電梯曳引機主軸的設計與優化

陳琳

大連特種設備檢驗檢測研究院有限公司 遼寧大連 116013

1 電梯結構

曳引電梯的傳動系統主要由安裝在機房內的電機、減速器、制動器、聯軸器等設備組成，其中曳引電機傳動系統是動力單元。電機將動力傳遞到曳引鋼絲繩的一端，通過聯軸器、減速器和曳引輪將一端與配重裝置連接到小車上。電梯的曳引力是由小車的重力和作用于牽引鋼絲繩上的配重以及曳引鋼絲繩與曳引輪之間產生的摩擦力來實現的[1]。

2 主軸的設計

依據客戶提供的某型號電梯曳引機設計參數進行計算，，其技術參數：額定負載是650公斤，膠囊重量是950公斤，提升高度是100米，直徑6.5毫米的鋼絲繩，鋼絲繩每米的重量是0.16公斤/米，鋼絲繩的數量是6，平衡系數為0.45，牽引比2軸允許掛2200公斤的重量，主軸實際重量是1517.25公斤。

（1）計算主軸強度。圖1顯示了電梯主軸結構的受力，其中前軸承的支撐點是A點；后軸承的支撐點是B點；曳引輪的中點是C點；轉子的的中點是D點。A點的Da軸直徑為80毫米，D點的Dd軸直徑為75毫米，制動花鍵部分的最小直徑為46.3毫米，主軸材料為40Cr。曳引輪處受力F為2200kg，L1為188mm是A支點到D點距離，L2為174mm是D點到B支點的距離，L3為69mm是曳引輪中點到A支點距離，RA為2619.34N是支點A的的作用力，RB為419.34N是支點B的作用力，260N·m是主軸運行狀態時的轉矩，650N·m是制動狀態時的轉矩，1487.64N·m是A點的彎矩，715.05N·m是D點的彎矩，B點的彎矩為0。1510.19N·m是A點運行狀態時的彎扭組合力矩為1510.19N·m，制動狀態時的轉矩為1623.44N·m，D點運行狀態時的彎扭組合力矩，966.33N·m是制動狀態時的轉矩。51200mm3是A點抗彎截面模量，42187.5mm3是D點的抗彎截面模量，19850.57mm3是花鍵部分抗扭截面模量，31.71MPa（制動狀態）是A點的彎曲應力，22.91MPa（制動狀態）是D點的彎曲應力，τ為32.74MPa（制動狀態）是花鍵部分的抗扭應力，[σ]為75MPa是材料的許用彎曲極限，[τ]為40MPa是材料的許用扭轉極限。上述計算表明，主軸強度滿足要求。

（2）主軸剛度的計算。DC為79mm是C點的軸徑，Dd為75mm是D點的軸徑，Ic為1911957.59mm4是C點的慣性矩，Id為1553155.52mm4是D點的慣性矩，E為206000MPa是材料的彈性模量。-0.0374mm（方向向下）是C點的撓度，0.0375mm（方向朝下）是D點的撓度。允許的撓度不應超過發動機空氣隙量的0.1倍，即0.1毫米。上述計算表明，主軸的剛度滿足要求。

（3）計算主軸疲勞的強度計算。當只有彎矩的時候，350是A點與D點的彎曲疲勞極限；1.9和1.51是A和D點應力的有效集中系數；0.95是A和D點的表面質量系數；尺寸為0.64A點與D點的尺寸影響系數，0.43是A點與D點的平均應力折算系數，1487.64MPa和715.05MPa是A點與D點的彎矩；51200mm3和42187.5mm3是A點與D點的抗彎截面模量；29.06MPa和16.95MPa是A點與D點的彎曲應力；A點與D點的平均應力為0；10.43和22.49是A點與D點僅考慮彎曲時的安全系數。當僅扭轉作用時，200是A點與D點的彎曲疲勞極限；1.59和1.45是A點與D點的有效應力集中系數；0.95是A點與D點的表面質量系數；0.72是A點與D點的尺寸影響系數，0.29是A點與D點的平均應力折算系數，650MPa是A點與D點的彎矩；102400mm3和84375mm3是A點與D點的抗扭截面模量；6.35MPa和7.7MPa是A點與D點的扭轉應力；A點與D點的平均應力為0；13.55和12.25是A點與D點僅考慮扭轉時的安全系數。上述計算表明，點8.26和10.76是點A和D的疲勞安全系數，其值遠高于1，因此主軸的疲勞強度滿足要求[2]。

3 主軸的優化

在電梯工作中，主軸的載荷非常復雜，在實際操作中，很難確定強度的計算是可靠的。因此，本文根據工程師的實際經驗，分別計算了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，并在每個工況下的受力分別為10604.55N、10831.35N、22561.35N以及13666.35N。基于這四種情況，當電梯滿載行駛時，在主軸系統中最容易受到載荷的影響。于是，利用軟件ansys有限滿載的提高工況面臨著十分嚴峻的問題進行數值模擬，主要軸靜力分析中，材料是40Cr合金結構鋼，采用2.06×105mpa的彈性模型，0.27的泊松比，785mpa的屈服強度，980mpa的抗拉強能力。可忽略不影響強度的螺紋孔和花鍵結構，以便優化網格劃分的質量和提高計算速度。在主軸系統處于滿載條件下，利用分析了主軸系統的應力和等效位移。57.682MPa是主軸的等效最大應力，5是安全系數，157MPa是材料允許應力，因此主軸的強度符合要求。

4 結論

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，其設計水平和硬件質量將直接影響電梯的工作性能和使用壽命。