電梯油壓緩沖器的安全性設(shè)計(jì)分析

董 旭

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司官地煤礦， 山西 太原 030022）

引言

電梯是當(dāng)前人們生產(chǎn)和生活中必不可少的工具，盡管電梯的制造技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，但是人們關(guān)注更多的是電梯的安全問題。由于電梯作為一種特種設(shè)備存在一定的危險(xiǎn)性，因此，對(duì)電梯各個(gè)關(guān)鍵部件的安全性分析尤為重要，并從電梯各個(gè)部件設(shè)計(jì)、制造、安裝以及檢修等環(huán)節(jié)中提出嚴(yán)格的要求，為保證電梯的安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)[1]。一般電梯的安全部件主要包括有對(duì)上行超速保護(hù)、下行超速保護(hù)以及蹲底后發(fā)揮緩沖作用的緩沖器。本文將以時(shí)速為3 m/s 的高速電梯的油壓緩沖器的安全性進(jìn)行分析，為其后續(xù)的選型和機(jī)械性能測(cè)試提供依據(jù)。

1 高速電梯及安全部件概述

根據(jù)GB/T 7024—2008 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電梯屬于服務(wù)于規(guī)定樓層的固定式升降設(shè)備，其用于乘客出入和貨物卸載。電梯屬于八大特種設(shè)備之一，可通過(guò)電梯的不同用途、不同拖拽方式、不通過(guò)級(jí)別的提升速度以及不同的控制方式對(duì)其進(jìn)行分類。一般情況下，電梯的提升速度低于2.5 m/s，且該等級(jí)提升速度下電梯的技術(shù)已經(jīng)逐漸趨于成熟[2]。電梯同樣也是一款機(jī)電一體化的復(fù)雜產(chǎn)品，從大類上可分為機(jī)械、液壓和電氣三大部分；從組成上可將電梯系統(tǒng)分為機(jī)房、轎廂、層站和井道底坑等組成。

本文重點(diǎn)研究對(duì)象為高速電梯，高速電梯的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，高速電梯在基本大類上與普通電梯相同；二者之間的差異主要體現(xiàn)如下：高速電梯與一般的普通電梯不同，其主要通過(guò)無(wú)齒輪傳動(dòng)；安全鉗的類型為漸進(jìn)式；通過(guò)滾動(dòng)導(dǎo)靴減少其在高速運(yùn)行下的磨損；具有兩套液壓緩沖器對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)。

圖1 高速電梯結(jié)構(gòu)框圖

電梯安全問題一直以來(lái)備受關(guān)注，最起碼的上行超限保護(hù)、下限超限保護(hù)為基本功能。一般的電梯的安全部件主要包括有限速器、安全鉗、制動(dòng)器和緩沖器。

限速器的主要作用是保證電梯在不超過(guò)額定速度115%的速度下方可運(yùn)行，一般的限速器均配有一定的張緊裝置和導(dǎo)向裝置；安全鉗的主要作用是當(dāng)電梯處于超速運(yùn)行或鋼絲繩出現(xiàn)打滑、松弛、斷裂的情況時(shí)，安全鉗能夠通過(guò)摩擦作用將轎廂停止在導(dǎo)軌上；制動(dòng)器的主要作用是將為電梯提供動(dòng)力的電機(jī)斷電，從而實(shí)現(xiàn)電梯的減速制動(dòng)功能；緩沖器的主要作用是當(dāng)安全鉗制動(dòng)失效后、制動(dòng)器制動(dòng)力不夠或者拽引機(jī)出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)，緩沖器對(duì)轎廂起到緩沖保護(hù)作用，從而防止轎廂與井道底相撞[3]；油壓緩沖器為對(duì)電梯的最后一道安全保護(hù)裝置，本文重點(diǎn)對(duì)高速電梯的油壓緩沖器進(jìn)行分析，包括對(duì)油壓緩沖器的安全性分析。

2 油壓緩沖器的安全性分析

2.1 油壓緩沖器的選型

本文所研究電梯為高速電梯，一般高速電梯均為配置有兩套油壓緩沖器，分別在轎廂和重側(cè)各設(shè)置一個(gè)油壓緩沖器。結(jié)合該高速電梯的應(yīng)用場(chǎng)景，要求對(duì)轎廂緩沖器承受載荷不得低于3150 kg；對(duì)重側(cè)緩沖器的承受載荷不得低于2407.5 kg。同時(shí)，根據(jù)GB 7588—2003 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于高速電梯而言其對(duì)應(yīng)的緩沖行程不得低于65 mm。

針對(duì)該應(yīng)用場(chǎng)景所選擇油壓緩沖器的型號(hào)為YH5/640，該型號(hào)緩沖器的最大允許載荷可達(dá)3750kg，滿足實(shí)際使用要求。要求所選型的液壓緩沖器的總行程大于0.067 V2=0.067×（3 m/s）2=603 mm。滿足緩沖行程不低于65 mm 的要求。YH5/640 的參數(shù)如表1 所示。

表1 YH5/640 油壓緩沖器參數(shù)

2.2 油壓緩沖器的安全校核設(shè)計(jì)

2.2.1 油壓緩沖器柱塞筒的安全性設(shè)計(jì)

對(duì)于油壓緩沖器的柱塞筒而言，在受到撞擊時(shí)其內(nèi)腔的壓力與壓力缸內(nèi)腔的壓力相比較小，主要完成柱塞筒內(nèi)徑和壁厚的設(shè)計(jì)[4]。根據(jù)油壓緩沖器的結(jié)構(gòu)，要求其柱塞筒的外徑不小于103.84 mm，結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式得出柱塞筒的內(nèi)徑和壁厚尺寸，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：d1為柱塞筒的內(nèi)徑；D1為柱塞筒外徑，取134.5 mm；F 為柱塞筒的最大制停力，取73500 N；σs為柱塞筒20 號(hào)鋼對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度，取245 MPa。

經(jīng)計(jì)算，得出柱塞筒的最小內(nèi)徑為95 mm，對(duì)應(yīng)柱塞筒的最小壁厚為4.42 mm。

根據(jù)上述計(jì)算得出的柱塞筒的最小外徑和最小內(nèi)徑得出其柱塞筒的橫截面積為1380 mm2。則，可以得出柱塞筒的最大壓應(yīng)力為σ=73500 N/1380 mm2=53.3 MPa。

綜上所述，所設(shè)計(jì)柱塞筒安全系數(shù)=245 MPa/53.3 MPa=4.6>3.5（最小安全系數(shù)）。因此，所設(shè)計(jì)的柱塞筒的強(qiáng)度滿足要求，合格。

2.2.2 油壓緩沖器壓力缸的安全性設(shè)計(jì)

對(duì)于油壓緩沖器的壓力缸而言，在受到撞擊時(shí)其內(nèi)腔的壓力與柱塞筒內(nèi)腔的壓力相比較大，主要完成壓力缸壁厚和內(nèi)徑的設(shè)計(jì)。根據(jù)油壓緩沖器的結(jié)構(gòu)，要求其壓力缸的外徑不小于140 mm，結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式得出壓力缸的內(nèi)徑和壁厚尺寸，計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：d1'為壓力缸的內(nèi)徑；P 為壓力缸的內(nèi)腔壓力，取10.20 MPa；σb為柱塞筒20 號(hào)鋼對(duì)應(yīng)的極限強(qiáng)度，取390 MPa。

經(jīng)計(jì)算，得出壓力缸的最小內(nèi)徑為120 mm，對(duì)應(yīng)壓力缸的最小壁厚為10 mm。

對(duì)上述壓力缸的徑向力為10.20 MPa，切向應(yīng)力為80.22 MPa。對(duì)應(yīng)20 號(hào)鋼的極限強(qiáng)度為390 MPa（徑向力），20 號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度為245 MPa（切向力）。

綜上所述，所設(shè)計(jì)壓力缸在切向的最小安全系數(shù)=245 MPa/10.20=24＞20（延伸率指標(biāo)），壓力缸在徑向的最小安全系數(shù)=390 MPa/80.22=4.86＞3.5。因此，所設(shè)計(jì)的壓力缸的強(qiáng)度滿足要求，合格。

3 結(jié)論

1）柱塞筒的最小內(nèi)徑為95 mm，對(duì)應(yīng)柱塞筒的最小壁厚為4.42 mm，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為4.6＞3.5，強(qiáng)度滿足要求；

2）壓力缸的最小內(nèi)徑為120 mm，對(duì)應(yīng)壓力缸的最小壁厚為10 mm，對(duì)應(yīng)的徑向的最小安全系數(shù)為24＞20（延伸率指標(biāo)），壓力缸在切向的最小安全系數(shù)為4.86＞3.5，強(qiáng)度滿足要求。