曳引式电梯自动控制保护装置的结构设计及有限元分析

付立新，吕云飞，韩彦龙，王继伟

(承德石油高等专科学校 a.安全工作处；b.机械工程系,河北 承德 067000)

近年来电梯产业飞速发展,电梯应用不断增多，由于电梯故障导致的安全事故不断发生。给人民生命财产安全带来极大损害，所以对电梯的安全性能要求不断提高。曳引式电梯在垂直升降过程中，长期运行使钢丝绳磨损，在检修维护不仔细的情况下，钢丝绳在受力过程中产生断裂，造成轿箱坠落以及人员伤亡的事故。本文提出一种设计理念巧妙、起到预警保护功能、结构简单，加工制造成本低，能够批量生产，现场调整安装方便、可靠性好等优点的曳引式电梯自动控制保护装置。

1 结构设计

曳引式电梯自动控制保护装置包括绳头板、安全开关、支架构件、转动轴、动作板等，如图1所示。安全开关通过支架构件安装到电梯绳头板上，动作板通过转动轴可转动的安装到支架构件上。安全开关与支架板的相对位置可调，动作板包括有与绳头对应配合机构。当电梯钢丝绳发生断开或钢丝绳异常伸长，绳头在自身弹簧的作用下向上做巨量反弹，当弹簧推动动作板转动时，会触发安全开关动作的开关触发部，曳引式电梯自动控制保护装置开启安全保护功能。当电梯钢丝绳正常时,开关触发部与安全开关保持正常工作距离，电梯正常工作。

当电梯钢丝绳发生断开或钢丝绳异常伸长导致的松动等危险状况时，能阻止电梯在这类状况下运行；并且，该装置能够检测到任意一根曳引绳的断裂或者松动，从而提醒操作人员对曳引绳进行及时检修，防患未然，起到预警保护功能。另外，安全开关与支架板的相对位置可调，设计理念巧妙、结构简单，加工制造成本低,能够批量生产，现场调整安装方便、可靠性好。

2 绳头板静力学分析

2.1 参数设置

绳头板材料为45号钢，弹性模量取2.07×1011Pa，泊松比 0.3，材料密度7 800 kg/m3。电梯载重为1 050 kg，电梯由5根钢丝绳均匀承重，每根钢丝绳承重F=1 050×10÷0.55×12÷2÷5=22 909 N，工字钢做为绳头板的支撑部分，其底面设置全约束。选用SOLID45单元对绳头板实体模型进行网格划分，得到绳头板有限元模型如图2所示。

2.2 结果分析

1)应力分布

求解绳头板有限元模型得绳头板应力分布如图3所示，绳头板各部分最大应力值为0.164×109Pa,查阅机械设计手册可知，45号钢屈服极限为355 MPa,绳头板强度满足要求。

2)变形图

求解绳头板有限元模型得到绳头板变形图如图4所示，绳头板各部分变形最大值为0.001 12 m，查阅电梯相关行业标准可知，绳头板刚度满足要求。

3 绳头板模态分析

Block Lanczos法提取绳头板前6阶固有频率和振型图，绳头板前6阶振动固有频率如表1所示。

电梯工作时，电梯升降速度为1.6 m/s，楼房层高为2.8 m，电梯运行周期为1.75 s，电梯绳头板所受到的电梯运行启停激励频率分别为：0.571 Hz、1.143 Hz、1.714 Hz、2.286 Hz、2.856 Hz、3.429 Hz、4 Hz…，各激励频率有效的避开了绳头板各阶固有频率，故电梯运行启停时，绳头板不会产生较大振动。绳头板前6阶振型图如图5所示，各阶振型图显示绳头板边缘和螺纹孔中间部位为变形较大区域，故绳头板边缘部分需要增加光滑圆角过度，避免较大变形造成应力集中破坏；需对螺纹孔区域进行淬火处理，保证表面硬度较高，且内部韧性较好。

表1 绳头板前6阶振动固有频率

4 总结

综上所述，本文的曳引式电梯自动控制保护装置能够有效提高电梯的安全性能；不仅静力学强度满足使用要求，而且有效避免共振，减少振动和噪音。因为该装置具有设计理念巧妙、结构简单，加工制造成本低，能够批量生产，现场调整安装方便、可靠性好等优点，所以有非常大的推广应用价值。