基于Creo和ANSYS Workbench电梯主机机架数值分析

2020-11-24赵海燕

机械工程师 2020年11期

赵海燕

（苏州市职业大学，江苏苏州215000）

0 引言

目前我国房地产发展取得了空前成就，各类房产均取得了长足的发展；地产由满足居民的基于生活需求向改善方向转换。别墅在全国各地建筑面积愈来愈大，其中配备别墅电梯的房产呈爆发式增长。预计未来10年，我国别墅电梯市场将保持每年20%的速度增长。

目前全国超过500家电梯企业涉及别墅电梯制造，市场口碑对于电梯企业的发展至关重要。同时别墅电梯是涉及人身安全的特种设备，因此，电梯部件在设计、生产中各要素均需要验证。在此主要应用Creo和ANSYS Workbench软件对某型别墅电梯主机机架进行设计和分析，简要说明机架的设计和分析过程。

1 系统建模

本文所涉及的别墅电梯为龙门架式结构，其原理如图1所示。其中曳引机[1]1固定在机架上；对重侧绳头2安装于机架上；对重系统3通过钢丝绳曳引上下运行于对重导轨上；轿厢轿架系统4通过钢丝绳曳引上下运行于轿厢导轨；钢线绳5两端固定在绳头上（对重侧绳头2和轿厢侧绳头6），绕过轿厢轿架系统4、曳引机1和对重系统3；轿厢侧绳头6固定在轿厢侧导轨一侧上。

在主机机架设计中，主要考虑3种运行工况：正常运行、装载和安全钳动作[2-3]。正常运行主要考虑到主机加减速对主机机架的影响；装载主要考虑到轿厢上下客时对机架的影响；安全钳动作主要考虑极限状况下对主机机架的影响。机架安装如图2所示，曳引机2安装于机架上；机架3安装于对重导轨上，同时与轿厢导轨一侧连接；对重侧导轨4与导轨支架连接，导轨支架与井道通过膨胀螺栓连接；对重侧绳头5与钢丝绳连接，安装于机架3之上；限速器6安装于机架之上。轿厢侧导轨、对重侧导轨型号皆为T75-B[4]。

应用Creo软件进行建模[5]，零部件主要尺寸如图3（a）所示。因主要考虑对机架的影响，所以曳引机、限速器、绳头等部件均未再建模，只要计算出力施加于机架之上就可以进行分析，这样可以减少有限元网格数量，提升计算速度及效率。图3（b）为Creo建立的3D模型。

图1 龙门架式别墅电梯原理图

图2 机架安装

图3 机架

机架与主机采用M16螺栓联接，其对应的平垫直径尺寸为30 mm。限速器与机架采用M10螺栓联接，其对应的平垫直径尺寸为20 mm；绳头护套直径为40 mm。为后续有限元分析施加力更能体现实际情况，在Creo软件Simulate模块中建立曲面区域（区域大小参照相应平垫、护套尺寸），模拟直接受力区域，如图4所示。将图4模型保存为*.X_T格式，以便将这些区域面信息导入到ANSYS Workbench中，不会发生信息丢失现象。

2 受力分析

图4 曲面区域

图5 曳引机受力示意图

轿厢轿架空载自重P 为598 kg，载重载荷Q为400 kg，电梯对重系统平衡系数为0.5，则对重系统质量为P+0.5Q=798 kg。因别墅电梯提升高度低，基本上低于25 m，钢丝绳线密度(直径φ8 mm)为0.25 kg/s，单侧钢丝绳质量为4（根）×0.25×25=25 kg，因其质量较小，对机架的影响基本上可以忽略。轿厢轿架正常运行时的加速度a=0.4 m/s2，装载冲击加速度a=9.81 m/s2（按满负荷计算），安全钳动作时a=9.81 m/s2；标准重力加速度g=9.81 m/s2。

图5为曳引机受力示意图：T1为轿厢侧受力，T1=(P+Q)·(g-a)/2；T2为对重侧受力，T2=(P+0.5Q)·(g-a)/2。表2为各工况受力计算结果。安全钳动作时理论上a＜9.81 m/s2，但考虑到极端情况，比如钢丝绳全部断裂，虽然这种情况基本不会发生，a仍以9.81m/s2进行计算。

曳引机型号为FRD21E，质量为125 kg，重力为125×9.81≈1226 N。

限速器型号为OX-186A，其制动拉力大于等于500 N，安全钳提拉所需要的力为300 N，冲击系数取2，制动拉力取2×300=600 N。

3 有限元分析

打开ANSYS Workbench软件[6]，建立Static Structural分析，导入前文所述*.X_T格式文件。进入Model模块，分别在主机安装连接板和限速器连接板建立局部坐标系（方便施加力定位），建立远程受力点：根据曳引机、限速器相对于机器梁位置，建立曳引机重力点、曳引机轿厢侧受力点、曳引机对重侧受力点、限速器受力点，如图6所示。各受力点与对应的曳引机安装位置和限速器安装位置曲面区域（如图4），曲面曲域是来自Creo 数据传递（在ANSYS Workbench建立曲面区域没有在Creo软件中方便）。远程点的“Behavior”设置为“Rigid”，主要考虑到安装曳引机、限速器后对机架局部刚度得到了加强。

表1 受力计算

图6 远程点建立

轿厢侧导轨底、对重侧导轨底端采用固定约束，轿厢侧导轨上端280 mm尺寸处（如图2）导轨支架安装处也采用固定约束，用以模拟与导轨支架的连接。其各部件之间采用bonded接触用以模拟它们之间的焊接。

针对正常运行工况（轿厢上行），主机重力、轿厢侧拉力T1、对重侧拉力T2采用远程力施加，对重侧绳头直接施加力于区域面上。其工况的边界条件如图7所示。

图7 正常运行（轿厢上行）边界条件

材料均采用Q235A，其力学特性如图8所示[7]。

图8 材料特性数据

模型网格划分采用系统默认即程序控制，系统会依据模型数据为其分配合适的网格划分方法。

图9为正常运行工况（轿厢上行）求解结果；图10为正常运行工况（轿厢下行）求解结果；图11为装载工况求解结果；图12为安全钳动作工况求解结果，图12(a)为边界条件，图12(b)为等效应力云图，图12(c)为变形云图。

图9 正常运行（轿厢上行）应力与变形云图

表2为各工况下最大应力与最大变形汇总数据。由表2中数据可见，机架在各工况下应力均没有超过材料屈服点，同时各工况变形数据亦没有超过跨距1/960[8]即560÷960=0.58 mm，也是符合设计要求的。

表2 各工况最大应力、最大变形汇总

4 结语

借助三维建软件Creo与有限元分析软件ANSYS Workbench，有效提升了企业的运营效率，缩小了企业产品研发周期和验证周期，增加了产品和工程的可靠性[9]，对提升客户满意度、拓展市场提供有效技术支持。后续进一步借助软件优势，结合产品实际使用情况，对产品结构进行优化设计，进一步提升产品质量和竞争力。