4∶1大吨位高速度载货电梯的设计计算

马幸福

(湖南电气职业技术学院 机械工程系，湘潭 411101)



4∶1大吨位高速度载货电梯的设计计算

马幸福

(湖南电气职业技术学院 机械工程系，湘潭 411101)

针对当前载货电梯日益向着大吨位、高速度方向发展的现状，分析了涡轮蜗杆主机与永磁同步主机的载重与速度参数的区别，设计了4∶1的新型曳引比传动方案.结合电梯法规标准，以额定载重3000 kg、额定速度1.0 m/s的载货电梯设计为例，对永磁同步主机的传动、电梯曳引条件、钢丝绳安全系数及导轨强度4个关键参数进行校核，结果表明：采用4∶1的曳引比，能够满足载货电梯大吨位、高速度的设计要求.

载货电梯；曳引比；曳引条件；安全系数；导轨

0 前 言

随着工业与商业的繁荣，载货电梯在工厂、仓库、购物中心、超级市场、物流中心、机场、车站等不同的场所得到广泛的应用.常规载货电梯的特点是有机房结构、采用2∶1曳引比.采用涡轮蜗杆主机，具有传动比大、载重量大、结构紧凑、传动平稳的特性，但是速度普遍很低.涡轮蜗杆主机额定载重量一般均大于1000 kg，最大载重量可达到7000 kg；涡轮蜗杆主机的额定速度一般均低于0.63 m/s，只有0.5 m/s和0.63 m/s两种常用速度规格.

随着工作效率的提升，要求载货电梯能实现货物快速转移，电梯运行速度要求达到1.0 m/s以上.涡轮蜗杆主机可以满足载货电梯大吨位的运输要求，但是由于受自身结构的制约，无法提供1.0 m/s的提升速度.永磁同步主机作为新型的驱动装置，具有提升速度高的特点，采用2∶1曳引比，电梯速度可以达到4.0 m/s以上，但主机额定载重量一般低于2000 kg.因此2∶1曳引比的涡轮蜗杆主机、永磁同步主机都无法实现大吨位、高速度的载货电梯技术要求.如果将曳引比由2∶1改成4∶1，主机实际载重量、运行速度均可提高一倍，从理论上可以实现载货电梯大吨位、高速度的技术要求.

1 电梯参数设计

本文以载货电梯额定载重3000 kg、运行速度1.0 m/s设计为例，采用永磁同步主机及4∶1曳引比，所需主机载重量1500 kg、速度2.0 m/s即可满足要求，电梯主要性能设计参数如表1所示.

表1 电梯主要性能参数

4∶1曳引比载货电梯井道布置图及传动系统图如图1、图2所示，轿厢有4个轿底轮，对重装置有2个对重轮，机房承重梁上有3个导向轮；而传统2∶1曳引比结构中，轿厢只有2个轿底轮，对重装置只有1个对重轮，机房承重梁上无导向轮.

图1 4∶1载货电梯井道布置图

图2 4∶1曳引系统传动简图

2 电梯关键参数计算

2.1 主机功率、速度计算

广东金泰德胜电机有限公司是一家电梯主机专业生产厂家，其中型号为WTY-1600-200型永磁同步主机定额载重1600kg、额定速度2.0m/s、额定功率22kW，满足设计需求.主机其他相关参数如下：曳引比2∶1、曳引轮直径D=400 mm、转速n=191 r/min、绳槽切口角β=95°、槽楔入角γ=30°.

2.2 曳引条件计算

电梯曳引系统传动图中T1、T2分别为主机两侧钢丝绳的拉力，T1、T2的值跟电梯在井道中所处的位置以及轿厢的实际装载情况有关，设T1为较大的值.钢丝绳在主机上缠绕接触的角度α称为电梯的包角，f为钢丝绳与曳引轮的当量摩擦系数，efα为电梯的曳引系数，曳引系数越大，说明曳引能力越大.额定载重量3000 kg的载货电梯，考虑叉车的重量，电梯轿厢的重量会达到5500 kg，对曳引能力有严格要求.既需要保证曳引能力足够大，即要求T1/T2≤efα，以防“满载轿厢蹲底”、“空载轿厢冲顶”事故发生；又要求曳引系数又不能过大，即要求T1/T2>efα，以防“对重蹲底”时提升空轿厢.

(1)轿厢装载工况静态曳引条件计算

轿厢装载125%倍额定载荷位于最低层时，要求轿厢保持平层状态不打滑.

efα=e0.216×3.14=1.97

T1=(G+1.25Q+G1)/i=1606 kg

T2=(G+kQ)/i=987.5 kg

T1/T2=1.626

由计算结果可知，轿厢装有125%额定载荷位于最低层时曳引系数足够大，钢丝绳与曳引轮之间不会发生打滑现象，轿厢不会发生超重蹲入底坑现象.

轿厢空载位于最高层时，要求轿厢保持平层状态不打滑.

T1=(G+kQ+G1)/i=1008 kg

T2=(G+G2)/i=652.75 kg

T1/T2=1.544

由计算结果可知，轿厢空载位于最高层时，钢丝绳与曳引轮之间不会发生打滑现象，对重装置不会发生超重蹲入底坑现象.

(2)轿厢紧急制动工况动态曳引条件计算

轿厢紧急制动指电梯以额定速度上行或下行时，电梯突然断电，电梯紧急制动停止，要求电梯钢丝绳与曳引轮间不发生打滑[3].需考虑电梯紧急制动减速度及重力加速度对电梯曳引能力的动态影响，取减速度a=0.5 m/s2，与轿厢额定速度对应的钢丝绳线速度为Vc=V×i=4 m/s，摩擦系数μ1=μ/(1+Vc/10)=0.107，当量摩擦系数f1=μ1×f/μ=0.177，ef1α=1.744.

轿厢装载额定载荷位于最低层紧急制动时：

T1=(G+Q+G1)(g+a)/i=14631.17 kg

T2=(G+kQ)(g-a)/i=9183.75 kg

T1/T2=1.593

轿厢空载位于最高层紧急制动时：

T1=(G+kQ+G1)(g+a)/i=10382.4 kg

T2=(G+G2)(g-a)/i=6070.57 kg

T1/T2=1.71

轿厢紧急制动工况动态曳引条件满足要求.

(3)对重装置蹲底静态工况曳引条件计算

对重装置蹲入底坑压在缓冲器上时，要求曳引机空转不能提升空轿厢，防止轿厢冲顶事故.

摩擦系数μ2=0.2，当量摩擦系数为：

T1=(G+G2)/i=652.75 kg,T2=G1/i=20.5 kg

T1/T2=652.75/20.5=31.8>ef2α

由计算结果可知，此时曳引机发生空转，钢丝绳与曳引轮发生打滑，产生的曳引能力不足以提升空轿厢，保证电梯安全.

2.3 钢丝绳安全系数计算

电梯系统的运行是通过主机与钢丝绳之间的摩擦力进行提升传动，对于3根以上钢丝绳的曳引驱动电梯的安全系数最小为12.

(1)钢丝绳参数

本电梯主机配置8条钢丝绳.选用钢丝绳型号为：8×19S+NF-10-1500(双)，钢丝绳直径10 mm，由8条绳股捻制而成，采用天然麻芯，具有贮存润滑剂功能，适当减少钢丝绳与主机轮盘之间的摩擦.

查 10 mm绳头组合型式试验报告：绳头组合承受钢丝绳80%的标称破断载荷为54.08 kN.则 10 mm钢丝绳最小破断负荷为54.08/0.8=67.6 kN.

(2)钢丝绳安全系数

按照电梯标准要求，主机轮的直径与钢丝绳的直径比值必须大于40倍，以减少钢丝绳的弯曲程度，减少钢丝绳内的弯曲应力，提高钢丝绳的使用寿命.本文中主机轮直径为400 mm，400/10=40，符合标准要求.钢丝绳安全系数：

式中：fs为单根钢丝绳的最小破断载荷，N为钢丝绳的根数，T1为钢丝绳承受的最大载荷.由计算结果可知，安全系数S>12，满足电梯标准要求.

2.4 导轨计算

电梯导轨承受安全钳动作时的制动力及电梯载重偏载力的作用[4-5]，需要对导轨的弯曲应力、压弯应力、复合应力、翼缘应力、挠度进行综合计算.本梯选用国家标准T90型实心导轨，详细技术参数如表2所示.

表2 电梯导轨技术参数

(1)弯曲应力计算

额定载重量在每侧导轨X轴方向的作用力Fx=k1gQxQ/(nh)=3650 N.其中xQ为额定载重分布在3/4轿厢面积上X方向的偏心距，计算得xQ=312 mm.Fx在Y轴方向产生的弯矩My=3Fxl/16=1095 N·m；fx在Y轴方向的弯曲应力σy=My/Wy=92 MPa.

额定载重在每侧导轨Y轴方向的作用力Fy=k1gQyQ/(nh/2)=5849 N.其中yQ为额定载重分布在3/4轿厢面积上Y方向的偏心距，计算得yQ=250 mm.Fy在X轴方向的弯矩Mx=3Fyl/16=1555 N·m；Fy在X轴方向的弯曲应力σx=Mx/Wx=74 MPa.

(2)复合应力计算

安全钳动作时，钳体夹紧导轨工作面，对导轨的作用力：Fk=k1g(G+Q)/n=5684 N；压弯应力σk=Fxω/A=49.9 MPa.

安全钳动作时，对导轨工作面产生的复合弯曲应力σm=σx+σy=166 MPa<[σ]，复合弯曲和压缩应力σ=σm+Fk/A=199 MPa<[σ]，复合压弯和弯曲应力σc=σk+0.9σm=199.3 MPa<[σ]，翼缘弯曲应力σF=1.85Fx/c2=67 MPa<[σ].

(3)挠度计算

由以上计算结果可知，在安全钳动作工况下，导轨的应力及挠度均满足设计要求.

3 结 论

由以上电梯主机功率、速度计算、电梯曳引条件计算、钢丝绳安全系数计算及导轨受力计算结果可知，对于大吨位、高速度的载货电梯设计，采用新型的4∶1曳引比传动方式，电梯各项主要技术指标均满足电梯标准要求，为电梯产品的开发提供了理论依据.在此基础上，对于超重型的载货电梯的开发，如载重量达到7000 kg，甚至高达10000 kg，可以通过采用6∶1或8∶1的曳引比传动方式进行实现.

[1] 顾 鑫，康 红，张广健．GB7588-2003电梯制造与安装安全规范[S]．北京：中国标准出版社，2003.

[2] 张国祯，朱昌明．GB/ T13435-1992电梯曳引机[S]．北京：中国标准出版社，1992.

[3] 梁昌勇．电梯轿厢滞留工况下曳引机转矩的分析[S]．中国电梯，2014(21)：20-22 .

[4] 江子荣，张国林，何建国．JG/ T 5072.1-1996电梯T型导轨[S]．北京：中国标准出版社，1996 .

[5] 李 勇，朱维良．电梯导轨的连接板对导轨强度校核的影响[J]．中国电梯，2014(11)：33-35.

Designing and Calculating Parameters of Large Tonnage and High Speed Goods Elevator with Hoist Rope Ratio of 4∶1

MA Xing-fu

(Department of Mechanical Engineering, Hunan Electrical College of Technology, Xiangtan 410001，China)

Nowadays, the goods elevator develops towards large tonnage and high speed．Based on the situation, the differences of weight and speed between the worm gear traction machine and permanent magnet traction machine are analyzed．Then, the transmission scheme with hoist rope ratio of 4:1 is designed．Combined with the elevator standards, the design of goods elevator with the rated load 3000kg and rated velocity 1.0m/s is taken as an example．The transmission of worm gear traction machine, the elevator traction condition, the safety factor of wire rope and the strength of guide rail are analyzed．The results show that the transmission scheme with hoist rope ratio of 4∶1 meets the design of goods elevator with large tonnage and high speed．

goods elevator；hoist rope ratio；traction condition；safety factor；guide rail

2014-12-15

湖南省职业教育“十二五”省级重点建设项目 (湘教通[2014]176号).

马幸福(1983-)，男，硕士,讲师,工程师，研究方向:机械设计制造及安全系统分析.

TH2

A

1671-119X(2015)02-0023-04