3 有限元分析结果

担架梯轿架的有限元分析利用ANSYSWorkbench中计算完成。输出结果为轿架的等效应力云图和整体变形云图，分别针对整个轿架在运行中的强度和刚度进行校核。

在以上有限元模型及施加载荷和约束的基础上，初始分析计算结果如图1和图2所示。分析对象担架梯轿架的材料为结构钢Q235。对于塑性材料而言可以忽略应力云图中由于零件的几何形状所引起的应力集中［4］，因此由图1中等效应力分布云图可知，该轿架的最大应力为100 MPa，安全系数为2.35；由图2中的整体变形分布云图看出，轿架的最大变形为3.92 mm。

图1 等效应力分布云图

图2 整体变形分布云图

图3 应力计算结果

图4 变形计算结果

从图中容易看出，该轿架的最大变形部位出现在轿架平台轿底板的中间位置，结合电梯相关标准［5］、电梯运行中的舒适度要求以及电梯有限元分析经验考虑，一般要求电梯在3/4偏载工况条件下，轿架平台的安全系数大于2.5，最大变形不超过3 mm。因此需要对该轿架结构的平台进行结构优化，考虑到最佳改进效果和成本效益，选择把平台的轿底板加厚0.5 mm（由原来的2.5 mm增加至3.0 mm），平台的加强筋增加1 mm（由原来的2.0 mm增加至3.0 mm）。

对改进后的轿架模型做进一步有限元分析，应力和变形计算结果分别见图3和图4。由两图的分析结果可知，改进后轿架的最大应力80 MPa，安全系数为2.94；最大变形为2.8 mm，由本次分析结果来看，改进后在强度和刚度方面满足需要，因此可以判定该轿架的改进结构已基本达标。

4 结语

本次担架梯的有限元分析，首先通过在三维制图软件中建立轿架实体模型，然后导入有限元分析软件中，对担架梯的刚度和强度进行静力学性能分析，并在初步轿架模型分析结果的基础上提出更改建议，对优化模型重新分析，使得改进后的轿架最终满足设计要求。整个有限元分析的目标旨在保证整个轿架结构设计的安全及合理，在大大提升设计准确度的同时，降低了生产成本，减少了风险和成本浪费。

［1］ 张洪才.有限元分析：ANSYS13.0从入门到实战［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］ 王勖成.有限单元法［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［3］ 李秧耕，何乔治，何峰峰.电梯基本原理及安装维修全书［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［4］ 刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］ GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范［S］.