基于SolidWorks Simulation別墅梯井架分析研究

趙海燕

(蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

隨著經濟水平的大幅提升及城市化的進展，國內家用別墅電梯迎來了大發展，全國的無齒輪別墅電梯市場從幾千臺增長到近數十萬臺。別墅類房地產業發展迅速，預計未來十年，我國的別墅電梯市場仍將保持每年20%的遞增速度。

對別墅電梯來說，不僅要求產品質量要過硬，對美學的要求也是越來越高。因受別墅建筑空間的限制，大多數都沒有預留獨立的井道，需要后期額外配置。電梯生產廠商一般是推薦框架井道，主要目的是安裝方便，對客戶土建方面要求較低。框架井道材質主要是兩種，一種是普通鋼材，另一種是鋁合金型材。目前客戶多選擇是鋁合金型材井道架外加觀光轎廂的配置。鋁合金表面可以噴涂、電泳著色，滿足客戶的多種裝飾配色需求。相對于鋼結構井架，鋁合金的強度方面稍弱于鋼結構井架，可以通過調整鋁型材截面形狀尺寸及降低導軌支架間距來解決這個問題。

目前家用曳引式電梯市場電梯結構主要有兩種形式[1]，分別為龍門架式和背包架式。龍門式電梯導軌分別位于轎廂兩側，具有受力均勻特點；背包式電梯導軌分別位于轎廂一側，受力中心不在轎廂導軌之間，相對轎廂導軌偏載較大。因別墅電梯井道大多占用空間不大，用戶多選擇背包式這種結構，目的就是能夠以較小的電梯井道占用面積獲得最大電梯轎廂空間。文中主要研究背包架式電梯結構的井架分析,解決井架有限元計算模型構建，得到井架的最大應力和最大變形值，驗證與設計要求是否相符。

1 工況分析

因別墅電梯的井道相對狹小，不太適用于龍門架式電梯結構。對于此類井道，為了取得更大的有效轎廂面積，電梯廠商多選擇背包架式電梯結構，圖1所示為背包架電梯結構原理圖(曳引比 1:1)，能有效地提高電梯轎廂有效面積利用率。圖2為某型電梯的井道平面圖。

圖1 別墅電梯原理圖(曳引比 1:1)

圖2 井道平面圖

電梯在運行時，導軌一般受三個方向的力[2]，其中水平方向的力由運行的轎廂、轎架施加，垂直方向由機架或安全鉗施加。此文主要探討井架變形及應力，垂直方向的力主要由導軌自身承擔，本文中對垂直方向力的計算不作討論。水平方向FX、FY定義如圖3所示。

圖3 導軌水平受力方向

對于電梯運行工況一般分兩種：一是正常運行工況，二是安全鉗動作工況。對于井架來說，必定是安全鉗動作工況對井架施力更大，沖擊強度更劇烈。考慮轎廂載重分布不同狀況，一般有兩種分布方式，見圖4。其中圖4(a)為轎廂載荷Q分布在轎廂前3/4面積區域，圖4(b)為轎廂載荷Q公布于轎廂左側3/4面積區域。這樣載荷分布方式是考慮到實際可能發生的場景。

圖4 轎廂載荷分布

背包架式電梯結構工況分析時，所需參數如表1所列。

表1 電梯參數表

續表1 電梯參數表

安全鉗動作時，由導向力引起的FX和FY計算如下[3]：

工況1(載定載荷分布在前3/4區域，如圖4(a)所示)：

FX=3 670.1 N，FY=0 N，FK=10 202.4 N

工況2(載定載荷分布在左3/4區域，如圖4(b)所示)：

FX=3 416.2 N，FY=507.8 N，FK=10 202.4 N

在模型中，因曳引機結構復雜，分析對象亦不是曳引機本身，只是借助曳引機來施加載荷、傳遞載荷，在保證質量、重心一致的前提下采用實體替代，連接位置、曳引輪位置與曳引機相同，對結果影響可以忽略不計。同時安全鉗對于導軌垂直向下的力FK由主要由轎廂導軌承受，此研究對象是井架應力及變形情況，因此可以忽略此力對井架的影響。曳引機安裝底板厚度為12 mm，材料為Q235A。

導軌支架示意圖如圖5所示，其中件1、件2均為4 mm厚、材料為Q235A板折彎成，此模型忽略了折彎圓角及螺栓連接孔；件3為10 mm厚、材料為Q235A，此模型忽略與井架連接螺栓安裝孔。

其中在轎廂導軌(型號為T75)[4]的相應位置利用SolidWorks軟件中的分割線功能，獲得轎廂導靴與導軌結合的面域，方便后續有限元分析時加載。導軌自上而下有兩處面域，其中上導靴位置如圖6所示，距離導軌頂部分別為481.5(431.5+50) mm，導靴襯長度為100 mm。下導靴位置距離導軌頂部是2181.5 mm。

井架最終模型如圖7所示，型材截面形狀如圖8所示，其相應鋁型材截面屬性見表2所列。

圖5 導軌支架

圖6 導軌與導靴接觸面域

圖7 井架1.立柱 2.門上橫梁 3.門下橫梁 4.導軌 5.導軌支架 6.橫梁

圖8 型材截面形狀

表2 鋁型材截面屬性

2 邊界條件

根據此型電梯安裝手冊，井架頂、底及中間與墻連接位置固定；轎廂導軌、對重導軌底部固定[5]。對于多層(超過2層)電梯，各層立柱與墻體連接，以便增加井架剛度，減少變行，提高運行舒適度。如圖9所示，可見立柱頂底節點導軌底部固定約束。

圖9 井架及相關零部件邊界條件

井架及相關零部件之間采用接合約束，同時對于導軌支架、曳引機固定架與簡化為梁的鋁合金型材亦采用接合約束。

2.1 材料特性

鋁型材井架部件采用6063-T5材料，材料屬性見表3(采用SolidWorks Simulation材料庫特性值)。

表3 6063-T5屬性表

除鋁型材井架外，其余材料均為Q235A，材料特性見表4(采用SolidWorks Simulation材料庫特性值)。

表4 Q235A屬性表

2.2 結果分析

在SolidWorks Simulation中，上界軸向和折彎表示梁橫斷面最外邊的纖維具有最大應力。軸向應力：P/A；方向1( 即dir1)上界折彎：力矩M1所產生的最高彎曲應力，即M1/W1；方向2(即dir2)上界折彎：力矩M2所產生的最高彎曲應力，即M2/W2；上界軸向和折彎，如圖10所示。Solid-Works Simulation軟件通過對M1和M2所產生的軸向應力和兩個彎曲應力和，在每個網格單元的兩端計算應力值，P/A+[(M1×I22+M2×I12)×y1+(M2×I11+M1×I21)×y2)]/(I22×I11-I12^2)，其中，Iij(i=j=1或2)是指關于各自當地正交橫梁方向1和方向2的慣性張量。

圖10 梁受力示意圖

由圖11可知，最大應力為75.85 MPa，遠小于其鋁型材6063-T6的屈服強度145 MPa；井架安全系數最小為1.93；井架最大變形3.3 mm，也小于安全鉗動作時要求的最大變形5 mm的要求。

圖11 井架分析結果

3 結 語

別墅電梯市場競爭激烈，各個生產廠家替換產品的速度也非常快，以便適應市場的新趨勢。文中闡述了電梯結構，分析了電梯的不同工況，最后根據不同工況得出最危險的工況，并據此設計分析井架在此工況下的受力情況。另外相對于Ansys等軟件，SolidWorks具有一特別優勢，在Simulation模塊中可以直接將型材轉換為梁，軟件操作方便簡潔，也是選用此軟件原因之一。背包架式電梯結構已累計出貨上千臺，沒有接到業主關于電梯井架方面的投訴，從側面也驗證了此種分析法的正確性及可靠性，后期可應用有限元的優化設計，優化鋁型材截面，使其在不提高的成本的前提下，將井架的穩定可靠性能提高，適應市場激烈的競爭。