基于ANSYS的电梯曳引机轮齿失效分析

刘 磊，李德锋，韦方平，阮一晖

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏常州 213000）

0 引言

电梯在城市中的应用越来越普及，随着楼层的不断增加，电梯的运行速度越来越快，曳引机的功率也随之不断升高。近年来，各种电梯冲顶事故时有发生，主要原因就是电梯曳引机的蜗轮失效，因此对曳引机减速箱的轮齿失效分析成为目前亟需要解决的问题。

曳引机又被称为电梯驱动主机，是电梯的动力来源。输送与传递动力使电梯正常运行是电梯曳引机的主要功能。在电梯技术飞速发展的今天，曳引机一般分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机，比较常见的是有齿轮曳引机。有齿轮电梯曳引机通常由电动机、联轴器、制动器、减速箱、曳引轮、机架和导向轮及附属紧急盘车装置等部件组成[1]。有齿轮曳引机通常是利用减速箱将电动机动力传输到曳引轮，以实现动力传输和减速比要求。为了提高电梯运行时的平稳性、减少运行噪声和减速箱体积，一般情况下使用蜗轮蜗杆减速箱。按蜗轮蜗杆的布置方式，通常又由可分为上置式和下置式。

文献[2]指出：电梯减速箱出现下列情况之一，将视为达到报废技术条件：

（1）蜗轮副、斜齿轮、行星齿轮出现影响安全运行的轮齿塑性变形、折断、裂纹、齿面点蚀、胶合或磨损等形式的严重失效；

（2）传动轴、轴承或键出现影响安全运行的损坏；

（3）减速箱体出现裂纹；

（4）减速箱渗漏油不符合GB/T 24478-2019中4.2.3.8要求。

1 国内外研究现状分析

国内已经有不少学者对齿轮的失效分析做了研究，但是针对电梯曳引机蜗轮的失效分析还是少有涉及。欧阳惠卿等[3]对比相关技术标准的要求，针对电梯用减速箱中齿轮、传动轴、箱体，分析其失效模式、机理和风险，提出电梯用减速箱的报废技术条件。刘兴华[4]论述齿轮失效的各种形式，分析产生的原因，提出切实可行的解决方法。丁康和王延春[5]讨论激振能量对轮齿失效和轴弯曲产生的振动调制现象的影响，指出变速箱3种不同的调制现象：齿轮啮合频率调制、齿轮固有频率调制和传动箱固有频率调制产生的根本原因是激振对量的不同，同时提出相对应的齿轮箱振动故障诊断方法并将它们成功地运用到轮齿失效和轴弯曲的工程实例中。陈忠和郑时雄[6]简述齿轮箱传统信号分析技术与经验模式分解(EMD)技术的异同，并详细论述EMD的分解原理和富立叶变换的关系。通过应用EMD分解技术，将齿轮箱振动加速度数据进行分解，得到IMF(Intrinsic Mode Function)模式分量，而后提出相应的两种失效参考指标，并且分别验证其在特定条件下的有效性和可操作性，为齿轮箱振动的故障诊断提供参考方法。

在工业生产中齿轮及齿轮箱的失效和故障诊断已经引起各方学者的关注。电梯属于特种设备，与老百姓的日常生活息息相关，尤其驱动主机的异常振动对电梯安全有重大影响[7]，因此电梯曳引机减速箱的蜗轮蜗杆失效分析迫在眉梢。

2 常见曳引机减速箱蜗轮失效形式

在有齿轮曳引机的减速箱中，蜗轮蜗杆机构变速箱是目前应用最为普遍的。蜗杆通常选用45钢或40Cr材料，一般为阿基米德螺旋蜗杆。蜗轮通常应选用锡青铜或铝青铜材料铸造而成，但现在由于行业恶性竞争导致大幅度压低生产成本，所以目前均大量采用高铝锌基合金材料来代替。这种替代材料价格便宜，质量轻，机械特性好，但缺点是热敏性高，对铸造的要求高，容易产生气孔、疏松和夹渣等缺陷。由于材料和结构上的因素，蜗杆的强度一般高于蜗轮的强度，所以通常都是蜗轮的轮齿失效。

电梯曳引机的减速箱通常是封闭环境，由于散热条件不好，并且连续长时间的重载运行，所以蜗轮蜗杆的蜗轮非常容易发生失效。工程应用中比较常见的蜗轮轮齿的失效形式有：齿面胶合、齿面磨损、齿面点蚀、轮齿折断和齿面塑性变形等。电梯曳引机的减速箱中齿面磨损和轮齿折断最常见，如图1所示。

图1 轮齿失效

3 建模分析

设定一般参数：载重800 kg，梯速1.75 m/s，曳引机功率15 kW，转速1 500 r/min，曳引轮直径620 mm，极数4。为简化计算，便于观察轮齿，假设齿顶直径48 mm，齿底直径30 mm，齿数10，齿厚4 mm，弹性模量2.06×1011，密度7.8 × 103，最大转速5.7 rad/s。

通过考察蜗轮在高速运转时发生多大的径向位移，从而判断其变形情况以及蜗轮运转过程中齿面受到的压力作用。ANSYS软件以它的多种分析功能而成为CAE软件的应用主流，在工业的各个方面应用广泛[8]。本文作者利用ANSYS有限元分析软件进行建模分析，步骤如下：

（1）建立蜗轮模型：定义单元类型和实常数、定义材料属性、建立几何模型，如图2所示。

图2 齿轮模型

（2）对建立好的模型进行网格划分，如图3所示。

图3 划分网格

（3）定义边界条件并求解：其中定义施加载荷为旋转离心力，由5.7 rad/s转速产生；定义位移边界条件为固定蜗轮内孔边缘各节点的周向位移。

（4）查看结果：查看变形和径向应力，分别如图4、5所示。

由求解结果可知，最大变形位于轮齿的外齿廓最大处，数值为0.004 mm，此处最易发生轮齿磨损，最大径向的位置位于齿根处，数值为0.158e+09，此处最易发生轮齿折断。

图4 齿轮变形

图5 齿轮径向应力

4 结束语

电梯是日常生活中一种常见的特种设备，电梯的正常运行涉及老百姓的人身和财产安全。曳引机是电梯的动力源，是电梯安全运行的最主要部件。对于采用蜗轮蜗杆减速箱的有齿轮曳引机，在维修保养时需按照厂家规定的要求进行维保，选用合适的润滑油，必须加到规定的量，按时更换，对于没有达到更换时间的润滑油，在维修保养时只要打开油箱盖观察到油的粘度变稠、变稀、润滑油发黑变质等异常现象也应该立刻更换。电梯减速箱的温度不宜过高，在日常维保时可以尝试触摸轴承的端盖和减速箱外壳，如果温升异常，应立刻检查原因，排除原因后方可继续运行。曳引机减速箱应定期保养，及时更换符合要求的润滑油。当发现轮齿有磨损和折断现象时，应及时进行修复或更换，确保电梯安全运行。