無機(jī)房電梯公共導(dǎo)軌支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化

引言

無機(jī)房電梯因其自身的優(yōu)勢(shì),成為各大電梯廠商主推的梯型之一。首先,無機(jī)房電梯因不需要額外的機(jī)房,為建筑商節(jié)約了成本。隨著中國(guó)老齡人口的增長(zhǎng),加上近年政府政策的支持,加裝梯的市場(chǎng)需求呈逐年上升的趨勢(shì),無機(jī)房電梯很好地滿足了加裝梯的要求。其次,隨著小型化主機(jī)、扁平式主機(jī)技術(shù)的發(fā)展,無機(jī)房井道顯著減小,提高了井道利用率。再則,隨著電梯技術(shù)的發(fā)展,無機(jī)房電梯從原來的最高1.5m/s速度、45m提升高度發(fā)展到目前大部分公司能提供2.5m/s速度、80m提升高度,基本上能覆蓋居民住宅樓的要求。

然而,市場(chǎng)上現(xiàn)有的無機(jī)房電梯基本上都采用將主機(jī)安裝在導(dǎo)軌頂端,由導(dǎo)軌支撐主機(jī)的設(shè)計(jì),因此,整個(gè)曳引系統(tǒng)的重量全部作用在導(dǎo)軌上,對(duì)導(dǎo)軌和導(dǎo)軌支架的強(qiáng)度有較高的要求。對(duì)于無機(jī)房電梯常用的公共導(dǎo)軌支架,因其用于固定對(duì)重導(dǎo)軌和一根轎廂導(dǎo)軌,故其強(qiáng)度對(duì)于電梯運(yùn)行的安全性及振動(dòng)都至關(guān)重要。本文對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中一款共用導(dǎo)軌支架強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化,可供日后類似的工程問題參考。

1導(dǎo)軌支架受力計(jì)算

公共導(dǎo)軌支架受力主要來源于兩根對(duì)重導(dǎo)軌以及一根轎廂導(dǎo)軌對(duì)其的水平作用力。因轎廂本身的偏載以及轎廂和對(duì)重懸掛點(diǎn)的偏差,導(dǎo)軌支架實(shí)際受力可分為多種情況。本例中,當(dāng)Fy-CwT和Fx-Car作用于同一方向,并且Fx-CwT與Fy-Car相向作用,擠壓導(dǎo)軌支架時(shí),受力情況最為惡劣,支架變形量最大。故以此工況作為受力分析基準(zhǔn),如圖1所示。

參照GB7588一2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中的導(dǎo)軌受力計(jì)算公式以及行業(yè)內(nèi)其他工程人員的研究方法,對(duì)導(dǎo)軌在不同工況時(shí)受到的水平作用力進(jìn)行了計(jì)算。導(dǎo)軌支架受到的力,即為導(dǎo)軌受力的反作用力,數(shù)值上相等。本文以1150kg、1.75m/s的普通客梯為例,對(duì)導(dǎo)軌支架水平受力進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算所需的配置信息如表1所示。

對(duì)于轎廂導(dǎo)軌水平力,分別計(jì)算安全鉗動(dòng)作工況、正常運(yùn)行工況、裝卸工況,并取最大值:對(duì)于對(duì)重導(dǎo)軌水平力,分別計(jì)算安全鉗動(dòng)作工況、正常運(yùn)行工況,并取最大值。參照GB7588一2003標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算得到導(dǎo)軌支架水平受力如表2所示。

2導(dǎo)軌支架強(qiáng)度分析

選取安全鉗動(dòng)作時(shí)的水平力作為導(dǎo)軌支架的加載力,進(jìn)行受力分析。在Ansys里建立模型,導(dǎo)軌支架材料選用0235A。因所用滑動(dòng)導(dǎo)靴與導(dǎo)軌接觸面的長(zhǎng)度為125mm,故截取一段125mm長(zhǎng)的導(dǎo)軌作為導(dǎo)軌支架水平受力的加載面。按表2計(jì)算值施加導(dǎo)軌支架受力。為簡(jiǎn)化計(jì)算,導(dǎo)軌支架與井道壁接觸面做固定約束處理。受力和約束情況如圖2所示。

圖2受力和約束情況

由分析結(jié)果可知,導(dǎo)軌支架最大變形量為3.2mm,出現(xiàn)在轎廂導(dǎo)軌與支架連接處,如圖3所示。支架角鋼焊接處,除應(yīng)力集中點(diǎn)外,周圍最大應(yīng)力小于200MPa,且其余部分應(yīng)力較小,如圖4所示。因此導(dǎo)軌支架強(qiáng)度沒有問題。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到轎廂導(dǎo)軌與支架連接處變形量過大,對(duì)轎廂運(yùn)行過程中水平振動(dòng)有較大影響,本例中,對(duì)導(dǎo)軌支架結(jié)構(gòu)做優(yōu)化設(shè)計(jì),通過減小轎廂導(dǎo)軌側(cè)支架變形量,縮小轎廂水平位移,從而達(dá)到改善轎廂乘坐舒適度的目的。為了減小支架變形量,可增加支架槽鋼厚度,或添加加強(qiáng)筋。實(shí)際工程應(yīng)用中,維護(hù)較少的鋼材規(guī)格有利于工廠資材管理和成本控制,故本例中,保持鋼材厚度不變,采用添加加強(qiáng)筋的方案。

初始設(shè)計(jì)方案如圖5所示。在固定轎廂導(dǎo)軌側(cè)槽鋼凹槽處添加4個(gè)5mm厚加強(qiáng)筋,相對(duì)位置如圖所示。加強(qiáng)筋分布的位置不同,對(duì)變形量的改善效果也不同。為達(dá)到最優(yōu)化效果,本文采用DoE優(yōu)化方法,借用AnsysworkbenchDirectoptimization強(qiáng)大的計(jì)算能力,在初始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,尋求變形量最小值的最優(yōu)解。DoE實(shí)驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)改進(jìn),其能通過較少次數(shù)的試驗(yàn),找到所需優(yōu)化結(jié)果影響因素的最佳組合,從而避免了重復(fù)修改設(shè)計(jì)模型,提高了設(shè)計(jì)效率。

圖5初始優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

本例中定義加強(qiáng)筋相對(duì)于初始方案的水平移動(dòng)量分別為AD1和AD2。左邊兩塊加強(qiáng)筋和右邊兩塊以支架為中心,左右對(duì)稱移動(dòng)。定義朝內(nèi)移動(dòng)為負(fù)方向,朝外為正方向。以上述兩個(gè)位移值為優(yōu)化輸入?yún)?shù),設(shè)定了參數(shù)范圍如表3所示。將導(dǎo)軌支架最大位移量P1作為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為求最小值,上限為

3.2mm。

為了提高計(jì)算效率,本例中設(shè)置優(yōu)化樣本為15組。AnsysDirectoptimization模塊按照表4設(shè)定的優(yōu)化范圍自動(dòng)生成優(yōu)化樣本,并計(jì)算得到優(yōu)化結(jié)果,如表4所示。

由表4可知,第12組樣本為最優(yōu)樣本。最終結(jié)構(gòu)可參照第12組優(yōu)化結(jié)果取整,即加強(qiáng)筋位置分別向外移動(dòng)38mm和75mm,此時(shí)導(dǎo)軌支架最大變形量為2.764mm。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于Ansysworkbench對(duì)無機(jī)房公共導(dǎo)軌支架強(qiáng)度做了分析,并采用DoE優(yōu)化方法,對(duì)導(dǎo)軌支架最大變形量做了優(yōu)化計(jì)算,提出了一種減小導(dǎo)軌支架變形量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明,優(yōu)化后的變形量相對(duì)于初始設(shè)計(jì)顯著減小:同時(shí),DoE優(yōu)化方法的采用提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。本文的研究為實(shí)際工程應(yīng)用中的類似問題提供了一種可行的解決方法。實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以通過增加樣本數(shù)量來達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化的目的。同時(shí),實(shí)際設(shè)計(jì)中可能還會(huì)遇到多目標(biāo)優(yōu)化的需求,有限元強(qiáng)度分析結(jié)合DoE優(yōu)化方法,可減少優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作量,能夠極大地提高設(shè)計(jì)效率,尋求最優(yōu)化方案,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。