无机房电梯公共导轨支架结构强度分析与优化

引言

无机房电梯因其自身的优势,成为各大电梯厂商主推的梯型之一。首先,无机房电梯因不需要额外的机房,为建筑商节约了成本。随着中国老龄人口的增长,加上近年政府政策的支持,加装梯的市场需求呈逐年上升的趋势,无机房电梯很好地满足了加装梯的要求。其次,随着小型化主机、扁平式主机技术的发展,无机房井道显著减小,提高了井道利用率。再则,随着电梯技术的发展,无机房电梯从原来的最高1.5m/s速度、45m提升高度发展到目前大部分公司能提供2.5m/s速度、80m提升高度,基本上能覆盖居民住宅楼的要求。

然而,市场上现有的无机房电梯基本上都采用将主机安装在导轨顶端,由导轨支撑主机的设计,因此,整个曳引系统的重量全部作用在导轨上,对导轨和导轨支架的强度有较高的要求。对于无机房电梯常用的公共导轨支架,因其用于固定对重导轨和一根轿厢导轨,故其强度对于电梯运行的安全性及振动都至关重要。本文对实际工程设计中一款共用导轨支架强度进行了计算,并对结构做了优化,可供日后类似的工程问题参考。

1导轨支架受力计算

公共导轨支架受力主要来源于两根对重导轨以及一根轿厢导轨对其的水平作用力。因轿厢本身的偏载以及轿厢和对重悬挂点的偏差,导轨支架实际受力可分为多种情况。本例中,当Fy-CwT和Fx-Car作用于同一方向,并且Fx-CwT与Fy-Car相向作用,挤压导轨支架时,受力情况最为恶劣,支架变形量最大。故以此工况作为受力分析基准,如图1所示。

参照GB7588一2003《电梯制造与安装安全规范》中的导轨受力计算公式以及行业内其他工程人员的研究方法,对导轨在不同工况时受到的水平作用力进行了计算。导轨支架受到的力,即为导轨受力的反作用力,数值上相等。本文以1150kg、1.75m/s的普通客梯为例,对导轨支架水平受力进行了计算。计算所需的配置信息如表1所示。

对于轿厢导轨水平力,分别计算安全钳动作工况、正常运行工况、装卸工况,并取最大值:对于对重导轨水平力,分别计算安全钳动作工况、正常运行工况,并取最大值。参照GB7588一2003标准,计算得到导轨支架水平受力如表2所示。

2导轨支架强度分析

选取安全钳动作时的水平力作为导轨支架的加载力,进行受力分析。在Ansys里建立模型,导轨支架材料选用0235A。因所用滑动导靴与导轨接触面的长度为125mm,故截取一段125mm长的导轨作为导轨支架水平受力的加载面。按表2计算值施加导轨支架受力。为简化计算,导轨支架与井道壁接触面做固定约束处理。受力和约束情况如图2所示。

图2受力和约束情况

由分析结果可知,导轨支架最大变形量为3.2mm,出现在轿厢导轨与支架连接处,如图3所示。支架角钢焊接处,除应力集中点外,周围最大应力小于200MPa,且其余部分应力较小,如图4所示。因此导轨支架强度没有问题。

3结构优化

考虑到轿厢导轨与支架连接处变形量过大,对轿厢运行过程中水平振动有较大影响,本例中,对导轨支架结构做优化设计,通过减小轿厢导轨侧支架变形量,缩小轿厢水平位移,从而达到改善轿厢乘坐舒适度的目的。为了减小支架变形量,可增加支架槽钢厚度,或添加加强筋。实际工程应用中,维护较少的钢材规格有利于工厂资材管理和成本控制,故本例中,保持钢材厚度不变,采用添加加强筋的方案。

初始设计方案如图5所示。在固定轿厢导轨侧槽钢凹槽处添加4个5mm厚加强筋,相对位置如图所示。加强筋分布的位置不同,对变形量的改善效果也不同。为达到最优化效果,本文采用DoE优化方法,借用AnsysworkbenchDirectoptimization强大的计算能力,在初始设计的基础上,寻求变形量最小值的最优解。DoE实验方法被广泛应用于新产品开发、设计改进,其能通过较少次数的试验,找到所需优化结果影响因素的最佳组合,从而避免了重复修改设计模型,提高了设计效率。

图5初始优化设计方案

本例中定义加强筋相对于初始方案的水平移动量分别为AD1和AD2。左边两块加强筋和右边两块以支架为中心,左右对称移动。定义朝内移动为负方向,朝外为正方向。以上述两个位移值为优化输入参数,设定了参数范围如表3所示。将导轨支架最大位移量P1作为优化目标,设置优化目标为求最小值,上限为

3.2mm。

为了提高计算效率,本例中设置优化样本为15组。AnsysDirectoptimization模块按照表4设定的优化范围自动生成优化样本,并计算得到优化结果,如表4所示。

由表4可知,第12组样本为最优样本。最终结构可参照第12组优化结果取整,即加强筋位置分别向外移动38mm和75mm,此时导轨支架最大变形量为2.764mm。

4结语

本文基于Ansysworkbench对无机房公共导轨支架强度做了分析,并采用DoE优化方法,对导轨支架最大变形量做了优化计算,提出了一种减小导轨支架变形量的优化设计方案。结果表明,优化后的变形量相对于初始设计显著减小:同时,DoE优化方法的采用提高了优化设计效率。本文的研究为实际工程应用中的类似问题提供了一种可行的解决方法。实际应用时,可以通过增加样本数量来达到进一步优化的目的。同时,实际设计中可能还会遇到多目标优化的需求,有限元强度分析结合DoE优化方法,可减少优化设计的工作量,能够极大地提高设计效率,寻求最优化方案,缩短产品开发周期。