钢带有机房电梯机房部件的设计分析

摘要：随着钢带电梯的不断应用，作为电梯重要部分之一的机房部件也越来越受关注。鉴于此，主要针对钢带电梯的机房部件设计问题进行分析，重点介绍了机房部件的设计与校核方法。通过以《电梯制造与安装安全规范》（GB 7588—2003）等为依据，对主机底座、承重梁、减震垫等机房部件进行设计分析，为钢带电梯产品的机房部件开发提供指导参考。

关键词：钢带有机房电梯;机房部件;设计分析;有限元分析

0    引言

随着全球城镇化程度不断提高，高层建筑大规模涌现，电梯在各种高层建筑中的使用也变得日益普及。与此同时，各电梯企业都在进行有效产品成本控制，钢带相比与传统设计中的钢丝绳会在成本上有较大的降低，因此钢带电梯由于成本优势将来必然会被广泛应用。在这一背景下，对于钢带电梯而言，产品安全得到了高度重视，其中机房部件作为整台电梯的主要受力部件，在钢带有机房电梯产品中承担着十分重要的作用。机房部件主要由主机底座、承重梁、减震垫组成，本文就钢带有机房电梯机房部件的设计进行分析。

1    机房部件的设计

机房部件在整台电梯中承担着主要承重作用，这是因为电梯所有系统的重量都会通过钢带悬挂系统施加到机房部件上，所以机房部件的强度关系到整台电梯的安全性能。本文主要从结构设计与ANSYS分析两方面对机房部件进行设计分析。

1.1    系统的计算

为了能够清晰地了解机房部件的实际使用环境，首先需要对所处环境的受力进行计算。本文将以规格载1 600 kg，速度2.5 m/s，提升高140 m，吊挂比2，6根钢带配置为例进行分析。

首先需要计算的是曳引力，曳引力用于驱动整个电梯的运行，是获取机房部件受力的重要参数。曳引力主要根据《电梯制造与安装安全规范》（GB 7588—2003）中的要求进行计算，如式（1）（2）所示;曳引力与主机包角有着紧密的联系，在进行系统曳引力计算的同时，需要结合吊挂中心（DIM1）、主机高度、导向轮位置所形成的包角一起设计。

工况说明：Ⅰ为轿厢位于最上位置;Ⅱ为轿厢侧或对重侧有导向轮;Ⅲ为对于绳的倍率大于1;Ⅳ为对重位于最上位置;Ⅴ为对于绳的倍率大于1。

通过以上公式可获得曳引力、导向轮位置、主机高度等数据，这在后续进行主机底座结构设计时将起到很大的指导作用。曳引力将通过结构中的部件转化为作用在主机底座和承重梁各个部位上的分力，我们将在整体的ANSYS模型中进行分析。

系统导向轮基本结构如图1所示，导向轮1位置的变化会影响到主机的包角情况，从而影响曳引力，所以曳引力的计算与包角设计需要同步进行。

1.2    主机底座与承重梁的设计

主机底座和承重梁上各位置的受力情况对于结构分析是非常重要的，在获取了主机底座与承重梁整体的受力状态后，即可开始对主机底座与承重梁进行设计。

首先是对主机底座中各导向轮的位置进行定位，根据曳引力计算过程中已经确定下的包角，可以获得吊挂中心DIM1，轿厢侧绳头组合到轿顶轮3的距离DIM2，主机与轮3的距离DIM3，主机与轮1的距离DIM4和DIM7，通过吊挂尺寸DIM1的传递，又能得出轮2与轮4间的距离DIM5，对重侧绳头组合到对重轮4的距离DIM6（图1）。然后进行主机底座的结构设计，底座本身采用较为常用的口字型框架结构为基础，长度方向主要根据最外侧的轿厢侧绳头组合与对重侧绳头组合距离考虑，在宽度方向主要根据主机轮轴宽度而定，在底座高度方向主要以导向轮的轮径大小为参考。底座支架主要采用6 mm厚板折弯而成，在主机及两侧绳头组合主要受力位置正下方配置8 mm加强筋，以缓解底座受力。主机底座主要材质为Q235。

然后是对承重梁进行结构设计。首先根据整体计算的受力结果进行承重梁型材的选择，基于图2（热轧H型材GB/T 11263，Q235 GB/T 700）选择300×150型H型钢。同时，为了更好地承受主机底座传递下来的力，在主机底座下的承重梁上添加8 mm的加强筋。另外，为了缓解承重梁两端固定在建筑承重墙内的应力集中，在承重梁的两端位置添加8 mm的加强筋。承重梁选用的材质为Q235。

在完成了主机底座与承重梁的结构设计后，首先通过Pro/E进行建模，并导入ANSYS中，后续通过ANSYS软件环境进行建模，并对主机底座与承重梁进行受力分析，如图3～6所示。

通过如上对主机底座和承重梁的受力分析可知，在当前最大规格（载重1 600 kg，速度2.5 m/s，提升高140 m，吊挂比2，6根钢带配置）情况下，对机房部件整体进行ANSYS分析，各个部件的最大受力为170～180 MPa，均小于235 MPa，满足目前主机底座与承重梁选用的Q235材质性能要求，主机底座与承重梁的受力性能合格。

1.3    减震垫的设计

为了优化客户用梯体验，降低电梯震动，可在主机底座与承重梁之间添加减震垫，减震垫有着良好的缓解震动效果。减震垫可隔离主机底座与承重梁之间震动的传递，在缓解和隔离因固有频率产生的共振方面效果非常好。

在进行主机底座减震橡胶的受力计算与设计时，以主机底座承受的总力为源头，并通过正压力与动态刚度公式进行计算。可参考公式（3）和公式（4）进行计算，获取刚度。

根据如上公式可以获得合适的减震垫橡胶块硬度与大小尺寸，并結合已完成设计的主机底座与承重梁的宽度尺寸，为确定减震垫橡胶块添加的固定板的尺寸提供根据。需要保证主机底座、承重梁的面积大于减震垫橡胶块的面积，即减震垫的橡胶块面积必须全部被使用到，保证减震垫橡胶块的性能全部实现。

2    实际验证

2.1    主机底座与承重梁的验证

为了确定主机底座与承重梁在实际使用过程中的真实受力情况，首先针对主机底座与承重梁等部件的整体ANSYS分析（图6）检测到的应力相对集中点和根据经验以往比较关注的位置，如绳头组合悬挂部分等，在实际样梯的同等位置添加应变片采集实际的测试数据。在图7所示位置分别布置应变片，本次主机底座与承重梁受力情况验证试验所采集的位置为A～H 8个受力点，所选用的应变片为120 Ω国产应变片。

测试样梯规格为载重1 600 kg，速度2.5 m/s，在此样梯参数下进行急停试验，并收集应变片状态数据。为了确保测试数据的稳定性，分别进行了3组测试试验，测试数据如表1所示。

由表1可知，ANSYS分析得到的应力相对较大点A、B、C、D、G、H，其实际应变片采集数据主要区间为104.3～131.6 MPa;相对较为关心的绳头组合悬挂部分应力为73.1～97.9 MPa，应力非常小，结构受力很可靠。应力数据最大点为131.6 MPa<235 MPa，与ANSYS分析结论相同，都是满足使用要求的。

2.2    减震垫的验证

为保证减震垫性能符合实际使用要求，将减震垫放置于减震垫测试机上，并施加1.6～1.8倍的理论力进行验证（安全系数按1.6～1.8考虑）。如图8所示，经过减震垫测试机的验证，减震垫能反复回弹且性能稳定，效果满足使用需求。

3    结语

随着钢带有机房电梯产品使用范围的扩大，作为钢带有机房电梯的重要承重部件，机房部件受力结构会对整梯产品产生比较大的影响，所以必须通过理论设计与实际样梯共同验证以保证其可靠性。本文根据《电梯制造与安装安全规范》（GB 7588—2003）要求进行机房部件设计，结合ANSYS有限元分析及现场试验验证等流程，对钢带有机房电梯产品的机房部件主机底座、承重梁、减震垫进行设计分析，并介绍分析与验证过程，对于钢带有机房电梯机房部件的设计开发具有一定参考意义。

[参考文献]

[1] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化學工业出版社，2009.

[2] 电梯制造与安装安全规范：GB 7588—2003[S].

[3] 丁欣硕.ANSYS Workbench 17.0有限元分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2017.

[4] 闫晓鹏，武瑛.材料力学[M].北京：清华大学出版社，2013.

收稿日期：2020-03-04

作者简介：童祯雁（1985—），男，上海人，工程师，研究方向：机械设计。