基于Creo和ANSYS Workbench電梯主機(jī)機(jī)架數(shù)值分析

趙海燕

（蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州215000）

0 引 言

目前我國房地產(chǎn)發(fā)展取得了空前成就，各類房產(chǎn)均取得了長足的發(fā)展；地產(chǎn)由滿足居民的基于生活需求向改善方向轉(zhuǎn)換。別墅在全國各地建筑面積愈來愈大，其中配備別墅電梯的房產(chǎn)呈爆發(fā)式增長。預(yù)計(jì)未來10年，我國別墅電梯市場將保持每年20%的速度增長。

目前全國超過500家電梯企業(yè)涉及別墅電梯制造，市場口碑對于電梯企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。同時別墅電梯是涉及人身安全的特種設(shè)備，因此，電梯部件在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中各要素均需要驗(yàn)證。在此主要應(yīng)用Creo和ANSYS Workbench軟件對某型別墅電梯主機(jī)機(jī)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，簡要說明機(jī)架的設(shè)計(jì)和分析過程。

1 系統(tǒng)建模

本文所涉及的別墅電梯為龍門架式結(jié)構(gòu)，其原理如圖1所示。其中曳引機(jī)[1]1固定在機(jī)架上；對重側(cè)繩頭2安裝于機(jī)架上；對重系統(tǒng)3通過鋼絲繩曳引上下運(yùn)行于對重導(dǎo)軌上；轎廂轎架系統(tǒng)4通過鋼絲繩曳引上下運(yùn)行于轎廂導(dǎo)軌；鋼線繩5兩端固定在繩頭上（對重側(cè)繩頭2和轎廂側(cè)繩頭6），繞過轎廂轎架系統(tǒng)4、曳引機(jī)1和對重系統(tǒng)3；轎廂側(cè)繩頭6固定在轎廂側(cè)導(dǎo)軌一側(cè)上。

在主機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)中，主要考慮3種運(yùn)行工況：正常運(yùn)行、裝載和安全鉗動作[2-3]。正常運(yùn)行主要考慮到主機(jī)加減速對主機(jī)機(jī)架的影響；裝載主要考慮到轎廂上下客時對機(jī)架的影響；安全鉗動作主要考慮極限狀況下對主機(jī)機(jī)架的影響。機(jī)架安裝如圖2所示，曳引機(jī)2安裝于機(jī)架上；機(jī)架3安裝于對重導(dǎo)軌上，同時與轎廂導(dǎo)軌一側(cè)連接；對重側(cè)導(dǎo)軌4與導(dǎo)軌支架連接，導(dǎo)軌支架與井道通過膨脹螺栓連接；對重側(cè)繩頭5與鋼絲繩連接，安裝于機(jī)架3之上；限速器6安裝于機(jī)架之上。轎廂側(cè)導(dǎo)軌、對重側(cè)導(dǎo)軌型號皆為T75-B[4]。

應(yīng)用Creo軟件進(jìn)行建模[5]，零部件主要尺寸如圖3（a）所示。因主要考慮對機(jī)架的影響，所以曳引機(jī)、限速器、繩頭等部件均未再建模，只要計(jì)算出力施加于機(jī)架之上就可以進(jìn)行分析，這樣可以減少有限元網(wǎng)格數(shù)量，提升計(jì)算速度及效率。圖3（b）為Creo建立的3D模型。

圖1 龍門架式別墅電梯原理圖

圖2 機(jī)架安裝

圖3 機(jī)架

機(jī)架與主機(jī)采用M16螺栓聯(lián)接，其對應(yīng)的平墊直徑尺寸為30 mm。限速器與機(jī)架采用M10螺栓聯(lián)接，其對應(yīng)的平墊直徑尺寸為20 mm；繩頭護(hù)套直徑為40 mm。為后續(xù)有限元分析施加力更能體現(xiàn)實(shí)際情況，在Creo軟件Simulate模塊中建立曲面區(qū)域（區(qū)域大小參照相應(yīng)平墊、護(hù)套尺寸），模擬直接受力區(qū)域，如圖4所示。將圖4模型保存為*.X_T格式，以便將這些區(qū)域面信息導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，不會發(fā)生信息丟失現(xiàn)象。

2 受力分析

圖4 曲面區(qū)域

圖5 曳引機(jī)受力示意圖

轎廂轎架空載自重P 為598 kg，載重載荷Q為400 kg，電梯對重系統(tǒng)平衡系數(shù)為0.5，則對重系統(tǒng)質(zhì)量為P+0.5Q=798 kg。因別墅電梯提升高度低，基本上低于25 m，鋼絲繩線密度(直徑φ8 mm)為0.25 kg/s，單側(cè)鋼絲繩質(zhì)量為4（根）×0.25×25=25 kg，因其質(zhì)量較小，對機(jī)架的影響基本上可以忽略。轎廂轎架正常運(yùn)行時的加速度a=0.4 m/s2，裝載沖擊加速度a=9.81 m/s2（按滿負(fù)荷計(jì)算），安全鉗動作時a=9.81 m/s2；標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g=9.81 m/s2。

圖5為曳引機(jī)受力示意圖：T1為轎廂側(cè)受力，T1=(P+Q)·(g-a)/2；T2為對重側(cè)受力，T2=(P+0.5Q)·(g-a)/2。表2為各工況受力計(jì)算結(jié)果。安全鉗動作時理論上a＜9.81 m/s2，但考慮到極端情況，比如鋼絲繩全部斷裂，雖然這種情況基本不會發(fā)生，a仍以9.81m/s2進(jìn)行計(jì)算。

曳引機(jī)型號為FRD21E，質(zhì)量為125 kg，重力為125×9.81≈1226 N。

限速器型號為OX-186A，其制動拉力大于等于500 N，安全鉗提拉所需要的力為300 N，沖擊系數(shù)取2，制動拉力取2×300=600 N。

3 有限元分析

打開ANSYS Workbench軟件[6]，建立Static Structural分析，導(dǎo)入前文所述*.X_T格式文件。進(jìn)入Model模塊，分別在主機(jī)安裝連接板和限速器連接板建立局部坐標(biāo)系（方便施加力定位），建立遠(yuǎn)程受力點(diǎn)：根據(jù)曳引機(jī)、限速器相對于機(jī)器梁位置，建立曳引機(jī)重力點(diǎn)、曳引機(jī)轎廂側(cè)受力點(diǎn)、曳引機(jī)對重側(cè)受力點(diǎn)、限速器受力點(diǎn)，如圖6所示。各受力點(diǎn)與對應(yīng)的曳引機(jī)安裝位置和限速器安裝位置曲面區(qū)域（如圖4），曲面曲域是來自Creo 數(shù)據(jù)傳遞（在ANSYS Workbench建立曲面區(qū)域沒有在Creo軟件中方便）。遠(yuǎn)程點(diǎn)的“Behavior”設(shè)置為“Rigid”，主要考慮到安裝曳引機(jī)、限速器后對機(jī)架局部剛度得到了加強(qiáng)。

表1 受力計(jì)算

圖6 遠(yuǎn)程點(diǎn)建立

轎廂側(cè)導(dǎo)軌底、對重側(cè)導(dǎo)軌底端采用固定約束，轎廂側(cè)導(dǎo)軌上端280 mm尺寸處（如圖2）導(dǎo)軌支架安裝處也采用固定約束，用以模擬與導(dǎo)軌支架的連接。其各部件之間采用bonded接觸用以模擬它們之間的焊接。

針對正常運(yùn)行工況（轎廂上行），主機(jī)重力、轎廂側(cè)拉力T1、對重側(cè)拉力T2采用遠(yuǎn)程力施加，對重側(cè)繩頭直接施加力于區(qū)域面上。其工況的邊界條件如圖7所示。

圖7 正常運(yùn)行（轎廂上行）邊界條件

材料均采用Q235A，其力學(xué)特性如圖8所示[7]。

圖8 材料特性數(shù)據(jù)

模型網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)默認(rèn)即程序控制，系統(tǒng)會依據(jù)模型數(shù)據(jù)為其分配合適的網(wǎng)格劃分方法。

圖9為正常運(yùn)行工況（轎廂上行）求解結(jié)果；圖10為正常運(yùn)行工況（轎廂下行）求解結(jié)果；圖11為裝載工況求解結(jié)果；圖12為安全鉗動作工況求解結(jié)果，圖12(a)為邊界條件，圖12(b)為等效應(yīng)力云圖，圖12(c)為變形云圖。

圖9 正常運(yùn)行（轎廂上行）應(yīng)力與變形云圖

表2為各工況下最大應(yīng)力與最大變形匯總數(shù)據(jù)。由表2中數(shù)據(jù)可見，機(jī)架在各工況下應(yīng)力均沒有超過材料屈服點(diǎn)，同時各工況變形數(shù)據(jù)亦沒有超過跨距1/960[8]即560÷960=0.58 mm，也是符合設(shè)計(jì)要求的。

表2 各工況最大應(yīng)力、最大變形匯總

4 結(jié) 語

借助三維建軟件Creo與有限元分析軟件ANSYS Workbench，有效提升了企業(yè)的運(yùn)營效率，縮小了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)周期和驗(yàn)證周期，增加了產(chǎn)品和工程的可靠性[9]，對提升客戶滿意度、拓展市場提供有效技術(shù)支持。后續(xù)進(jìn)一步借助軟件優(yōu)勢，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際使用情況，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力。

圖10 正常運(yùn)行（轎廂下行）邊界條件、應(yīng)力與變形云圖

圖11 裝載邊界條件、應(yīng)力與變形云圖

圖12 安全鉗動作邊界條件、應(yīng)力與變形云圖