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摘要：本文在Solid Works软件中绘制了无机房轿架的三维模型，为了验证该结构的强度及刚度是否满足要求，将模型导入有限元分析软件Ansys -Workbench中进行偏载工况下的静力学性能分析。计算结果显示初始结构需要改进，根据分析结果对模型进行了修改及加强，最后获得了满足设计要求的无机房轿架结构。
关键词：无机房电梯；轿架；有限元；ANSYS
Finite element analysis and structure optimization of MRL elevator car frame
Ting Ting Xiao Jian Jie Zhang
Hangzhou Optimax Tech Co., Ltd., ZhejiangHangzhou 310022,China
Abstract
A three-dimensional model of MRL elevator car frame is built in Solid Works software, and it is also imported into ANSYS-Workbench to be analyzed in order to validate the strength and stiffness performances under the unbalanced loads. Result of analysis indicates the initial structure requires to be modified, and the car frame model is modified and strengthened. Final structure is obtained and meets the design requirements of MRL elevator car frame.
Keywords: MRL elevator ; Car frame; Finite element analysis; ANSYS
1.引言
当今社会经济不断增长，电梯已成为办公楼、酒店、住宅等场所的常见设备。随着技术进步，曳引机和电器元件的小型化，无机房电梯出现并快速发展。相对于有机房电梯，无机房电梯省去了机房空间，将原机房内的控制屏、曳引机、限速器等移往井道等处，或用其它技术取代。它以节省建筑、绿色环保、节能等优点而被愈来愈多的人采用，市场需求量逐渐增加。同时，无机房电梯的质量性能要求也在不断提高。设计时不仅要保障电梯结构的安全可靠，而且要为乘客提供更舒适的乘梯体验，因此对轿架结构的强度和刚度要求更为严格。
本文来源于实际工作项目中设计的无机房电梯。目的是要设计出符合标准要求且强度刚度合格的轿架结构。首先基于已有产品外形及工作经验，建立了大载重轿架结构的初始三维模型。接着借助于有限元分析软件Workbench对轿架模型进行有限元分析。初始分析结果并不能完全满足要求，因此根据分析云图针对性地改进了轿架模型并再分析，最后得到了满足设计要求的轿架结构。通过设计-分析-改进-再分析的过程，能节约设计成本，有效地把控设计改进方向，保证最终模型的安全可靠。
2.无机房轿架模型
轿厢是电梯用来承载和运送人员和物资的箱形空间，主要由轿底、轿壁、轿顶、轿门等部件构成。轿架是轿厢的承载结构，轿厢的负荷（包括自重和载重）通过轿架传递到曳引钢丝绳。因此，轿架必须有足够的机械强度，以承受电梯正常运行、安全钳动作或蹲底撞击缓冲器时的作用力[1]。
轿架由许多零部件组成，结构比较复杂，将所有组成部分一一建立模型导入有限元软件，会大大增加分析计算的难度。因此，本文在不影响轿架强度和刚度的前提下对轿架模型进行了合理的简化：
（1）保留轿架的承重结构，如上梁、直梁、平台和托架等组件；
（2）简化轿厢中的非承重结构，如轿顶、门机、轿壁等部件[2]。简化部件的重量以均布载荷的形式施加在平台轿底板上面。
本文设计的无机房轿厢承重要求为1.6t，根据国标对轿厢面积的规定，该载重要求最小的轿厢净面积为3.56m2。本文建立的轿厢模型尺寸为外宽2050mm*外深1940mm，轿厢内部有效空间为2000mm*1815mm。
3. 建立有限元模型
3.1划分网格及定义材料属性
如2所述，建立1.6t无机房轿架的三维模型，并将其导入ANSYS-Workbench中。检查几何模型后将其划分成1747283个单元，890390个节点的网格模型，建立轿架结构的有限元分析模型[3]。
网格划分后在材料库定义轿架零部件的材料属性。轿架结构零部件均采用Q235结构钢，该材料属性定义如下：弹性模量E=2.1*1011Pa，密度ρ=7.85*103kg/m3，泊松比υ=0.28，将轿架模型赋予该材料属性。
3.2施加载荷及约束
3.2.1载荷
由于电梯运行时乘客站立位置是随机的，因此轿架的运行工况一般考虑均载和偏载两种情况，计算时为了保证轿架的安全性，应按照最危险的3/4偏载工况进行分析。
本文设计的无机房轿厢自重为P=1700 kg，载重Q=1600kg。电梯实际运行时，轿架所承受的载荷主要包括以下三部分：
（1）轿架三维模型中零部件的自重P1约为1000kg，该自重以密度和重量加速度的方式施加。
（2）除轿架外，电梯轿厢中其他零部件（如轿顶、门机、轿壁等部件）的重量P2约为700kg，该重量以均布载荷形式施加在轿架的轿底板上。
（3）轿厢内容纳的人员或物品的重量Q。该重量施加在轿底板靠近轿门的前3/4的面积上。
以上所有载荷方向均为垂直轿底平台向下。
3.2.2约束
根据电梯实际运行情况，对无机房轿架模型施加以下方式的约束：
（1）固定托架下梁与两个斜置轿底轮之间的连接孔，固定整个轿架结构。
（2）由于轿架组成部件之间极少地方采用焊接连接，大部分都是通过螺栓紧固连接，因此为了便于分析，本文将螺栓紧固连接简化成刚性接触，同时，必须保证轿架在实际安装拼搭过程中螺栓连接紧固，避免接触面之间相互滑动，破坏连接。
（3）电梯通过导靴与导轨的配合沿着两列导轨上下运行，轿厢导靴安装在上梁及托架两处，共两对。安装时导靴靴衬在轿厢宽度及深度方向与导轨之间会留有间隙，以此保证电梯运行的平稳性，同时也能防止导靴靴衬磨损过度。本文在有限元分析中则简化了导靴-导轨接触对，约束导靴沿轿厢宽度及深度两个方向，只允许导靴在沿导轨上下运动的竖直方向有自由位移[4]。
4.有限元分析结果
对无机房轿架模型划分网格、施加载荷及约束后，运行求解即完成有限元分析过程。通过后处理图形显示功能输出计算获得的有效Von Mises应力云图及变形云图，如图1、2所示，分别用于校核轿架在运行过程中的强度和刚度。
轿架结构材料为钢结构Q235，该材料属于塑性材料，可忽略应力云图中由于零件的几何形状引起的应力集中。因此根据图1的等效应力分布云图可以看出，该轿架最大Von Mises应力为76MPa，安全系数为3.09。从图2的整体变形分布云图可知，轿架的最大变形为3.46mm，且最大变形部位出现在轿架平台轿底板的中间位置。
参考电梯行业标准及电梯运行舒适度要求，结合我司以往电梯有限元分析经验，电梯在3/4偏载工况下正常运行时，一般要求轿底平台的安全系数大于2.5，允许最大变形量为3mm。对比上述分析结果，初始模型未能达到要求，因此需要加强薄弱部位提高轿架的强度。
将初始模型的轿底板加强筋由3mm加厚到3.5mm，侧挡由3mm加厚到5mm。改进后的轿架模型按照3中所述步骤再次进行有限元分析，输出的Von Mises应力和变形云图如图3和图4所示。从图中可看出，改进后的轿架最大应力为 63MPa，安全系数为 3.73，最大变形为2.74mm。对比前后两个模型的结果云图可知，改进后轿架强度和刚度性能均有较大提高，满足设计要求。
5.结论
本文设计并改进了载重1.6t的无机房电梯轿架结构。首先利用三维绘图软件建立了尺寸符合标准的轿架模型，随后在有限元分析软件中对该模型的强度及刚度静力学性能进行分析，对比初始分析结果及设计要求的差距，优化轿架结构，并对改进后的模型重新分析。最终获得了强度刚度均满足设计要求的结构。通过本文案例可以看出，有限元分析工程结构设计具有非常重要的意义，不仅能保证工程结构的可靠安全，而且能针对性地优化结构，控制设计成本。
参考文献
[1] GB7588-2003 电梯制造与安装安全规范[S].
[2] 何峰峰. 电梯基本原理及安装维修全书[M],机械工业出版社,2009.
[3] 周昌玉. 有限元分析的基本方法及工程应用[M],化学工业出版社,2006.
[4] 左亚军.基于ANSYS的电梯轿架强度计算与分析[J],机电工程技术,2015,44(6):39~41.
论文作者:肖婷婷,张健杰
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/19
标签：模型论文; 电梯论文; 结构论文; 机房论文; 有限元论文; 刚度论文; 云图论文; 《防护工程》2017年第20期论文;