基于Creo和ANSYS Workbench電梯主機機架數值分析

趙海燕

（蘇州市職業大學，江蘇 蘇州215000）

0 引 言

目前我國房地產發展取得了空前成就，各類房產均取得了長足的發展；地產由滿足居民的基于生活需求向改善方向轉換。別墅在全國各地建筑面積愈來愈大，其中配備別墅電梯的房產呈爆發式增長。預計未來10年，我國別墅電梯市場將保持每年20%的速度增長。

目前全國超過500家電梯企業涉及別墅電梯制造，市場口碑對于電梯企業的發展至關重要。同時別墅電梯是涉及人身安全的特種設備，因此，電梯部件在設計、生產中各要素均需要驗證。在此主要應用Creo和ANSYS Workbench軟件對某型別墅電梯主機機架進行設計和分析，簡要說明機架的設計和分析過程。

1 系統建模

本文所涉及的別墅電梯為龍門架式結構，其原理如圖1所示。其中曳引機[1]1固定在機架上；對重側繩頭2安裝于機架上；對重系統3通過鋼絲繩曳引上下運行于對重導軌上；轎廂轎架系統4通過鋼絲繩曳引上下運行于轎廂導軌；鋼線繩5兩端固定在繩頭上（對重側繩頭2和轎廂側繩頭6），繞過轎廂轎架系統4、曳引機1和對重系統3；轎廂側繩頭6固定在轎廂側導軌一側上。

在主機機架設計中，主要考慮3種運行工況：正常運行、裝載和安全鉗動作[2-3]。正常運行主要考慮到主機加減速對主機機架的影響；裝載主要考慮到轎廂上下客時對機架的影響；安全鉗動作主要考慮極限狀況下對主機機架的影響。機架安裝如圖2所示，曳引機2安裝于機架上；機架3安裝于對重導軌上，同時與轎廂導軌一側連接；對重側導軌4與導軌支架連接，導軌支架與井道通過膨脹螺栓連接；對重側繩頭5與鋼絲繩連接，安裝于機架3之上；限速器6安裝于機架之上。轎廂側導軌、對重側導軌型號皆為T75-B[4]。

應用Creo軟件進行建模[5]，零部件主要尺寸如圖3（a）所示。因主要考慮對機架的影響，所以曳引機、限速器、繩頭等部件均未再建模，只要計算出力施加于機架之上就可以進行分析，這樣可以減少有限元網格數量，提升計算速度及效率。圖3（b）為Creo建立的3D模型。

圖1 龍門架式別墅電梯原理圖

圖2 機架安裝

圖3 機架

機架與主機采用M16螺栓聯接，其對應的平墊直徑尺寸為30 mm。限速器與機架采用M10螺栓聯接，其對應的平墊直徑尺寸為20 mm；繩頭護套直徑為40 mm。為后續有限元分析施加力更能體現實際情況，在Creo軟件Simulate模塊中建立曲面區域（區域大小參照相應平墊、護套尺寸），模擬直接受力區域，如圖4所示。將圖4模型保存為*.X_T格式，以便將這些區域面信息導入到ANSYS Workbench中，不會發生信息丟失現象。

2 受力分析

圖4 曲面區域

圖5 曳引機受力示意圖

轎廂轎架空載自重P 為598 kg，載重載荷Q為400 kg，電梯對重系統平衡系數為0.5，則對重系統質量為P+0.5Q=798 kg。因別墅電梯提升高度低，基本上低于25 m，鋼絲繩線密度(直徑φ8 mm)為0.25 kg/s，單側鋼絲繩質量為4（根）×0.25×25=25 kg，因其質量較小，對機架的影響基本上可以忽略。轎廂轎架正常運行時的加速度a=0.4 m/s2，裝載沖擊加速度a=9.81 m/s2（按滿負荷計算），安全鉗動作時a=9.81 m/s2；標準重力加速度g=9.81 m/s2。

圖5為曳引機受力示意圖：T1為轎廂側受力，T1=(P+Q)·(g-a)/2；T2為對重側受力，T2=(P+0.5Q)·(g-a)/2。表2為各工況受力計算結果。安全鉗動作時理論上a＜9.81 m/s2，但考慮到極端情況，比如鋼絲繩全部斷裂，雖然這種情況基本不會發生，a仍以9.81m/s2進行計算。

曳引機型號為FRD21E，質量為125 kg，重力為125×9.81≈1226 N。

限速器型號為OX-186A，其制動拉力大于等于500 N，安全鉗提拉所需要的力為300 N，沖擊系數取2，制動拉力取2×300=600 N。

3 有限元分析

打開ANSYS Workbench軟件[6]，建立Static Structural分析，導入前文所述*.X_T格式文件。進入Model模塊，分別在主機安裝連接板和限速器連接板建立局部坐標系（方便施加力定位），建立遠程受力點：根據曳引機、限速器相對于機器梁位置，建立曳引機重力點、曳引機轎廂側受力點、曳引機對重側受力點、限速器受力點，如圖6所示。各受力點與對應的曳引機安裝位置和限速器安裝位置曲面區域（如圖4），曲面曲域是來自Creo 數據傳遞（在ANSYS Workbench建立曲面區域沒有在Creo軟件中方便）。遠程點的“Behavior”設置為“Rigid”，主要考慮到安裝曳引機、限速器后對機架局部剛度得到了加強。

表1 受力計算

圖6 遠程點建立

轎廂側導軌底、對重側導軌底端采用固定約束，轎廂側導軌上端280 mm尺寸處（如圖2）導軌支架安裝處也采用固定約束，用以模擬與導軌支架的連接。其各部件之間采用bonded接觸用以模擬它們之間的焊接。

針對正常運行工況（轎廂上行），主機重力、轎廂側拉力T1、對重側拉力T2采用遠程力施加，對重側繩頭直接施加力于區域面上。其工況的邊界條件如圖7所示。

圖7 正常運行（轎廂上行）邊界條件

材料均采用Q235A，其力學特性如圖8所示[7]。

圖8 材料特性數據

模型網格劃分采用系統默認即程序控制，系統會依據模型數據為其分配合適的網格劃分方法。

圖9為正常運行工況（轎廂上行）求解結果；圖10為正常運行工況（轎廂下行）求解結果；圖11為裝載工況求解結果；圖12為安全鉗動作工況求解結果，圖12(a)為邊界條件，圖12(b)為等效應力云圖，圖12(c)為變形云圖。

圖9 正常運行（轎廂上行）應力與變形云圖

表2為各工況下最大應力與最大變形匯總數據。由表2中數據可見，機架在各工況下應力均沒有超過材料屈服點，同時各工況變形數據亦沒有超過跨距1/960[8]即560÷960=0.58 mm，也是符合設計要求的。

表2 各工況最大應力、最大變形匯總

4 結 語

借助三維建軟件Creo與有限元分析軟件ANSYS Workbench，有效提升了企業的運營效率，縮小了企業產品研發周期和驗證周期，增加了產品和工程的可靠性[9]，對提升客戶滿意度、拓展市場提供有效技術支持。后續進一步借助軟件優勢，結合產品實際使用情況，對產品結構進行優化設計，進一步提升產品質量和競爭力。

圖10 正常運行（轎廂下行）邊界條件、應力與變形云圖

圖11 裝載邊界條件、應力與變形云圖

圖12 安全鉗動作邊界條件、應力與變形云圖