挂钩式防电梯层门靴脱槽装置摆锤冲击有限元分析

李寒冰，卫小兵，张召军，王敏星

（1.河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000；2.西继迅达（许昌）电梯有限公司，河南 许昌 461000）

1 引言

目前我国电梯行业发展迅速，但电梯事故频发[1]，《GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范》及其第1 号修改单针对电梯层门的强度提出了新的摆锤冲击要求，即电梯层门在遭受意外撞击时不能被撞开[2]，而2016 年7 月这一修改单实施前，国内已经投入运行了约有400 万台未考虑层门强度要求的电梯（以下简称老旧电梯）。电梯层门最薄弱的位置是在下部的层门靴上，老旧电梯上的层门靴并没有考虑或设计防撞功能，导致电梯层门在异常外力下打开，造成了人身伤亡事故，近年来国内发生的因层门靴脱槽引起事故的案例大多与此有关[2]。

因此，老旧电梯加装防层门脚靴脱槽装置成为亟待解决的问题，这就要求加装结构具有普遍适用性，必须要严格满足新规范中的摆锤冲击要求。目前，有限元分析法已在电梯结构的强度分析方面广泛应用[3-7]，运用有限元分析的方式可以对层门的撞击性能进行准确和快速完整的分析。目前，对老旧电梯的耐撞性或层门加固设计方面的研究较少，通过运用仿真和试验结合的手段，可以更准确的对老旧电梯层门的加固提供设计方案和分析依据。

2 冲击有限元模型

2.1 挂钩式防脱槽装置组成

选取具有代表性单侧宽度475mm 规格层门建模，设计挂钩式电梯层门防脱槽装置，主要包括门脚挂钩、地坎防脱件、门板挂钩、门套防脱件等部件[8-9]。层门关闭后受外力作用时，门脚挂钩可以挂住地坎防脱件，门板挂钩挂住门套防脱件。挂钩式防电梯层门脱槽装置，如图1 所示。

图1 挂钩式防电梯层门脱槽装置Fig.1 Hook-Type Anti-Elevator Door Slotting Device

2.2 接触-碰撞算法

接触碰撞算法可处理任意多个物体间的相互作用，假设相互接触的两个柔性体A和B，t时刻边界的外法向分别为nA和nB[10]。接触碰撞系统除应满足有限元法中连续体控制方程外，接触界面还应满足物理不可穿透条件和动量守恒定律[11]。考察位于接触界面分别属于物体A和物体B的任意两个点xA和xB，不可穿透条件可表述为：

即接触间隙要求不小于0，0 值对应于刚好接触状态，式中：gN为接触间隙。接触界面的动量守恒要求作用于两物体的面力tA和tB满足：

罚函数算法假设法向接触压力fN与主节点与法向渗透量Δp成线性正相关，即：

式中：α—刚度因子，取值一般在（0～1）之间，可由计算程序控制，式中：E—材料的弹性模量，A—接触单元面积，V—单元体积。

同理，在引入切向动摩擦系数μ 后，可以得出

根据计算得到的法向接触力fN和切线摩擦力ft需要根据具体单元的形函数将力插值到节点[12]。

2.3 网格模型

挂钩式防脱槽装置主要为钣金和螺栓连接装配结构，在有限元建模时，进行了如下简化：删除了不影响主体结构的小特征，如小圆角[11]等；根据板壳理论，对钣金结构抽取中面，使用壳单元shell181 进行模拟[12]；对于螺栓连接，使用和实际螺栓等径的beam188 单元模拟；其它零部件使用六面体solid186 单元实体单元建模。网格划分使用ANSYS19.0 有限元软件，单元尺寸设置为（2～15）mm，采用高级尺寸函数控制曲率，网格划分结果，如图2所示。共生成28 万个单元，三角形单元的数量小于3%，单元的平均扭曲度0.193，满足分析对网格质量的要求。根据实际装配关系建立各个部件之间的连接方式，挂钩接触对、导轮接触对、摆锤与层门、层门脚靴与地坎等接触对设置为非线性摩擦接触，摩擦系数设置为0.1，目标面和接触面设定为对称。材质的应力应变曲线，如图3 所示。挂钩组件材质和门框等材质为Q235A，层门等钣金结构材质为SPCC，考虑到摆锤冲击过程中可能产生较大的塑性应变，对层门和挂钩材质依据《GB/T228.1-2010 金属材料拉伸试验》制作了样件，进行了拉伸试验，并根据工程应变和真实应变的关系对弹塑性曲线进行了修正，以此作为有限元分析的材料参数输入，材料的力学属性，如表1 所示。

图2 网格模型Fig.2 FEA Mesh Model

图3 材质的应力应变曲线Fig.3 Stress-Strain Curves of Main Materials

表1 材料的力学属性Tab.1 Mechanical Property of Main Materials

2.4 边界条件

软摆锤冲击装置，如图4 所示。总质量为45kg，分析时简化为等质量的实心球，弹性模量见表1。全约束电梯层门周围侧边框架端部的自由度，模拟实际电梯层门的安装状态；分析时，软摆锤处于距离层门底部1m 高度且居单侧层门中间的位置，根据动能定理，软摆锤具有的撞击初速度为：

图4 软摆锤测试装置的示意Fig.4 Schematic of the Soft Pendulum Test Device

图中：H—跌落高度0.8m。

3 摆锤冲击分析与试验

3.1 仿真结果分析

在撞击层门过程中，摆锤冲击动能传递到层门，再通过层门传递到挂钩和层门脚靴与周围连接处，最终传递到门框和地坎的约束位置，提取以下位置的撞击力曲线：摆锤与层门之间，加装挂钩装置的层门，如图5（a）所示。未加装层门，如图5（b）所示。门脚挂钩与地坎防脱件之间，如图5（c）所示。门板挂钩与门板防脱件之间，如图5（d）所示。

从图5（a）和图5（b）中可以看出，加装挂钩式防脱装置后，摆锤撞击力在撞击开始后4.5ms 达到峰值5113N；没有加装防脱装置的层门的撞击力峰值为3578N，由于层门脚靴与地坎之间在垂直方向上可以相对移动，撞击过程中导致层门脚靴与地坎脱离，可以看出，底部构件约束不足是造成这种老旧电梯层门在事故中被异常打开的直接原因。

从图5（c）和图5（d）可以看出，在加装挂钩式防脱装置后的层门撞击中，位于侧面的门套防脱挂钩主要承受了由于层门弯曲而产生的垂直（FZ）方向的力；位于底部的门坎防脱挂钩则同时承受了水平（FY）和垂直（FZ）方向的撞击反作用力，从而避免了层门底部与地坎的脱离，提高了层门的防撞性能。

图5 冲击过程中的接触力曲线Fig.5 Contact Force Curve During Impact

从表2 可以看出，加装挂钩防脱装置和未加装的层门组件中的最大塑性应变均没有超过对应材质的断裂延伸率，因此，撞击过程中不会发生因结构断裂导致的层门异常打开；而未加装挂钩组件的层门的最大塑性应变仅为0.002，因此，摆锤撞击未加装挂钩的层门时，层门产生的弹性变形是导致层门脚靴脱离地坎的主要原因，体现了在撞击过程中层门材质本身的强度未得到充分的利用；而加装挂钩的层门结构也仍具有较大的抗撞裕度。在45kg 摆锤冲击仿真基础上，通过直接施加冲击力，在满足120mm 永久变形规范范围内，分别计算带挂钩式防脱槽装置和不带挂钩电梯层门的最大耐撞力，结果表明，加装前不带挂钩层门最大耐撞击力为2765N；加装后带挂钩式防脱槽装置后层门最大撞击力为5974N；加装挂钩式防脱槽装置后的抗撞击能力是加装前的2.16 倍。

表2 摆锤冲击产生的最大塑性应变Tab.2 Maximum Plastic Strain Due to Pendulum Impact

3.2 试验验证及与分析结果对比

为了进一步验证挂钩式防电梯门脱槽装置的抗冲击能力和有限元分析结果的正确性，按照图4 装置要求搭建了摆锤冲击平台，如图6 所示。使用高速摄像机（1500 fps）记录冲击整个摆锤冲击变形，得到冲击过程中层门的最大撞击位移与永久变形位移，并与规范要求进行校核；并与有限元冲击分析结果进行对比。加装防脱装置的层门的永久变形，如图7 所示。冲击过程中加装防脱装置的层门的最大位移变形，如图8 所示。此次摆锤冲击试验的电梯层门分为加装挂钩防脱靴装置的老旧电梯层门和传统未加装防脱装置的老旧层门，单侧层门宽度均为475mm。试验结果如下：未加装挂钩防脱槽装置的电梯层门底部脚靴在实验过程中被撞脱开，不能满足现行《GB7588-2003》及其第1 号修改单中的要求；而加装挂钩式防脱槽装置后的电梯层门可以抵抗住45kg软摆锤的冲击，撞击后层门的永久变形小于标准要求的120mm。仿真分析结果与试验结果对比，如表3 所示。

图6 软摆锤撞击层门测试装置Fig.6 Soft Pendulum Test Device

图7 加装防脱装置的层门的永久变形Fig.7 Permanent Deformation with Anti-Dropout Device

图8 冲击过程中加装防脱装置的层门的最大位移变形Fig.8 Maximum Displacement and Deformation of Landing Door with Anti-Dropout Device During Impact

表3 仿真分析结果与试验结果对比Tab.3 Comparison of Analysis and Test Results

对比表3 中结果可知，软摆锤撞击试验与仿真分析结果趋势一致，永久变形结果和最大撞击位移结果相对误差小于10%，主要是由于软件分析和试验中的局部边界约束差异导致，误差在合理误差范围之内。

4 结论

（1）未加装挂钩式防脱槽装置的电梯层门脚靴在有限元分析和摆锤试验中均被撞脱开；而加装挂钩式防脱槽装置的电梯层门在有限元分析和摆锤试验中永久变形结果均小于规范120mm的要求，部件均未失去完整性，满足《GB7588-2003》及其第1 号修改单针对电梯层门的强度提出了抗摆锤冲击要求；同时，在满足120mm 永久变形规范的前提下，通过加大撞击力的方式，分析出在加装挂钩式防脱槽装置后的层门耐撞击力与加装前相比提高了2.16 倍。

（2）挂钩式防层门脱槽装置抗撞原理分析：①在摆锤试验中，传统未加装挂钩的层门脚靴脱离地坎导致整个下部层门被撞飞，而层门的强度并未达到材料的极限断裂强度，结构上有较大的改进裕度；②在层门底部以及侧面加装防脱槽挂钩后，撞击过程中，撞击力通过层门传递到挂钩和顶部导轮，进而将撞击力传递到地坎和门框；c.层门撞击后弯曲变形，门脚挂钩和侧门框的门套防脱挂钩从水平和垂直方向阻碍这一弯曲变形，进而将撞击弹性变形能转换为塑性变形能，吸收了部分撞击能量。

（3）软摆锤撞击试验结果与仿真分析结果永久变形和最大变形位移结果误差在合理误差范围之内，对后续同类产品进行仿真分析有较大的指导意义。