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【摘要】針對鋼帶和鋼絲繩兩種類型電梯產品，分別設計不同結構的提拉桿，對此機構進行有限元分析。根據拉力實驗機的結構，設計一套提拉桿實驗工裝夾具，在實驗室對提拉桿進行理論分析的強度驗證，有效解決電梯上提拉桿在工作時因失效對電梯安全性帶來的影響。

【關鍵詞】提拉桿；有限元分析；強度驗證；電梯

隨著土地價格的飆升，樓宇的建筑高度也越來越高，從而使得電梯成為一種必備的特種工具。目前，市場上有鋼帶和鋼絲繩兩種類型電梯。鋼帶產品的優勢是：（1）鋼帶與主機的接觸面積比鋼絲繩大的多，效率提高了百分之五十以上，并且后續不需經常維保，壽命也比鋼絲繩高2倍之多；（2）鋼帶的柔韌度使得電梯運行更平穩；（3）鋼帶的質量更輕一些，安裝也相對比較方便。劣勢是：（1）鋼帶在運行過程中，可能在水平方向上發生偏離，使得電梯有振動和斷絲的情況發生；（2）對鋼帶的表面要求非常高，如果表面不清潔電梯可能產生振動和噪音，壽命也會急劇下降；（3）當鋼帶斷裂時，我們很難用肉眼觀察到，只能借助檢測裝置，但是檢測裝置有時會發生誤動作；（4）成本高，在高速時不適合使用；（5）歷史短，有不確定性。鋼絲繩的優勢是：（1）圓形結構，導向強，不易磨損；（2）已有百年歷史，技術成熟；（3）鋼絲繩斷裂用肉眼易觀察，可以及時更換；（4）在電梯高速運行過程中，更平穩和舒適；（5）曳引機成本低。本文基于這兩種產品各有優勢，設計了兩套不同的提拉桿機構。為保證其安全性，在機構設計完成后，針對提拉桿在不同工況下的工作，對其強度進行有限元的分析。根據拉力機的結構，設計了一套工裝，在實驗室對理論分析的強度進行驗證。從而有效解決了提拉桿在工作時失效對電梯安全性帶來的影響。

1鋼絲繩產品的提拉桿機構

1.1鋼絲繩產品的提拉桿結構

提拉桿安裝在上梁之中如圖1深色部分所示，此結構屬于上提拉。作用是連接限速器和安全鉗。在轎廂（安全鉗、安全鉗杠桿、限速器鋼絲繩、限速器輪）運行速度≥115%額定速度時，限速器帶動提拉桿工作，由剎繩塊壓迫限速器鋼絲繩，使其停止運轉，并帶動安全鉗杠桿，使安全鉗動作[1]。

1.2計算機仿真提拉桿的應力

將Creo2.0建立的提拉桿模型導入有限元workbench中，然后對其進行網格劃分，建立有限元模型，提拉桿的單元類型SOLID186。劃分完的網格如圖2所示。按照國家安全標準要求轉軸1的材料為20GB699-88，抗拉強度為410MPA，屈服強度為245MPA。支架2的材料為Q235AGB700-88，抗拉強度為375MPA，屈服強度為235MPA。桿3和桿5、桿6的材料都為ZG270-500GB11352-85，抗拉強度為500MPA，屈服強度為270MPA。這些材料的彈性模量都為E=210000MPa，泊松比都為n=0.3，密度都為r=7800kg/m3。作用在提拉桿上的載荷有自重、限速器的提拉力、安全鉗的拉力等。在分析過程中，若考慮到沖擊作用影響，均按照動載荷增加一個重力加速度進行分析計算[2]。提拉桿在工作時的有限元分析結果如圖3所示。

1.2.1轉軸1結果分析轉軸1的強度接受標準為410MPA，根據工況，可得最大應力值為189MPA，安全系數為FOS=410/189=2.2，強度滿足要求。

1.2.2支架2結果分析支架2的強度接受標準為375MPA，根據工況，可得最大應力值為259.82MPA，安全系數FOS=375/259.82=1.4，強度滿足要求。

1.2.3桿3結果分析桿3的強度接受標準為500MPA，根據工況，可得最大應力值為151.44MPA，安全系數FOS=500/151.44=3.3，強度滿足要求。

1.2.4連接桿4結果分析連接桿4的強度接受標準為500MPA，根據工況，可得最大應力值為60.215MPA，安全系數FOS=500/60.215=8.3，強度滿足要求。

1.2.5擺動桿5結果分析擺動桿5強度的接受標準為500MPA，根據工況，可得最大應力值為227.04MPA，安全系數FOS=500/227=2.2，強度滿足要求。通過有限元workbench分析得知，設計完的鋼絲繩產品的提拉桿結構構強度滿足要求。

2鋼帶產品的提拉桿機構

2.1鋼帶產品的提拉桿結構

提拉桿與轎架的槽鋼安裝在一塊。如圖4所示。屬于下提拉的一種結構。其作用和工作原理與鋼絲繩產品的提拉桿結構一樣，這里不再進行敘述。

2.2計算機仿真提拉桿的應力

同樣將Creo2.0建立的提拉桿模型導入有限元workbench中，然后對其進行網格劃分，建立有限元模型，提拉桿的單元類型SOLID45。劃分完的網格如圖5所示。按照國家安全標準要求桿1和拉桿3的材料為Q345AGB709-88，抗拉強度為470MPA，屈服強度為345MPA。套筒2和轉軸4的材料為Q255，抗拉強度為335MPA，屈服強度為255MPA。這些材料的彈性模量都為E=210000MPa，泊松比都為n=0.3，密度都為r=7800kg/m3。作用在提拉桿上的載荷有自重、限速器的提拉力、安全鉗的拉力等[3]。在分析過程中，若考慮到沖擊作用影響，均按照動載荷增加一個重力加速度進行分析計算。提拉桿在工作時的有限元分析結果如圖6所示。

2.2.1轉軸結果分析轉軸1的強度接受標準為335MPA，從圖7可得最大應力值為143MPA，安全系數為FOS=335/143=2.3，強度滿足要求。

2.2.2套筒結果分析套筒的強度接受標準為355MPA，從圖8可得最大應力值為199MPA，安全系數為FOS=355/199=1.8，強度滿足要求。有時在計算機仿真模型中，由于通過三維軟件建立模型時，總會有銳邊角接觸的情況出現，所以有限元在計算的時候，會出現應力集中，使得計算結果偏大或者超出了我們所需的標準值，但是根據理論知識和實踐經驗得知，出現這樣對的計算結果我們是可以接受的[4]。通過有限元workbench分析得知，設計完的鋼絲繩產品的提拉桿結構強度滿足要求。

3利用實驗室對有限元分析提拉桿結構強度進行等效驗證

根據有限元計算分析出來的結果，我們在實驗室對模型進行進一步的驗證。由于鋼帶和鋼絲繩兩種結構的實驗方法類似，本文僅以鋼帶產品的提拉桿為例進行實驗分析。提拉桿的結構較為復雜，如果按照1比1的比例模型放到拉力機上則無法完成安裝和測試，設備如圖9所示。為了更好更有效的完成實驗測試，本文根據此設備的接口，設計了一套工裝夾具。由此工裝模擬鋼帶產品的提拉杠桿機構。如圖10所示。將支架1通過緊固螺釘安裝設備平臺上。在給提拉桿動態提拉力之前，首先使用游標卡尺測量桿4的長×寬×高的尺寸為269.1mm×30.25mm×5.09mm，桿5的長×寬×高的尺寸為270mm×30.25mm×5.06mm。如圖11所示。在轉軸8上任意標記一點，并記錄其初始位置為27.26mm。如圖12所示。

3.1約束限速器連桿

用螺栓限制住提拉桿。將拉力機與桿4連接。在拉力機設備上設置參數，將限速器動態提拉力設置到3562N，循環62次，如圖13所示。循環62次之后，記錄下桿4的長×寬×高的尺寸為269.1mm×30.23mm×5.08mm。桿5的長×寬×高的尺寸為269.9mm×30.23mm×5.06mm。轉軸8的初始記錄位置為27.24mm。經過與測試之前的測量尺寸相比，沒有發生永久變形，將應變值轉化為應力值，滿足強度要求。

3.2限速器連桿完全自由

使提拉桿連接限速器的一端完全自由。將拉力機與桿4連接。同樣在拉力機設備上設置參數，將限速器動態提拉力設置到3562N，循環62次，如圖14。實驗之后，測量桿4、桿5和轉軸8兩端與初始位置的變形量，同樣沒有永久變形發生。通過以上實驗室分析、計算機仿真分析我們可以總結出此次設計的提拉桿結構強度性能完全可以滿足我們電梯產品的需要。

4結語

電梯產品作為一種特種設備，在產品的設計階段，設計人員會遇到多方面的因素影響，特別是設計結構強度校核和成本控制。設計工程師應本著從實際出發，保證質量、安裝和交貨工期的前提下，使得成本最低。對于電梯部件的設計安全性也是設計的重要課題。盡量保證各個部件配合起來的整個電梯系統能夠運行平穩、安全，給客戶帶來更好的乘梯體驗。為電梯產品贏得更大的市場占有率，進而獲得乘客的不斷好評。

參考文獻

[1]徐青,史熙.高速電梯安全鉗制動實驗分析[J].機械設計與研究,2017(10).

[2]全國電梯標準技術委員會.GB7588-2003，電梯制造與安全規范[S].北京:中國標準出版社,2003.

[3]美國國家標準學會(US-ANSI).ASMEA17.1-2010/CSAB44-10,電梯和自動扶梯的安全性法規[S].北京:中國質檢出版社,2010.

[4]宮曉凱.淺談用補償繩裝置的對重框架設計[J].輕工科技,2018(6).

作者：宮曉凱 單位：天津機電職業技術學院機械學院