电梯曳引机主轴的设计与优化论文_肖健欣

肖健欣

奥的斯电梯曳引机(中国)有限公司 天津 300450

摘要:以电梯曳引机中的主轴为研究对象,对主轴进行了详细的计算,其主要包括强度计算、刚度计算以及疲劳强度计 算。通过计算得知:主轴危险截面的弯曲应力分别为31.71 M Pa与22.91 M Pa,小于材料的许用弯曲极限,即强度满足要求。主轴危险截面的挠度分别为0.0374 m m及0.0375 m m,小于电机气隙的0.1倍(0.1 m m),即刚度满足要求。此外,利用 AN SYS有限元软件对主轴进行优化,使得单根主轴节省约17.38元,从而极大地节省了企业的生产成本。

关键词:电梯曳引机;主轴优化;设计计算;有限元分析

电梯曳引机作为电梯的动力设备,其性能水平的优 劣将直接影响到电梯的安全性与乘坐舒适性,从而直接 影响到乘客的生命安全。主轴作为电梯曳引机承载的重 要零件,主要起到承载和传递动力的作用,其必须能够承 受外负荷、轿厢、对重和钢丝绳等零件的重量而不发生损 坏或者过度的弹性变形,即主轴需要保证强度和刚度[14]。此外,主轴必须具有足够的疲劳强度。因而本文对某型号 电梯曳引机中的主轴进行设计计算,并且采用有限元软 件对主轴进行优化,从而节省企业的生产成本,提高企业 的市场竞争力。

依据客户提供的某型号电梯曳引机设计参数进行计 算,其技术参数为:额定载重量为650 kg,轿厢重量为950 kg,提升高度为100 m,钢丝绳直径为6.5 mm,钢丝绳每米 重量为0.16 kg/m,钢丝绳的根数为6,平衡系数为0.45,曳 引比为2,主轴允许挂重为2200 kg,主轴实际挂重为 1517.25 kg。

一、主轴强度的计算。

图1为电梯曳引机主轴结构的受力图,其中A点为前轴承的支撑点;B点为后轴承的支撑点;C点为曳引轮的中 点;D点为转子的的中点。A点的轴径化为80 mm,D点的轴 径DdSTS mm,制动花键部分最小直径dmin为46.3 mm,主 轴的材质选择40 Cr。

图1 主轴结构受力图

曳引轮处受力F为2200 kg,,支点到D点距离Li为188 mm,D点到B支点的距离12为174 mm,曳引轮中点到A支点 距离13为69 mm,支点A的的作用力^为2619.34 N,支点B 的作用力^为419.34 N,主轴运行状态时的转矩为260 N-m,制动状态时的转矩为650 N‘m,点的弯矩为1487.64 N‘m,D 点的弯矩为715.05 N‘m,B点的弯矩为0。

A点运行状态时的弯扭组合力矩为1510.19 .m,制动 状态时的转矩为1623.44 N‘m,D点运行状态时的弯扭组合 力矩为760.86 N‘m,制动状态时的转矩为966.33 N-m。

A点抗弯截面模量为51 200 mm3,D点的抗弯截面模 量为42187.5 mm3,花键部分抗扭截面模量为19 850.57 mm3,,点的弯曲应力为31.71 MPa(制动状态),D点的弯 曲应力为22.91 MPa(制动状态),花键部分的抗扭应力T 为32.74 MPa(制动状态),材料的许用弯曲极限[〇■]为75 MPa材料的许用扭转极限[T]为40 MPa。

通过上述的计算可以得知主轴的强度是满足要求 的。

二、主轴刚度的计算。

C点的轴径队为79 mm,D点的轴径化为75 mm,C点的 惯性矩/。为 1 911 957.59 mm4,D点的惯性矩/^1 553 1 55.52 mm4,材料的弹性模量E为206 000 MPa。C点的挠度为0.0374 mm(方向向下,D点的挠度为0.0375 mm(方向朝 下。

许用挠度应不大于电机气隙的0.1倍,即0.1 mm。通过 上述的计算可以得知主轴的刚度是满足要求的。

3)主轴的疲劳强度计算。

当仅弯矩作用时,点与D点的弯曲疲劳极限为350;A点与D点的有效应力集中系数分别为1.9和1.51;点与D 点的表面质量系数为0.95M点与D点的尺寸影响系数为 0.64,点与D点的平均应力折算系数为0.43,点与D点的 弯矩分别为1487.64 MPa和715.05 MPa;点与D点的抗弯 截面模量分别为51 200 mm3和42 187.5 mm3;点与D点 的弯曲应力分别为29.06 MPa和16.95 MPa;点与D点的 平均应力为0;因而A点与D点仅考虑弯曲时的安全系数 分别为10.43和22.49。

当仅扭转作用时,点与D点的弯曲疲劳极限为200;A点与D点的有效应力集中系数分别为1.59和1.45;点与 D点的表面质量系数为0.95;点与D点的尺寸影响系数为 0.72,点与D点的平均应力折算系数为0.29,,点与D点的 弯矩为650 MPa;A点与D点的抗扭截面模量分别为102 400 mm3和84 375 mm3;点与D点的扭转应力分别为 6.35 MPa和7.7 MPa;点与D点的平均应力为0;因而A点 与D点仅考虑扭转时的安全系数分别为13.55和12.25。

通过上面的计算得知,点与D点的疲劳安全系数分 别为8.26与10.76,其数值远大于1,故主轴的疲劳强度满 足要求。

2主轴的优化

主轴在电梯工作时,其承受的载荷极其复杂,实际设 计时,较难确定按照哪种工况下的强度计算是可靠的。因 而本文结合工程师的实践经验,对主轴处于空载上行、空 载下行、满载上行及满载下行四种工况分别进行计算,得 出各工况下的受力分别为10 604.55 N、10 831.35 N、22 561.35 N以及13 666.35 N。基于上述四种工况的计算 可以得知:当电梯处于满载上行时,主轴系统承受的载荷 最大。因而本文利用ANSYS有限元软件对满载上行的工 况进行数值模拟,在主轴的静力分析之中,材料采用40Cr 合金结构钢,弹性模量为2.06x105 MPa,泊松比为0.27,屈服强度为785 MPa,抗拉强度为980 MPa。为了优化网格 划分的质量和提高计算速度,可以将不影响强度的螺纹 孔与花键结构忽略。此外,用其后处理程序对主轴系统处 于满载上行工况下的等效应力及位移等进行分析。

分析主轴处于满载上行工况时:主轴的最大等效应力为57.682 MPa,选取 安全系数为5,则其材料的许用应力为157 MPa,因而主轴 的强度符合要求。

分析主轴系统处于满载上行工况时,主轴系统的最大位移为0.011 878 mm,小于 电机气隙的0.1倍(0.1 mn)。因而该电梯曳引机主轴系统 的刚度是满足要求的。

本文将主轴进行优化,即将主轴的直径从!80 mm减 小至!75 mm,并且利用ANSYS有限元软件对其进行模 拟,得出的主轴等效应力分布图及主轴系统位移分布图 分别如图2与图3所示。

图2优化后的主轴等效应力分布图 图3优化后的主轴系统位移分布图

参考文献:

[1]王洪如.电梯曳引机主轴断裂原因分析J .起重运输机械,2013(3):75-78.

[2] 吴国政.电梯原理使用维护[M].北京:电子工业出版社,1999.

[3]张国强,李欣宇,陈浩.基于装配模型的曳引机整体强度有限 元分析[J].华中科技大学学报,2006,23(2):52-54.

[4]杨海燕.曳引电梯系统有限元动态性能研究[D].广州:华南理 工大学,2011.

论文作者:肖健欣

论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第26期

论文发表时间:2018/12/3

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