曳引電梯機械結構設計

溫 敏

廣東廣立電梯有限公司

曳引電梯機械結構設計

溫 敏

廣東廣立電梯有限公司

電梯是現代建筑的重要組成部分，是高層建筑、大型商場、民用住宅樓等必不可少的電氣設備。根據電梯結構的不同，電梯的劃分也很多，但是大多數的電梯組成都是靠電機拖動和鋼絲繩拽引的形式來使電梯運行的。例如，主軸作為電梯曳引機承載的重要零件，主要起到承載和傳遞動力的作用。基于此，文章就曳引電梯機械結構設計進行簡要的分析，希望可以提供一個有效的借鑒，從而更好的促進電梯設計水平的提升。

曳引電梯；機械結構；設計方法

1.電梯曳引機概況

1.1 電梯曳引機驅動系統發展階段

1889年，第一臺以直流電動機為動力的升降機在美國紐約市成功安裝使用，電力首次應用于升降機系統，成為名副其實的“電梯”，隨著平層微動裝置及信號控制系統的設計使用，電梯驅動與控制系統逐步進入自動化、智能化控制階段。電梯的曳引機系統大致經歷三個發展階段：直流電機階段、交流感應電機階段和永磁同步曳引機階段，與之相對應的電梯驅動技術也經歷了由直流電機驅動到交流雙速驅動、交流調壓驅動、交流變頻變壓驅動的發展階段。

1.2 電梯曳引機主要部件

曳引機系統主要部件包括電動機和制動器，系統其他部件包括曳引輪、聯軸器等。曳引機電機是電梯最為關鍵的部件，是整個電梯的動力來源，目前主要應用永磁同步曳引機作為動力裝置。制動器是電梯安全的重要保障，目前電梯制動器主要采用電磁制動器來保障電梯的性能穩定。

2.曳引電梯機械系統結構設計

2.1 減速器的設計

蝸桿減速器的主要優點是：結構緊湊，體積小巧，運行穩定，無噪音，沖擊振動小，具有一定的自鎖功能。它的缺點是：與齒輪減速器相比傳動效率低，并且需要使用貴重的有色金屬。

行星齒輪減速器的優點是：體積小巧、重量輕、傳動效率高可以實現很大的減速比，現實中在許多情況下行星減速器可代替二級三級的普通齒輪減速器和蝸桿減速器使用。

綜合上述，蝸桿減速器更適合作為本次設計的電梯曳引機的減速器。蝸桿減速器傳動效率一般在18～120范圍內，要求齒輪齒數大于30。蝸桿減速器的減速比是指蝸桿的轉速與蝸輪的轉速比也就是蝸輪齒數Z2與蝸桿Z1頭之比。實現電動機的轉速經過減速器后將速度降到所需要的。

2.2 制動器的設計

制動器是一個使運動機構減速、停止或讓其保持靜止狀態功能的裝置，俗稱剎車、閘。制動器一般是由制動架、制動電磁鐵、拉桿、制動臂及閘瓦機構組成。設計選擇電磁制動器。電梯處于停車狀態時，電磁制動器的線圈及曳引電動機都沒有電流通過，此時電磁鐵芯間沒有電磁力的作用，制動閘瓦在制動彈簧力的作用下，將電機轉軸抱緊，達到電梯靜止的目的；當曳引電動機接電瞬間，電磁制動器中的線圈同時通電，則電磁制動器的鐵芯迅速磁化吸合，電磁鐵的磁力將大于彈簧對制動臂的作用力，使制動閘瓦塊張開，與電機轉軸輪分來，機電軸開始旋轉帶動電梯正常運行；當電梯轎廂有運動變成停車的瞬間，曳引電動機斷電，電磁制動器中的線圈也同時斷電，電磁鐵的磁力馬上消失，制動臂在彈簧力的作用下復位，使制動閘瓦塊再次將電機轉軸抱死，電梯穩定停車。

2.3 主軸的設計

主軸在電梯工作時，其承受的載荷極其復雜，實際設計時，較難確定按照哪種工況下的強度計算是可靠的。因而本文結合工程師的實踐經驗，對主軸處于空載上行、空載下行、滿載上行及滿載下行四種工況分別進行計算，得出各工況下的受力分別為10604.55N、10831.35N、22561.35N以及13666.35N。基于上述四種工況的計算可以得知：當電梯處于滿載上行時，主軸系統承受的載荷最大。因而本文利用ANSYS有限元軟件對滿載上行的工況進行數值模擬，在主軸的靜力分析之中，材料采用40Cr合金結構鋼，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.27，屈服強度為785MPa，抗拉強度為980MPa。為了優化網格劃分的質量和提高計算速度，可以將不影響強度的螺紋孔與花鍵結構忽略。此外，用其后處理程序對主軸系統處于滿載上行工況下的等效應力及位移等進行分析。

2.4 控制系統電路設計

控制電路系統是電梯系統的指揮中心，負責向系統各個模塊部件發出指令，使整個系統高效運行。控制系統電路采用DSP芯片核心處理系統電路，還包括電源控制電路、編碼器信號調理電路、傳感器信號調理電路等組成部分。電源控制模塊對系統電源進行控制，為核心芯片提供穩定電壓，保證芯片正常運行，設計時需要降低電源電路的復雜性，提高系統的可靠性。主控制電路以DSP芯片為核心，處理曳引機驅動系統和安全保護系統的信號與命令，DSP核心控制電路設計的合理性和高效性為電梯穩定高效運行提供保障。傳感器信號調理電路通過對傳感器信號的處理，將傳感器監測到的運行信息調理為DSP芯片可以識別的信號，便于主控制系統對系統的運行狀態進行判斷。

2.5 聯軸器的設計

聯軸器是用來連接兩個不同機構中的兩根軸使它們達到相同旋轉速度旋轉方向，并傳遞扭矩的機械裝置。在高速和重載的傳動系統中，一些類型聯軸器還具有減振、緩沖和提高軸對中的性能。聯軸器一般分為兩部分，一部分連接到主動軸一部分連接到從動軸。在本設計中蝸桿減速器的蝸桿軸和電機轉軸在同一軸線上，當電機軸旋轉時帶動蝸桿軸旋轉。

2.6 曳引輪設計

曳引輪參數的計算

曳引輪直徑 D≥40d(d 為鋼絲繩直徑)。

i-減速器傳動比；

e-曳引比；

n-電動機的轉速(r/min)；

D60=0.25×2×30/(3.14×2800)～100mm，所以取D=100mm＞40d =80mm。

總之，曳引電動機是電梯傳動系統中的驅動元件，曳引電動機電梯是傳動系統的一個重要組成部分，設計時應充分考慮電梯系統的高效性、安全性、可靠性，保障驅動控制系統性能的同時也保證系統的安全可靠運行，對電梯設計者、制造者和使用者都具有十分重要的意義。

[1]潘峰.電梯曳引鋼絲繩使用安全性能影響因素分析[J].金屬制品，2016，04：47-50.

[2]甘鋒.電梯曳引機封星技術的探討[J].科技創新與應用，2016，26：147.