基于ANSYS的電梯鋼絲繩失效檢測(cè)有限元分析

陳征宇 葉玉龍

（安慶市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽安慶246000）

0 引言

隨著樓房高度的不斷增加，對(duì)電梯的需求量也在不斷增加。電梯出現(xiàn)故障會(huì)給人們的生命安全帶來(lái)較大的安全隱患，據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，電梯的故障類(lèi)型中，由于鋼絲繩出現(xiàn)的問(wèn)題占據(jù)較大的比重。因此，為了提高電梯的可靠性和安全性，必須定期對(duì)電梯鋼絲繩進(jìn)行失效檢測(cè)，及早排查電梯的安全隱患，保障電梯可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。電梯鋼絲繩有多種失效形式，例如：截面積變小，發(fā)生變形、斷裂、磨損。在一些歐洲國(guó)家，已經(jīng)制定了鋼絲繩人工視覺(jué)檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)辦法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也制定了多種檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要介紹幾種常見(jiàn)的檢測(cè)辦法，并利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)鋼絲繩模型進(jìn)行仿真研究，分析鋼絲繩失效的原理，并提出一定的解決辦法。

1 電梯鋼絲繩失效檢測(cè)方法

電梯鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)有多種方法，如LF檢測(cè)法、LMA檢測(cè)法、弱磁傳感器檢測(cè)技術(shù)。

LF檢測(cè)法主要是利用磁場(chǎng)的原理，當(dāng)鋼絲繩發(fā)生磨損、斷絲、生銹等現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)問(wèn)題的部位就會(huì)發(fā)生磁場(chǎng)的變化，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)變化的監(jiān)測(cè)，就可以判定鋼絲繩是否失效。

LMA檢測(cè)法主要是利用電磁學(xué)的原理，金屬材料內(nèi)部的磁通量和金屬的面積呈一定的線性關(guān)系，當(dāng)金屬的面積發(fā)生變化時(shí)，其磁通量也會(huì)發(fā)生變化，由此可以判定鋼絲繩是否出現(xiàn)問(wèn)題。

隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，弱磁傳感器檢測(cè)技術(shù)在電梯鋼絲繩檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也在很大程度上推動(dòng)了電梯鋼絲繩檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。其主要原理是通過(guò)傳感器采集磁場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼后輸入計(jì)算機(jī)，然后對(duì)電梯鋼絲繩出現(xiàn)問(wèn)題的位置進(jìn)行判斷。這種檢測(cè)方法效率相對(duì)較高，對(duì)保證電梯的安全運(yùn)行發(fā)揮了非常重要的作用。

2 電梯鋼絲繩受力數(shù)值仿真

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文主要以應(yīng)用最多的小區(qū)住宅房的電梯鋼絲繩為例，進(jìn)行模型的建立和網(wǎng)格的劃分，鋼絲繩規(guī)格型號(hào)主要是采用8*19S+FC-8mm、8*19S+FC-10mm。為了簡(jiǎn)化仿真模型和減少網(wǎng)格的數(shù)量，本文主要以一根鋼絲繩為計(jì)算模型，通過(guò)三維軟件SolidWorks進(jìn)行模型建立，并導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行仿真計(jì)算，采用mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于鋼絲繩的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后，節(jié)點(diǎn)數(shù)為38 026，單元數(shù)為8 355，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查后可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以保證模型計(jì)算精度。網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

圖1 模型劃分網(wǎng)格

2.2 邊界條件的設(shè)置

一般的高層住宅電梯可載十人左右，電梯自身的重量約為300 kg，乘客的重量約為700 kg，因此在電梯鋼絲繩模型上施加10 000 N的拉力，電梯鋼絲繩圍繞滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪部分設(shè)置為固定的約束。鋼絲繩的材料往往不僅是單純的結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過(guò)加權(quán)處理后，對(duì)鋼絲繩的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。

2.3 求解計(jì)算

邊界條件設(shè)置完成以后，即開(kāi)始對(duì)鋼絲繩進(jìn)行受力分析，主要考慮鋼絲繩的變形、應(yīng)力，因此在求解結(jié)果中選擇查看總應(yīng)力、總變形、局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，如圖2～圖4所示。

圖2 電梯鋼絲繩應(yīng)力云圖

圖3 電梯鋼絲繩總變形云圖

圖4 電梯鋼絲繩應(yīng)力局部云圖

由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中主要發(fā)生在電梯鋼絲繩和滾輪接觸的地方，且拉動(dòng)電梯的一側(cè)要比配重的一側(cè)應(yīng)力集中更為明顯，不考慮網(wǎng)格密度對(duì)結(jié)果的影響，可以認(rèn)為此時(shí)的應(yīng)力集中最大值為3 000 MPa。通過(guò)觀察應(yīng)力云圖還可以發(fā)現(xiàn)，在鋼絲繩與滾輪剛接觸的地方應(yīng)力集中較為明顯，這種應(yīng)力集中可能會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩在此處出現(xiàn)明顯的磨損，滾輪在應(yīng)力的作用下也較容易出現(xiàn)磨損，從而會(huì)影響電梯的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在對(duì)電梯鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)著重對(duì)以上描述的兩個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)觀察電梯鋼絲繩變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，電梯鋼絲繩的變形較小，因此在電梯鋼絲繩檢測(cè)時(shí)，可以適當(dāng)減少鋼絲繩變形檢測(cè)所占的比重。

模型設(shè)置的鋼絲繩的直徑為10 mm，為了仿真電梯鋼絲繩磨損后的應(yīng)力集中變化情況，將模型的直徑改為9.2 mm，即模擬鋼絲繩磨損0.8 mm后的應(yīng)力集中情況。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，電梯鋼絲繩的直徑變小以后，鋼絲繩的應(yīng)力集中情況更加嚴(yán)重，最大的應(yīng)力值已經(jīng)達(dá)到了4 600 MPa，由此可見(jiàn)，當(dāng)電梯鋼絲繩出現(xiàn)磨損后，更容易發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，會(huì)進(jìn)一步加劇電梯鋼絲繩的磨損，從而影響電梯的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，在電梯檢測(cè)的過(guò)程中，要重點(diǎn)檢測(cè)電梯鋼絲繩的直徑，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩磨損到一定的程度后，要盡早更換，防止意外的發(fā)生。

圖5 電梯鋼絲繩磨損后應(yīng)力云圖

3 電梯鋼絲繩的潤(rùn)滑檢測(cè)

一般情況下，新售的鋼絲繩的潤(rùn)滑處理效果較好，在出廠前已經(jīng)按照標(biāo)準(zhǔn)完成了校驗(yàn)，但電梯鋼絲繩在使用的過(guò)程中潤(rùn)滑油脂會(huì)逐漸減少，當(dāng)潤(rùn)滑油脂減少到一定程度以后，不僅會(huì)降低鋼絲繩的防腐效果，而且會(huì)加劇鋼絲繩的磨損，也會(huì)縮短鋼絲繩的使用壽命。為了將鋼絲繩的腐蝕、磨損的危害降到最低程度，必須對(duì)電梯鋼絲繩的潤(rùn)滑進(jìn)行定期檢查。

4 結(jié)語(yǔ)

電梯的安全與人們的生活息息相關(guān)，因此在電梯鋼絲繩檢測(cè)的過(guò)程中必須堅(jiān)持嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的原則，盡可能減少電梯故障的發(fā)生，保障人們的出行和安全。在鋼絲繩檢測(cè)的過(guò)程中，要注重檢測(cè)的鋼絲繩的磨損、腐蝕和潤(rùn)滑，鋼絲繩的磨損主要發(fā)生在鋼絲繩與滾輪首先接觸的位置，在應(yīng)力集中較大的位置也較容易發(fā)生磨損。