圓環提升機安全裝置的研究

王 迅

（蘇州大學，江蘇 蘇州 215000）

圓環提升機安全裝置的研究

王 迅

（蘇州大學，江蘇 蘇州 215000）

本文以圓環提升機的安全裝置為研究對象，分析了圓環提升機安全裝置的工作原理，對提拉機構進行了運動分析，最后利用Adams軟件對安全裝置進行了動力學仿真，得到了滿意的仿真結果。

提升機；安全裝置；安全鉗；可靠性；仿真

0 引言

圓環提升機作為一種垂直運輸升降設備，主要承擔著垂直運輸人員及物料的工作。安全鉗、限速器及安全鉗提拉機構是圓環提升機安全裝置的重要組成部分，電梯發生故障時，通過安全裝置的制動功能保障提升機中人員的生命安全。本文對圓環提升機安全裝置的工作原理進行了介紹，對提拉機構進行了運動分析，并結合Adams軟件對其進行了動力學仿真。

1 安全裝置的工作原理

為了保證圓環提升機運行的安全性，設備的運行系統中設置了安全保護裝置以及限速器，限速器和安全保護裝置是聯動機構。提升機在運行時，圓環形的轎廂沿著塔身中的導軌槽上運行，當提升機發生故障時，轎廂下降速度過快，在達到限速器的額定限制速度時，限速器會立即動作，限速器與安全保護裝置會將轎廂兩側的制動楔形塊提起，使得轎廂制動。此時安全保護裝置上的電器開關觸點被觸發，電氣聯鎖開關發生動作，轎廂曳引機停止運轉。通過這兩種方式的保護，使得提升機在發生故障時的安全性得到保障。

圖1為圓環提升機的安全提拉機構，它是由左右兩側拉條、轉軸、底板和彈簧以及相應的支撐部件和連接部件組成，本文研究的安全按提拉機構的的工作原理為：當限速器動作后，限速器連接頭向上提拉，通過帶動環形轉軸使得兩側連桿順序動作，進而同時提起左右兩側的楔形塊，使得電梯轎廂可靠制動?？梢钥闯觯踩Q提拉機構的結構形式主要由安全鉗的結構類型和轎架的結構共同決定的。

圖1 圓環式安全鉗連桿提拉機構

2 提拉機構的運動分析

環形提拉機構的部分結構力學模型可簡化成曲柄滑塊機構，如圖2所示。曲柄AB的長度為γ2=50mm，AB的角位移為θ2，AB的旋轉角速度為w2，旋轉角加速度為a2，連桿BC的長度為γ3=125mm，旋轉角位移為θ3，旋轉角速度為w3。

曲柄滑塊機構是一種應用比較普遍的機構模型，它能將曲柄的轉動轉換為從動件的直線運動；根據曲柄的運動角速度等參數，可以求出機構中某些點的位移，速度和加速度。

圖2 提拉機構運動簡圖

根據上面的曲柄滑塊運動簡圖，圖中取A點為坐標原點，則構件AB、BC與AC之間的向量關系為：

將上面的構件之間的位移向量關系分別分解到x和y軸方向上，得出以下公式：

將上述的位移方程對時間t求導，得到曲柄滑塊的速度方程：

將上面的速度方程寫成矩陣的形式得：

將上述的速度方程對時間t求導得：

將其寫成矩陣的形式得到下式：

這就是曲柄滑塊的加速度方程。根據上述計算公式，就能根據曲柄的旋轉角速度w2，就可求出B點位移和滑塊的運行距離等參數。

3 安全裝置的動力學分析

安全鉗的制動距離、制動力和制動時間這幾個參數是瞬時式安全鉗性能好壞評價的主要指標，本文利用Adams軟件瞬時安全鉗進行動力學仿真試驗分析。

3.1 仿真模型的建立

將在SolidWorks中建立完成的安全裝置模型導入到ADAMS中，定義好基本參數后，根據安全裝置實際所受約束情況分別對其施加固定、滑動和接觸約束。在安全裝置的建模過程中，對安全制動裝置的結構進行了必要的簡化，以防止導入ADAMS中模型失真的情況的發生。安全裝置的仿真模型如圖3所示。

3.2 載荷與約束的添加

導入ADAMS的模型，各個零件間的連接關系需要重新定義，因此給模型添加約束是模型運動和決定仿真能否輸出結果的關鍵。在對安全裝置進行動力學仿真之前，需要對模型的剛度、摩擦力參數以及接觸力指數和阻尼大小進行確定，導軌與楔塊的間的約束為接觸副約束，它們之間的動摩擦系數為0.3，靜摩擦系數定為0.4，楔塊與鉗體之間的約束同樣為接觸副約束，兩者之間的靜摩擦系數為0.03，動摩擦系數為0.02。導軌與地面間的約束為接觸副約束，圓環轎廂與地面間為移動副約束，對各實體間的約束形式以及摩擦系數定義之后即可進行模型的動力學仿真。

圖3 安全裝置在ADAMS中的仿真模型

3.3 仿真結果

如圖4所示為轎廂位移曲線，圖5為轎廂速度曲線。

圖4 轎廂位移曲線

圖5 轎廂速度曲線

可以看出，升降機圓環轎廂在安全鉗的制動過程一般分為3個階段。階段l：升降機鋼絲繩斷裂后圓環轎廂就成自由落體，當轎廂速度已經達到1.0 m/s左右，限速器繩才提拉起安全鉗動楔塊和導軌接觸；階段2：安全鉗的動楔塊與導軌接觸，將轎廂制停于導軌上；階段3：安全裝置制動過程結束，安全鉗將轎廂完全制停在導軌上。

轎廂剛開始（t=0）以額定速度500 mm/s做自由落體運動，當t = 0.025 s 時，后來轎廂由于限速器提拉制動作用開始做減速運動，當安全鉗動楔塊與導軌接觸時，轎廂速度已經加速到0.9 m/s左右；從圖中還可以看出曲線在很短的一段時間內有振蕩的現象，主要是因動楔塊與導軌兩實體在制動過程中會產生一定的沖擊作用。

如圖6所示是安全鉗制動力曲線。

圖6 轎廂制動力曲線

可以看出，安全鉗制停過程中的制停力也分3個階段。升降機曳引系統繩索斷裂，圓環轎廂做自由落體達到限速器額定速度的115%時動作，這時限速器繩頭提起安全鉗動楔塊，但動楔塊還未和導軌接觸，此時安全鉗不受制動力；瞬時式安全鉗的動楔塊被提拉與導軌接觸，轎廂被制停在導軌上；圖中的脈沖主要有兩個，首先是限速器提拉安全鉗楔形塊后，與導軌產生接觸，此時轎廂與安全鉗的沖擊載荷產生第一個脈沖，碰撞之后轎廂反彈回落后與安全鉗再次碰撞產生第二個脈沖；圓環轎廂停止不動，整個制動過程結束，此時安全鉗受力變為恒值。

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王迅（1985—），女，江蘇蘇州人，講師，主要從事機械設計及機械電子方面的研究工作。