菱形表面電梯安全鉗制動溫升測量研究*

張 雍，金仲平，王滌宇，呂信策，林 榮，黃松檀

(1.臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心，浙江 臺州 318000；2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引 言

作為電梯機械保護環(huán)節(jié)中關(guān)鍵部件之一的安全鉗，是防止電梯轎廂墜落的最后一道屏障。例如曳引鋼絲繩或懸掛裝置斷裂，轎廂自由落體，此時安全鉗必須得有足夠的摩擦力將轎廂制停在導(dǎo)軌上避免發(fā)生事故。漸進式安全鉗在制停過程中，轎廂及載重的機械能主要被鉗塊和導(dǎo)軌之間的摩擦所消耗，鉗塊和導(dǎo)軌之間接觸滑動產(chǎn)生的摩擦功大部分轉(zhuǎn)化為熱能。摩擦熱會帶來接觸表面溫度的升高，導(dǎo)致接觸材料的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而改變安全鉗制動性能進而引發(fā)事故[1-3]。

目前安全鉗型式試驗僅包括減速度、制動速度及制動距離等機械性能的測試，因此有必要對鉗塊進行制動溫升測量。李根義與倪陸[4-5]利用有限元軟件，通過將摩擦產(chǎn)生的熱量處理為熱邊界條件施加到鉗塊上，對防爆升降機和電梯的安全鉗進行摩擦生熱問題模擬仿真分析；姚俊[6]從系統(tǒng)能量的角度求取瞬時熱流密度的解析表達式，并將所得瞬時熱流密度作為邊界條件施加到鉗塊上進行仿真分析；金川[7]提出了一種新的摩擦模型，并編寫子程序進行安全鉗制動摩擦溫升仿真分析。上述研究都是針對平滑表面的安全鉗進行制動溫升仿真分析，利用能量轉(zhuǎn)化原理計算熱流密度，并作為邊界條件加載到鉗塊上進行傳熱分析。

本文將對菱形表面的安全鉗制動溫升測量方法進行研究，并與數(shù)值仿真分析進行比較。

1 安全鉗制動傳熱分析及鉗塊材料性能與熱物性參數(shù)

安全鉗制停過程中，整個動作過程從開始到結(jié)束的時間t內(nèi)，系統(tǒng)機械能的改變量大部分被用于整個整個制動系統(tǒng)的鉗塊界面的摩擦溫升，小部分以其他形式損耗掉。

制停過程中的重力勢能變化量為:

W1=mgh

(1)

(2)

式中：h—制動距離；v0—鉗塊動作時的初速度；a—制動減速度。

動能的變化量為：

(3)

v=v0-at

(4)

因此，整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為溫升的摩擦能量為:

W=(W1+W2)η

(5)

式中：η—系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換為熱能的比率，一般取值為0.85～0.9。

熱量、比熱、質(zhì)量、溫度等之間的計算關(guān)系為：

W=Q=Cm*(T2-T1)

(6)

式中：Q—熱量；C—比熱；m—鉗塊質(zhì)量；T1—初始溫度；T2—最大溫度。

鉗塊在導(dǎo)軌上制動滑行，鉗塊上不斷聚集熱量，所以需確定鉗塊材料性能與熱物理性參數(shù)，本研究將與安全鉗相同材料制成的試件放到萬能拉壓試驗機上進行不同溫度下的壓縮試驗，得到不同溫度下鉗塊材料的彈性模量和泊松比，如表1所示。

表1 不同溫度下鉗塊材料的彈性模量和泊松比

鉗塊材料的熱膨脹系數(shù)通過熱膨脹儀進行測試，得到不同溫度下鉗塊材料的熱膨脹系數(shù)，如表2所示。

表2 不同溫度下鉗塊的熱膨脹系數(shù)

本研究通過查閱相關(guān)文獻，根據(jù)《GB/T22588-2008閃光法測量熱擴散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》的規(guī)定，利用激光擴散導(dǎo)熱儀測試得到鉗塊材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容，如表3所示。

表3 不同溫度下鉗塊材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容

由文獻[8]得到鉗塊材料摩擦系數(shù)隨溫度的變化，如表4所示。

表4 不同溫度下鉗塊材料的摩擦系數(shù)

本研究采用微機控制電子萬能試驗機，進行安全鉗靜壓夾持力試驗，其最大試驗力為100 kN，準確度等級為1級，如圖1所示。

圖1 安全鉗靜壓夾持力試驗

最大壓縮力分別為19 260 N、16 087 N、47 853 N和53 322 N。測試得到的夾持力加載到鉗塊背面作為制動壓力。

試驗得到力與時間的曲線如圖2所示。

圖2 力-時間曲線

2 安全鉗制動溫升有限元分析

2.1 三維模型及網(wǎng)格劃分

本文采用Abaqus對安全鉗制動溫升過程進行分析，首先在Solidworks里建立鉗塊和導(dǎo)軌的三維模型，如圖3所示。

圖3 鉗塊導(dǎo)軌三維模型

本研究通過Hypermesh對鉗塊和導(dǎo)軌進行簡化及網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 鉗塊和導(dǎo)軌網(wǎng)格劃分

在該模型中，導(dǎo)軌在與鉗塊的接觸區(qū)域及菱形凸起網(wǎng)格劃分的較密，因鉗塊表面的摩擦溫升是研究的目的，網(wǎng)格劃分最密，定義為從面，單元邊長為0.2 mm；導(dǎo)軌網(wǎng)格劃分相對疏一點，定義為主面，單元邊長0.3 mm。整個模型的單元數(shù)量為50 906，其中導(dǎo)軌單元數(shù)為35 728，單元類型為C3D8T，為六面體單元；鉗塊單元數(shù)為15 178，單元類型為C3D4T，為四面體單元。

鉗塊材料是合金鋼，導(dǎo)軌材料是Q235，其材料參數(shù)如表5所示。

表5 Q235和合金鋼材料參數(shù)

2.2 載荷及邊界條件

因進行4組仿真，本研究對鉗塊背面施加均布壓力為47 853 N、53 322 N、19 260 N和16 087 N，即鉗塊背面的面壓分別為22 657 670 Pa、25 247 159 Pa、9 119 318 Pa和7 616 950 Pa。對導(dǎo)軌的底面進行全自由度約束。鉗塊背面放開X和Z方向的自由度，放開X方向自由度是因為已在X方向施加了均布壓力，在鉗塊Z方向定義速度的幅值曲線使鉗塊在導(dǎo)軌上運動。整個模型的初始溫度和環(huán)境溫度都為20 ℃。

載荷設(shè)置示意圖如圖5所示。

圖5 載荷設(shè)置示意圖

各次仿真試驗速度加載如圖6所示。

圖6 各次仿真試驗速度加載

2.3 仿真結(jié)果分析

本研究共進行4組仿真，得到各組仿真最高溫升結(jié)果分布圖，如圖7所示。

圖7 各組仿真最高溫升結(jié)果分布圖

從圖7可知：第1組仿真試驗載荷為3 t，額定速度2.5 m/s，制動速度為3.55 m/s，最高溫度是210.1 ℃；第2組仿真試驗載荷為3 t，額定速度1.5 m/s，制動速度為2.55 m/s，最高溫度是184.4 ℃；第3組仿真試驗載荷為4 t，額定速度2.5 m/s，制動速度為3.61 m/s，最高溫度是244.9 ℃；第4組仿真試驗載荷為4 t，額定速度1 m/s，制動速度為2.16 m/s，最高溫度是168.7 ℃。對比圖7(a)和圖7(b)，圖7(c)與圖7(d)，在同載荷不同初速度的情況，明顯看出速度大的最高溫升要大于速度小的；比較圖7(a)與圖7(c)，是同初速度不同載荷情況，可看出載荷大的最高溫升比載荷小的大；對比圖7(b)與圖7(d)，不同載荷不同初始度情況，載荷大的速度小的最高溫升小于載荷小的速度大的。

3 安全鉗制動溫升測量試驗

試驗第一步安裝熱電偶，由于用熱電偶直接測量鉗塊與導(dǎo)軌摩擦表面溫度難度很大，且為了能更好的測得鉗塊表面的摩擦溫升，在鉗塊表面的不同區(qū)域埋熱電偶，具體位置如圖8所示。

圖8 熱電偶安裝位置

由于制動過程時間比較短，對溫度記錄儀的反應(yīng)時間要求比較高，本文選用0.1 s記錄3次的多通道溫度記錄儀。在圖8中前面兩個鉗塊用直徑為0.15 mm的K型電偶絲，后面兩個鉗塊用直徑為0.15 mm的J型在，都用高溫導(dǎo)熱膠水固定。

試驗在寧波某電梯安全部件有限公司試驗塔進行。試驗中，架體(轎廂)上放置砝碼模擬載重。在試驗前，把架體拉升到預(yù)定高度，額定速度2.5 m/s對應(yīng)滑行距離660 mm，額定速度1.5 m/s對應(yīng)滑行距離342 mm，額定速度1 m/s對應(yīng)滑行距離245 mm，架體脫離配重框和吊鉤自由落體，在下落的過程中轎廂架體會碰到預(yù)先在導(dǎo)軌上定位好的撞塊，撞塊撞擊活動鉗塊后觸發(fā)安全鉗動作，最終使轎廂架體制停在導(dǎo)軌上。

撞塊安裝示意圖如圖9所示。

圖9 撞塊安裝示意圖

本研究進行了4次溫升測量試驗，第1次額定速度2.5 m/s、載重3 t；第2次額定速度1.5 m/s、載重3 t；第3次額定速度2.5 m/s、載重4 t；第4次額定速度1 m/s、載重4 t。前兩次都是采用K型熱電偶進行測量，后兩次同時采用J型熱電偶，都埋在上部鉗塊凹槽里。

本研究得到的最高溫升歷程如圖10所示。

圖10 4次試驗最高溫升歷程

由圖10(a～b)可知：試驗(1，2)中的熱電偶埋在鉗塊中部并用K型熱電偶，載重同為3 t，額定速度為2.5 m/s和1.5 m/s，測得最高溫升分別為67.5 ℃和57 ℃；由圖10(c～d)可知：試驗(3，4)中的熱電偶埋在鉗塊中部并用K型熱電偶和上部中間勾槽處埋J型熱電偶，載重同為4 t，額定速度為2.5 m/s和1 m/s，K型熱電偶測得最高溫升分別為78.6 ℃和63 ℃；J型

熱電偶測得最高溫升分別為243.8 ℃和162 ℃。總結(jié)得：K型熱電偶且埋在鉗塊中部，載重3 t，額定速度為2.5 m/s，最高溫升在67 ℃～70 ℃；K型熱電偶且埋在鉗塊中部，載重4 t，額定速度為2.5 m/s，最高溫升在77 ℃～80 ℃；J型熱電偶且埋在鉗塊上部中間勾槽處，載重4 t，額定速度為2.5 m/s，最高溫升在223 ℃～225 ℃。從圖10(c)和圖10(d)可知：鉗塊上部中間的勾槽里，測得溫度更符合，同時也可看出J型熱電偶相較于K型更合適。

4 結(jié)束語

本文研究了菱形表面安全鉗制動過程的溫升測量方法，從仿真分析和試驗角度分別測量安全鉗制動過程中其表面溫升變化。

研究結(jié)果表明：額定速度在2.5 m/s以下的制動溫升試驗，測量溫度傳感器宜用J型熱電偶，并將其埋在鉗塊上部第二排菱形凸起的中間溝槽里，測得的最高溫度與仿真結(jié)果基本相符，同時由溫度記錄儀顯示最高溫升發(fā)生在制動開始階段，鉗塊溫升最高區(qū)域在其上部第1排菱形塊到第3排之間，可對此區(qū)域的鉗塊表層進行特殊處理并增加菱形凸起間的縫隙以保證散熱。

參考文獻(References):

[1] BOWDEN F P, THOMAS P H. The surface temperature of sliding solids[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyA,1954,223(1152)：29-40.

[2] LIM S C, ASHBY M F, BRUNTON J F. The effect of sliding conditions on the dry friction of metals[J].ActaMetallurgica,1989,37(3)：767-772.

[3] MOLINARI A, ESTRIN Y, MERCIER S. Dependence of the coefficient of friction on sliding conditions in the high velocity range[J].JournalofTribology,1999,121(1):35-41.

[4] 李根義,詹 佳,楊子江.基于熱流密度加載的防爆升降機安全鉗制停溫升仿真分析[J].機電設(shè)備,2015(s1)：39-42.

[5] 倪 陸,張清鵬.防爆電梯轎廂安全鉗制動摩擦溫升的仿真分析[J].國外電子測量技術(shù),2010,29(11):21-23.

[6] 姚 俊,薛季愛,江 浩,等.防爆電梯安全鉗制停摩擦溫升數(shù)值模擬與實驗研究[J].機電一體化,2011(12):13-17.

[7] 金 川,史 熙.高速電梯安全鉗制動摩擦溫升的有限元分析[J].機械設(shè)計與研究,2015,31(2)：136-139.

[8] 李 龍.溫度對輪軌摩擦副摩擦系數(shù)和磨損的影響研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院,2015.