電梯安全鉗機構的運動分析及優化設計

文/朱國乾，西繼迅達（許昌）電梯有限公司

1 電梯安全鉗運作原理

電梯的安全鉗系統主要由限速器、安全鉗、張緊輪及其他部件組成。電梯安全鉗運作原理是在電梯應用的時候，如果出現了電梯意外事故，電梯會迅速下行。當電梯快速下行的時候，速度可能會超過限速器設定的速度，通過甩塊（或者類似結構）的離心力作用，限速器在這個時候會因為快速運作卡緊相關的限速器結構（例如棘輪），從而導致電梯限速器停止運作。限速器在摩擦力的影響下向上提拉安全鉗鉗塊動作，而電梯轎廂由于慣性持續下行。在電梯下行的時候，產生相對運動，導致安全鉗鉗塊、導軌、轎廂之間間隙減小并且并緊卡死，從而避免電梯下墜引起安全事故。

2 電梯安全鉗機構運動分析

2.1 安全鉗關鍵部件靜力學分析

2.1.1 U型簧的受力仿真

筆者應用SolidWorksSimulation插件進行了U型簧的受力仿真，這一仿真得到了該U型簧最大VonMises應力1118MPa、最大合位移3．61mm的結論，而這一數值就表明U型簧不滿足型式試驗要求，為此筆者將動滑塊與導軌的摩擦系數變為0．34μ，而再一次進行U型簧的受力仿真最終得到的結果顯示該U型簧滿足了設計使用要求。

2.1.2 動滑塊的受力仿真對于電梯安全鉗部件來說，動滑塊是其重要組成部分，而結合SolidWorksSimulation進行的動滑塊的受力仿真，筆者得到了安全鉗動滑塊最大VonMises應力為144MPa、最大合位移1.81mm、最小安全系數的動滑塊受力仿真結果，而結合本文進行的電梯安全鉗設計，我們能夠清楚得出動滑塊滿足設計使用要求的結論。

2.1.3 楔塊的受力仿真而在對楔塊的受力仿真中，通過SolidWor ksSimulation軟件對其進行受力仿真，通過約束、摩擦力、均勻分布、正壓力的施加，筆者得到了安全鉗動滑塊最大VonMises應力107MP a、最小安全系數2．04的結果，而這一結果就表明本文研究的電梯安全鉗楔塊的仿真結果符合要求。

2.2 安全鉗的運動學仿真

在完成安全鉗關鍵零部件的靜力學分析后，我們還需要進行安全鉗的運動學仿真，這一仿真需要應用軟件SolidWorksMotion，而通過這一仿真就能夠確定本文研究的電梯安全鉗在2．5m/s的運行條件下能否滿足設計使用要求，而結合SolidWorksMotion求得的安全鉗運行中速度隨時間變化、加速度隨時間變化、位移隨時間變化的數據，我們能夠清楚發現電梯安全鉗自由落體運動后的速度變化與實際情況相符合，而電梯安全鉗制停減速度約為0．61倍重力加速度滿足設計要求，電梯安全鉗制停距離與設計相差較小也滿足設計要求，由此可見本文研究的電梯安全鉗具備較高的實用價值。

3 安全鉗結構優化設計

3.1 電梯參數的選擇

早在2015年底我國電梯保有量便已經到達426萬臺，這一世界第一的電梯數量也使得種類繁多、規格復雜已經成為了我國電梯行業的特點，而之所以選擇設計額定速度2．5m/s、自重1600kg、額定載荷1250kg電梯的安全鉗，主要是由于這一電梯參數在我國當下具備著最廣泛的適用性所致。

3.2 安全鉗的選擇

我國當下的安全鉗分為瞬時式和漸進式兩類，考慮到本文選擇的電梯參數，筆者最終選擇了雙楔塊漸進式安全鉗作為研究對象，而在這一雙楔塊漸進式安全鉗結構設計中，該設計主要由鉗架、型簧、固定楔塊、導板、制動塊、滾針排、動滑塊等7部分組成。

3.3 安全鉗的設計計算

為了更為深入完成本文研究，我們還需要展開安全鉗的設計計算，這一計算主要圍繞瞬時式安全鉗的計算、制停減速度的計算、安全鉗作用時的受力計算、導軌工作面所受壓力計算等四方面展開。在瞬時式安全鉗的計算中我們需要應用電梯能量轉化公式2Q=(P+Q)×g×h×r，這一公式中的Q、g、h、r分別代表電梯安全鉗吸收能量、標準重力加速度、轎廂減速到停止的距離、安全系數;而在制停減速度的計算中，筆者將制動距離設為640mm，限速器的速度為115%，而通過公式S=(v12-v02)/2a,筆者求得了688．8mm的制動距離結果;而在安全鉗作用時的受力計算中，結合能量平衡法則，筆者求出了45．03kN的制動力結果;而在導軌工作面所受壓力計算中，筆者得出了66．22kN的導軌每個工作側面受到的壓力結果。

3.4 安全鉗楔塊的設計

結合安全鉗設計計算求出的各類數值，我們就可以開展安全鉗楔塊的設計，這一設計需要確定楔塊角度、楔塊高度，其中楔塊角度的確定通過公式得出了12°楔塊角度計算的結果，而考慮到安全性與舒適度，筆者最終確定了7°作為安全鉗楔塊角度;而在楔塊角度的確定中，考慮到楔塊角度為7°、提拉楔塊的一側與導軌的側工作面之間為3mm、楔塊材料為45鋼，筆者最終確定了80mm的安全鉗楔塊高度。

3.5 滾針的選擇

為了減小固定楔塊與提拉楔塊之間摩擦力，參照國家標準GB/T309－2000，筆者選擇了平頭滾針用于本文設計，這一平頭滾針的表面粗糙度0.2μm、材料選擇GCr15軸承鋼、倒角最小值0.1mm、倒角最大值1mm、徑向0.9mm。

3.6 鉗座體的結構設計

結合上文研究，筆者確定了設計中的鉗座體選擇低合金鋼16M n作為材料，角焊縫、雙單邊V形坡口焊接。結合公式τ=M/la(δ+a)≤［τ'］，筆者確定了該鉗座體結構設計的焊縫能夠滿足相關標準要求。

4 結語

本文從電梯安全鉗動作的原理上，詳細論述了安全鉗結構設計及計算、安全鉗關鍵零部件的靜力學分析、安全鉗的運動學仿真等內容，希望這一研究能為相關業界人士帶來一定啟發。