引言

無機房電梯因其自身的優(yōu)勢,成為各大電梯廠商主推的梯型之一。首先,無機房電梯因不需要額外的機房,為建筑商節(jié)約了成本。隨著中國老齡人口的增長,加上近年政府政策的支持,加裝梯的市場需求呈逐年上升的趨勢,無機房電梯很好地滿足了加裝梯的要求。其次,隨著小型化主機、扁平式主機技術(shù)的發(fā)展,無機房井道顯著減小,提高了井道利用率。再則,隨著電梯技術(shù)的發(fā)展,無機房電梯從原來的最高1.5m/s速度、45m提升高度發(fā)展到目前大部分公司能提供2.5m/s速度、80m提升高度,基本上能覆蓋居民住宅樓的要求。

然而,市場上現(xiàn)有的無機房電梯基本上都采用將主機安裝在導軌頂端,由導軌支撐主機的設(shè)計,因此,整個曳引系統(tǒng)的重量全部作用在導軌上,對導軌和導軌支架的強度有較高的要求。對于無機房電梯常用的公共導軌支架,因其用于固定對重導軌和一根轎廂導軌,故其強度對于電梯運行的安全性及振動都至關(guān)重要。本文對實際工程設(shè)計中一款共用導軌支架強度進行了計算,并對結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化,可供日后類似的工程問題參考。

1導軌支架受力計算

公共導軌支架受力主要來源于兩根對重導軌以及一根轎廂導軌對其的水平作用力。因轎廂本身的偏載以及轎廂和對重懸掛點的偏差,導軌支架實際受力可分為多種情況。本例中,當Fy-CwT和Fx-Car作用于同一方向,并且Fx-CwT與Fy-Car相向作用,擠壓導軌支架時,受力情況最為惡劣,支架變形量最大。故以此工況作為受力分析基準,如圖1所示。

參照GB7588一2003《電梯制造與安裝安全規(guī)范》中的導軌受力計算公式以及行業(yè)內(nèi)其他工程人員的研究方法,對導軌在不同工況時受到的水平作用力進行了計算。導軌支架受到的力,即為導軌受力的反作用力,數(shù)值上相等。本文以1150kg、1.75m/s的普通客梯為例,對導軌支架水平受力進行了計算。計算所需的配置信息如表1所示。

對于轎廂導軌水平力,分別計算安全鉗動作工況、正常運行工況、裝卸工況,并取最大值:對于對重導軌水平力,分別計算安全鉗動作工況、正常運行工況,并取最大值。參照GB7588一2003標準,計算得到導軌支架水平受力如表2所示。

2導軌支架強度分析

選取安全鉗動作時的水平力作為導軌支架的加載力,進行受力分析。在Ansys里建立模型,導軌支架材料選用0235A。因所用滑動導靴與導軌接觸面的長度為125mm,故截取一段125mm長的導軌作為導軌支架水平受力的加載面。按表2計算值施加導軌支架受力。為簡化計算,導軌支架與井道壁接觸面做固定約束處理。受力和約束情況如圖2所示。

圖2受力和約束情況

由分析結(jié)果可知,導軌支架最大變形量為3.2mm,出現(xiàn)在轎廂導軌與支架連接處,如圖3所示。支架角鋼焊接處,除應(yīng)力集中點外,周圍最大應(yīng)力小于200MPa,且其余部分應(yīng)力較小,如圖4所示。因此導軌支架強度沒有問題。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

考慮到轎廂導軌與支架連接處變形量過大,對轎廂運行過程中水平振動有較大影響,本例中,對導軌支架結(jié)構(gòu)做優(yōu)化設(shè)計,通過減小轎廂導軌側(cè)支架變形量,縮小轎廂水平位移,從而達到改善轎廂乘坐舒適度的目的。為了減小支架變形量,可增加支架槽鋼厚度,或添加加強筋。實際工程應(yīng)用中,維護較少的鋼材規(guī)格有利于工廠資材管理和成本控制,故本例中,保持鋼材厚度不變,采用添加加強筋的方案。

初始設(shè)計方案如圖5所示。在固定轎廂導軌側(cè)槽鋼凹槽處添加4個5mm厚加強筋,相對位置如圖所示。加強筋分布的位置不同,對變形量的改善效果也不同。為達到最優(yōu)化效果,本文采用DoE優(yōu)化方法,借用AnsysworkbenchDirectoptimization強大的計算能力,在初始設(shè)計的基礎(chǔ)上,尋求變形量最小值的最優(yōu)解。DoE實驗方法被廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計改進,其能通過較少次數(shù)的試驗,找到所需優(yōu)化結(jié)果影響因素的最佳組合,從而避免了重復修改設(shè)計模型,提高了設(shè)計效率。

圖5初始優(yōu)化設(shè)計方案

本例中定義加強筋相對于初始方案的水平移動量分別為AD1和AD2。左邊兩塊加強筋和右邊兩塊以支架為中心,左右對稱移動。定義朝內(nèi)移動為負方向,朝外為正方向。以上述兩個位移值為優(yōu)化輸入?yún)?shù),設(shè)定了參數(shù)范圍如表3所示。將導軌支架最大位移量P1作為優(yōu)化目標,設(shè)置優(yōu)化目標為求最小值,上限為

3.2mm。

為了提高計算效率,本例中設(shè)置優(yōu)化樣本為15組。AnsysDirectoptimization模塊按照表4設(shè)定的優(yōu)化范圍自動生成優(yōu)化樣本,并計算得到優(yōu)化結(jié)果,如表4所示。

由表4可知,第12組樣本為最優(yōu)樣本。最終結(jié)構(gòu)可參照第12組優(yōu)化結(jié)果取整,即加強筋位置分別向外移動38mm和75mm,此時導軌支架最大變形量為2.764mm。

4結(jié)語

本文基于Ansysworkbench對無機房公共導軌支架強度做了分析,并采用DoE優(yōu)化方法,對導軌支架最大變形量做了優(yōu)化計算,提出了一種減小導軌支架變形量的優(yōu)化設(shè)計方案。結(jié)果表明,優(yōu)化后的變形量相對于初始設(shè)計顯著減小:同時,DoE優(yōu)化方法的采用提高了優(yōu)化設(shè)計效率。本文的研究為實際工程應(yīng)用中的類似問題提供了一種可行的解決方法。實際應(yīng)用時,可以通過增加樣本數(shù)量來達到進一步優(yōu)化的目的。同時,實際設(shè)計中可能還會遇到多目標優(yōu)化的需求,有限元強度分析結(jié)合DoE優(yōu)化方法,可減少優(yōu)化設(shè)計的工作量,能夠極大地提高設(shè)計效率,尋求最優(yōu)化方案,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。