关键字：电梯轿厢；安全钳；超速保护
前言：提拉结构、限速器、安全钳钳体等属于电梯轿厢超速保护用安全钳的主要构成，按制动元件结构、制动减速度则能够将安全钳划分为多种形式，而为了推动我国电梯超速保护装置研究领域的进一步发展，正是本文围绕电梯轿厢超速保护用安全钳设计与分析开展具体研究的原因所在。
1.电梯轿厢超速保护用安全钳结构设计
1.1总体设计
本文开展的电梯轿厢超速保护用安全钳设计采用了双楔块渐进式安全钳工作原理，图1为安全钳工作原理与结构示意图，其中图1左中的1~8分别为钳座、固定楔块、U型板簧、提拉杆、调节螺栓螺母、导板、嵌块、调节螺母,[1]。
1.2具体设计
上文提及的U型板簧、提拉杆、钳座等部件安装于电梯轿厢底部，超速保护用安全钳将随电梯轿厢一起沿导轨方向同步上下运动，而在电梯轿厢正常运行状态下，超速保护用安全钳将处于正常位置，这里的正常位置控制需得到制动块重力作用支持，同时超速保护用安全钳的钳块与导轨工作面留有一定间隙。而当电梯轿厢运行速度超过额定速度（设定速度为1.15倍）时，超速保护用安全钳将进入工作状态，被触发的限速器将使限速轮停转，而在绳缆与轮槽摩擦力作用下，超速保护用安全钳的提拉杆将带动钳块与导轨工作面接触，而二者接触所产生的摩擦力则会使钳块相对于钳座向上移动，而在U型板簧、固定楔块作用下，产生的夹紧力将直接作用于轿厢，电梯将由此被制停在导轨上，U型板簧的弹性力、固定楔块与导轨工作面产生的摩擦力属于制停电梯的关键。值得注意的是，由于U型板簧属于弹性元件，且固定楔块、钳块之间出现了滑移，因此轿厢制停过程中产生的冲击力将有效控制在人体可承受范围内[2]。
2.电梯轿厢超速保护用安全钳参数确定
2.1固定楔块和钳块角度确定
结合《电梯制造与安装安全规范》（GB7588-2003）规定，客运电梯额定载重P取1000kg，自重系数为1.6，电梯轿厢自重Q为1600kg，电梯额定速度为2m/s。假设电梯绳缆因疲劳原因发生断裂，电梯轿厢自由下坠，在超速保护用安全钳作用下轿厢被制停在导轨上，这一过程中U型板簧对导轨提供的正压力设为FN，而Fz则为导轨工作面反作用下钳块表面的压力所产生的制动力，导轨工作面直接受到两种力的共同作用[3]。
为确保轿厢内乘客安全，设超速保护用安全钳动作速度为额定运行速度的
公式中的Mg、M、分别为轿厢总重力、满载轿厢质量、钳块楔角，由此即可求得tan为0.23，这一数值代表轿厢平衡时竖直方向受力情况，tan约等于13°，这里的13°为超速保护用安全钳能够自锁到导轨上极限情况下的角度值。结合实际情况开展分析不难发现，初步设计的电梯轿厢超速保护用安全钳工作面与钳块间距离为2mm~3mm，为保证正常运行下超速保护用安全钳不会制动时的减速度和误动作，最终电梯轿厢超速保护用安全钳设计的楔角设置为8°，导轨与钳块间距离设置为2mm。
2.2固定楔块和钳块高度确定
为确定电梯轿厢超速保护用安全钳固定楔块和钳块高度，需首先求得电梯正常运行时钳块初始位置上升到超速保护用安全钳工作位置的距离，该距离实质是属于钳块与导轨接触的运动距离，设该距离为h1，通过上述参数可求得该距离为14.23mm，而结合杭州新迪数字工程系统有限公司出品的《Solid Works Simulation高级教程》，可发现固定楔块发生横向位移距离、U型板簧单侧位移量均为1.61mm时，规定楔块、钳块在竖直方向产生相对位移，设该位移为h2，通过计算可确定，同时设h3为电梯轿厢超速保护用安全钳在初始位置安装时规定楔块底面与钳块顶面距离，通过计算可确定该距离约为45mm。
在电梯轿厢超速保护用安全钳进行轿厢制停后，钳块会在夹紧导轨后仍在上方预留一段距离，该距离的预留是为了避免电梯运行超速较多情况下电梯轿厢超速保护用安全钳无法最大化发挥效用，而通过预留距离即可保证钳块更好卡住导轨以保证电梯运行安全，而设预留距离为h4=25mm，可求得电梯轿厢超速保护用安全钳固定楔块高度h为95.68mm，为方便制造h取100mm。考虑到提拉杆负责电梯轿厢超速保护用安全钳的钳块动作实现，考虑到二者质量、尺寸等多方面限制，以及45mm的固定楔块下表面与钳块上表面距离，因此钳块高度H取60mm。在电梯轿厢超速保护用安全钳的装配过程中，需进行微调以保证导轨工作面与钳块间距控制为2mm。
3.电梯轿厢超速保护用安全钳有限元分析
结合上述设计与参数选择，即可进行电梯轿厢超速保护用安全钳的建模，而围绕模型开展有限元仿真即可进一步验证设计实用性，这里的建模采用了20CrNiMo作为制动块材料、40Cr作为动楔块和固定楔块材料，其中材料20CrNiMo的弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、屈服强度分别为2.08×1011Pa、0.295、8.09×1010Pa、7870kg·m-3、9.08×108Pa、7.85×108Pa，而40Cr材料则分别为2.11×1011Pa、0.277、8.28×1010Pa、7870kg·m-3、9.08×108Pa、7.85×108Pa。
对固定楔块斜面施加固定几何体约束、对U型板簧与固定楔块接触面施加54.63kN均布力、对钳座与固定楔块上板接触面施工电梯自重和额定载重之和，由此通过计算分析可得出位移量和应变较小，两种材料可满足安全钳固定楔块顶部最大340.9MPa应力需要；而继续对动楔块的楔面施加固定几何体约束，在完成连接件连接作用设置后，对制动块施加竖直向上摩擦力与正压力，由此通过计算可得出钳块最大合应变、合位移均较小，两种材料也能够较好满足202.2MPa的钳块最大应力需要。
结论：综上所述，电梯轿厢超速保护用安全钳的设计具备较高现实意义，在此基础上，本文涉及的固定楔块和钳块角度确定、固定楔块和钳块高度确定等内容，则为同类研究提供了可行性较高的路径支持，而为了进一步推动电梯超速保护装置的研究，同类研究也必须关注参数计算与有限元分析的价值。
参考文献：
[1]袁传森,宋耀国,周莹.一种采用永磁同步曳引机电梯的上行超速保护测试方法的研究[J].中国特种设备安全,2016,3207:21-24+29.
[2]沈文亮.电梯轿厢上行超速保护装置的探讨[J].技术与市场,2016,2308:27+29.
[3]李万莉,卞开特.电梯上行超速保护装置触发机制的建模与仿真[J].机电一体化,2017,2311:38-42.
论文作者: 陈基林
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
标签：电梯论文; 导轨论文; 距离论文; 工作面论文; 位移论文; 摩擦力论文; 钳工论文; 《科技中国》2018年6期论文;